地物波谱特征

地物反射波谱特征
对于一般不能透过可见光的地面物体对波长 5 cm的电磁波则有透射能力，例如， 超长波的透过能力就很强，可以透过地面岩石、土壤。
利用这一特性制作成功的超长波探测装置探测地下的超长波辐射，可以不破坏地 面物体而探测地下层面情况，在遥感界和石油地质界取得了令人瞩目的成果。
地物反射波谱特征 在物体反射、吸收、透射等物理性质中，使用最普遍最常用的仍是反射这一性质。
的辐射值，计算野外测量出的方向反射比因子R；
用黑挡板遮住太阳直射光，在只有天空漫入射光时分别迅速测量标准板和地物的辐射值， 计算比值得到漫入射的半球一定向反射比系数RD ；
由公式计算出直射光照射下双向反射比因子RS。测量时可以保持方位角始终为0o
小麦野外测量的RD和RS及室内测量的Rs曲线
地物光谱测量实例分析 1. 测量仪器的介绍
垂直测量所用标准板通常用硫酸钡或氧化镁制成，在反射天顶角≤45o时，接近朗伯体，并且经 过计量部门标定，其反射率为已知值。因没有考虑入射角度变化时造成的反射辐射值的变 化（对实际地物在一定程度上取近似朗伯体），其测量值也有一定的适用范围。
地物波谱特征的测量
地物光谱测量方法 – 野外测量 非垂直测量： 在野外更精确的测量是测量不同角度的方向 反射比因子，考虑到辐射到地物的光线由来 自太阳的直射光（近似定向入射）和天空的 散射光（近似半球入射），因此方向反射比 因子取两者的加权和。
到达地面的太阳辐射能量= 反射能量+吸收能量+透射能量
地物反射波谱特征
绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体，例如水，对一定波长的电磁 波则透射能力较强，特别是0.45～0.56μm的蓝、绿光波段，一般水体的透射深度可 达 10～20 m，混浊水体则为 1～2 m，清澈水体甚至可透到100 m的深度。
➢ Detector integration time （TIME）设定光谱仪输出信号功率； ➢ Spectral smoothing controls （SIM）设定光谱曲线平滑算子； ➢ Number of scans to average （AVG）设定光谱平均采样次数；
合理的设置这些参数，能够起到事半功倍的效果。例如，选择适当的TIME和AVG参数 值，能使仪器在较短的时间内获得高信噪比的数据，这样便为数据的后期处理减轻了 负担。
fr
dLr(ii,rr dIi (i ,i )
)
地物波谱特征的测量
地物反射波谱测量理论 – 双向反射分布函数（BRDF） 对于给定的入射角和反射角，这一函数值表示在给定方向上每单位立体角内的反 射率。fr还是波长的函数。BRDF完全描述了反射空间分布特性的规律。但是由 于BRDF函数值本身是两个无穷小量的比，且实际想要测量dIi也十分困难，因此 实际测量中很少采用。
2、 影响样本光谱的因素
2、 影响样本光谱的因素
在光谱的采集过程中，对我们所感兴趣的样本产生影响的因素很多，而且关系非常复 杂。这些因素中，有些是可以在数据的处理过程中削弱和去除的，而有些因素产生的 影响却是无法估计和处理的。所以在采集样本光谱时，我们必须考虑到各种因素，尽 量避免一些无法定量的因素对最终结果产生影响。
地物反射波谱曲线 除随不同地物（反射率）不同外，同种地物在不同内部结构和外部条件下形态表 现（反射率）也不同。一般说，地物反射率随波长变化有规律可循，从而为遥 感影像的判读提供依据。
（1）植被反射波谱曲线 规律性明显而独特。可见光波段（0.4～0.76μm）有一个
小的反射峰，两侧有两个吸收带。这是因为叶绿素对蓝 光和红光吸收作用强，而对绿光反射作用强。
2 影响样本光谱的因素 我们将对样本光谱产生影响的因素分为了三类，分别是大气因素、周围物体的散
射因素和物体自身反射特性因素。如图：
其中，大气因素和周围物体的散射因素都属于影响样本光谱的环境因素。
2.1 大气因素对观测的影响
大气干扰地物光谱测量的因素主要包括： ➢ 大气中各种气体分子对太阳辐射的吸收； ➢ 云层对太阳辐射的吸收和散射； ➢ 风对被测物体的物理状态的影响。
