5-地物反射特性

图 表面光滑度的几何关系
2．镜面 满足于瑞利准则的表面，定义为光滑面，也称为 镜面。镜面反射的特点，是反射能量集中分布在反射 角θr等于入射角θi的方向上。 3．漫反射面 不满足瑞利准则的表面，定义为粗糙面，它也是 漫反射面。漫反射面的辐射亮度是一个常数，即是在 入射辐照度不变的情况下，漫反射面的反射亮度与观 测的角度无关。理想的漫反射面(体)称为朗伯面(体)， 它满足朗伯定理： B B0 cos 式中B(θ)为偏离表面法线θ角的辐射亮度，Bo是表面法线方向的辐射亮度。图 中Rp在p点所观测 的面辐射源s的辐射亮度，等于面源s’垂直于轴向的投影s面的辐射亮度。太阳可以看成是朗伯辐 射体，它的表面近似于朗伯面。
图 气态H2O的3个基频振动模式
图 H2O的3个基频振动模式
图 液态H2O的3个基频振动模式
H2O
成因 υ υ υ
2 1 3
气态 2.74 2.66
3
液态 3.05 2.87 1.93
固态 3.17 2.96 2.02
+υ
1.875
υ 1+υ
3
1.94
2υ
3 3
1.38 1.14
1.45 1.21
图 朗伯定理的几何关系
理想漫反射面(朗伯面)的反射辐射亮度与观测方向无关，与照射辐射的入射方向亦无关 ， 对于朗伯面面言，其双向反射率分布函数是一个常数，即：
f Lr 常数 Ei
朗伯面的反射亮度在空间的分布与几何位置无关。 可计算出单位面积辐射源向2π空间辐射 的总出射率为：
M dM L cos d L
主动遥感系统中的微波雷达、搜集的 信息是地物反射及散射特性的反映。 图．根据波段把遥感划分为3种类型
图 物质的内部状态原理图
液态水分子由3个原子组成，它有3个简正频率 ν1，ν2和ν3，对应3个波长： λ1＝3．106μm——对称的O-H基伸缩运动； λ2＝6.08μm——H-O-H键的弯折运动； λ3＝2．903μm——非对称的O-H伸缩运动， 它们都是基频模式。最低阶的泛音(倍频)是2ν1， 2ν2、和2ν3，相应波长则为λ1/2，λ2／2和λ3／2。 组合谐音（合频）的一个例子是： ν＝ν3十ν2，其波长为： 1/λ = 1/λ2 + 1/λ3，→ λ=1.87μm 或者v’＝2v1十ν3，λ’＝ 0．962μm。
2 2 2 0

2 0
cos sin d d L 也即是：
L
M

(或B
M

)
朗伯面的辐射亮度在数值上等于辐射出射率的1/π倍。
L 1

E r
1
光谱量则为： L
1.52 1.25
υ 1+υ 2+υ 3υ
3
0.91
0.98
1.02
（水汽红外透过率光谱）
（液态水红外透过率光谱）
在土壤、矿物、岩石的光谱上，只要含水， 就有两个吸收带，一个在1.45μm附近(倍频 2ν3)，另一个在1．9μm附近(组合合频ν3十 ν2）。这两个带的有无，常用作含水分与否 的诊断依据。如果这两个带很狭窄，说明水 分子占据确切有序的位置；反之则说明水分 子杂乱无序。谱带的确切位置和形状反映了 水分子与无机物的特定关系。图 以不同含 水材料的光谱说明了这一效应。谐音（倍频） 2ν3和组合谐音（合频）ν3十ν2以及谱形、 位置的变化均在图中清晰可见。
各种物体由于化学组分、物质结构 及表面状态以及时间、空间环境的不 同差别，它们对电磁辐射的反射、吸 收、透射的能力是不相同的，即使同 一个物体，它对各种波长的电磁辐射 的响应也有很大差别。也就是各种物 体有自己独特的电磁辐射特性，包括 反射光谱特性、发射光谱特性及散射 特性等。
被动遥感系统的传感器，搜集的正 是地球表面物体 ,对太阳辐射的反射信 息和物体自身发射的电磁辐射(即热辐 射)信息；
波段 主要应用 号
MODIS 的前7分辨 个波段
率(m)
波段宽度(um)
二、基本概念
1．双向反射率分布函数（BRDF）
双向反射率分布函数是描写反射辐射在 空间分布的物理量。它的定义为：
f i , i ; r , r dL r , r dEi i , i
双向反射率分布函数，是一个完善地描写物体 表面反射特性的物理量。但是，由于很难精确地测 量入射到物体表面的Ei(θ i，φ i)，而在实际中很 少用它。 图 描述表面反射的几何参量 （θ天顶角，φ方位角，ω光束立体角）
双向反射率的定义为：测量方向上物体表面的反射 辐射亮度与照射源在入射方向的辐射亮度之比。即：
2

l
4h

sin
瑞利提出，当Δ φ <π /2时，表面为光滑面的判别准则，即：
h

8 sin
随着微波技术的发展，皮克、奥利弗 修改瑞利判 据，使之适合中等粗糙度的表面，以确定中等粗糙 面h值的上、下限。其平滑准则为：
h

25sin
式中∠γ 也即是雷达天线发射电磁辐射的俯角。 在微波遥感中，h和λ 采用相同的长度单位。反射面 类型的划分，在微波遥感中十分重要。
80 70源自文库60 50
reflectance(%)
40 30 20 10 0 400
800
1200
1600 wavelenth(nm)
2000
2400
soil
water
rock
canopy
4、反射面类型
通常物体的表面分为光滑面与粗糙面两大类。然而，说一个表面的光滑与粗糙并非是绝对的 ，它是相对于入射电磁辐射的波长而定的。例如，一个对于可见光是粗糙的表面，对于微波辐射 则可能是光滑面。 1．判别表面光滑度的准则 如图，设波长为λ 的电磁辐射投射到一个凹凸不平的表面，表面