1.2 测量仪器的软件介绍 Spectra Wiz 软件操作界面
1.2 测量仪器的软件介绍
四大模块： ➢ FILE模块：提供数据的保存、读取和打印功能； ➢ SETUP模块：提供设置仪器参数和数据预处理参数的功能； ➢ VIEW模块：提供设置光谱显示参数的功能； ➢ APPS模块：室内光谱测量参数设制。
叶绿素的 吸收波段
水的吸收 绿叶的反射率
在近红外波段（0.7～0.8 μ rn）有一 反射的“陡坡”，至 1.lμm附近有 一峰值，形成植被的独有特征。这 是由于植被叶细胞结构的影响，除 了吸收和透射的部分，形成的高反 射率。在中红外波段（1.3～2.5μm） 受到绿色植物含水量的影响，吸收 率大增，反射率大大下降，特别是 在水的吸收带形成低谷。
2.1 大气因素对观测的影响
➢ 大气中各种气体分子对太阳辐射的吸收； 气体分子吸收对太阳辐射的影响非常强烈，阳光通过大气层的路径越长，其吸收作用 就越强。
地物反射波谱特征
反射率和反射光谱 – 反射率 物体反射的辐射能量Pρ占总入射能量P0的百分比，称为反射率ρ ：
不同物体wk.baidu.com反射率也不同，这主要取决于物体本身的性质（表面状况），以及入
射电磁波的波长和入射角度。反射率的范围总是≤1，利用反射率可以判断物体
的性质。
P 100%
P0
地物反射波谱特征
仪器有1米、3米和5米的光纤连接光谱仪对样本采样，光纤视场均为25度。由于光纤存 在一个25度的视场，在测量观测时，观察的区域是一个面而不是一个点。所以在测量时必 须选择适当的观测距离和角度，保证观察面中的观测对象符合测量要求。
1.1 测量仪器的硬件介绍：
1.1 测量仪器的硬件介绍：
1.1 测量仪器的硬件介绍：
（1）植被反射波谱曲线
植物波谱具有上述的基本特征，但仍有细部差别，这种差别与植物种类、季节、病虫害 影响、含水量多少等有关系。为了区分植被种类，需要对植被波谱进行研究。
（1）植被反射波谱曲线 9月20日玉米、大豆
5月20日小麦、油菜
（1）植被反射波谱曲线
不 同 树 种
（2）土壤反射波谱曲线 自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值，一般来讲土质越细反射率越高，有 机质含量越高和含水量越高反射率越低，此外土类和肥力也会对反射率产生影响。由于 土壤反
– 传感器波段选择、验证、评价的依据 – 建立地面、航空和航天遥感数据的关系 – 将地物光谱数据直接与地物特征进行相关分析并建立应用模型
地物波谱特征的测量
地物反射波谱测量理论 – 双向反射分布函数（BRDF） 对于地物表面dA，入射时辐照度为dIi(φi,θi)， 在φr和θr方向上，由dIi产生的反射亮度为dLr， 随着入射方向和反射方向的不同，产生一个函 数fr，称双向反射分布函数，简称BRDF，表示 为：
射波谱曲线呈比较平滑的特征，所以在 不同光谱段的遥感影像上，土壤的亮 度区别不明显。
不同质地土壤反射光谱曲线
（3）水体反射波谱曲线 水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收都 很强，特别到了近红外波段，吸收就更强，所 以水体在遥感影像上常呈黑色。但当水中含有 其他物质时，反射光谱曲线会发生变化。水中 含泥沙时，由于泥沙散射，可见光波段反射率 会增加，峰值出现在黄红区。水中含叶绿素时， 近红外波段明显抬升，这些都成为影像分析的 重要依据。
1.1 测量仪器的硬件介绍：
美国StellarNet公司制造的EPP-2000 NIR-InGaAs-LT14、 VIS-25 CCD 和VIS-25 PDA微 型光纤光谱仪。其中，InGaAs为近红外光谱仪，其观测范围为900nm至1700nm；而CCD和PDA 为可见光光谱仪，其观测范围为350nm至1150nm。
地物波谱特征的测量
地物光谱测量方法 – 野外测量 垂直测量：为使所有数据能与航空、航天传感器所获得的数据进行比较，一 般情况下测量仪器均用垂直向下测量的方法，以便与多数传感器采集数据的 方向一致。由于实地情况非常复杂，测量时常将周围环境的变化忽略，认为 实际目标与标准板的测量值之比就是反射率之比。
地物光谱测量方法 – 样品的实验室测量 实验室测量常用分光光度计，仪器由微机控制，测量数据也直接传给计算机。 分光光度计的测量条件是一定方向的光照射，半球接收，因此获得的反射率与野 外测定有区别。室内测量时要有严格的样品采集和处理过程。例如，植被样品要 有代表性，采集后迅速冷藏保鲜，并在12h内送实验室测定；土壤和岩矿应按专业 要求并制备成粉或块。 由于实验室的测量条件高，应用不够广泛。
θr分别为某一反射方向的方位角和天顶角。那 么方向反射因子ρ’可以表示为：
'(ii,rr)LIri(( irir))
Ii为某一方向入射辐射的照度；Lr为观察方向的反射亮度。这些物理量均与方位角和 天顶角有关，只有当朗伯体时才都成为与角度无关的量。
实际物体反射
L() 入太射阳辐的照直度接辐Ii应射该，由是' 两由部太分阳组辐成射:来的平行光束穿过r大气r直接r照射地面，其辐照度大小与 (,) 太阳天顶角和日地距离i有关i； r r I () 太小阳与辐入射射经角过度大无气关散。射后又漫入射到地面的部分，i 因为i是从i 四面八方射入，其辐照度大
地物波谱特征的测量
地物反射波谱测量理论 – 双向反射比因子R（BRF） 这一函数比较容易测量，其定义是，在给定的立体角锥体所限制的方向内，在一 定辐照度和观测条件下，目标的反射辐射通量与处于同一辐照度和观测条件下 的标准参考面的反射辐射通量之比。而这一标准参考面即为前面讲过的朗伯反 射面。
地物波谱特征的测量
在野外的实地测量中，我们一般只使用前三个模块的功能。 其中，FILE模块用来保存光谱测量中需要记录的三类光谱：暗光谱、参考光谱和目标
光谱 ；SETUP模块用来设置参数以确保仪器的正常工作；VIEW模块则为用户提供多 角度观察光谱的显示模式。
1.2 测量仪器的软件介绍
多种参数设置： Spectra Wiz软件中提供了许多设置参数来控制各种不同的功能，例如：
反射率和反射光谱 – 物体的反射 物体的反射状况根据其表面状况的不同分为三种： 镜面反射:入射角与反射角相等 漫反射:当入射辐照度I一定时，从任何角度观察反射面，其反射辐射亮度是一个常 数，这种反射面又叫朗伯面。 实际物体反射:介于镜面和朗伯面（漫反射面）之间
实际物体反射 设φi、θi分别为入射方向的方位角和天顶角，φr、
地物反射波谱特征
反射率和反射光谱 – 反射波谱——地物反射率随波长的变化规律。 通常用平面坐标曲线表示，横坐标表示波长λ，纵坐标表示反射率ρ。同一物体的波谱 曲线反映出不同波段的不同反射率，将此与遥感传感器的对应波段接收的辐射数据相 对照，可以得到遥感数据与对应地物的识别规律。
地物反射波谱特征
地物波谱特征
1. 地物反射波谱特征
在可见光与近红外波段（0.3～2.5 μm），地表物体自身的热辐射几乎等于零。地物 发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。当然，太阳辐射到达地面后，物体除了反射作 用外，还有对电磁辐射的吸收作用，如黑色物体的吸收能力较强。最后，电磁辐射未 被吸收和反射的其余部分则是透过的部分，即
1. 太阳 2. 光谱辐射计 3. 标准白板
地物波谱特征的测量
地物光谱测量方法
RK1RS K2RD
– 野外测量—非垂直测量步骤 自然光照射时测量一次为I值；
K1 1K2
K I /I 用挡板遮住太阳光使阴影盖过标准板，再测一次为ID；
自然条件下选择太阳方向和观测角在同一地面位置分别迅2速测量标D准板的辐射值和地物
不同叶绿素浓度的海水反射光谱曲线
（4）岩石反射波谱曲线 岩石的反射波谱曲线无统一的特征， 矿物成分、矿物含量、风化程度、 含水状况、颗粒大小、表面光滑程 度、色泽等都会对曲线形态产生影 响。
几种岩石的反射波谱曲线
2. 地物波谱特征的测量
电磁波谱中，可见光和近红外波段（0.3~2.5μm）是地表反射的主要波段，多数传感 器使用这一区间。 地物波谱特征测量的作用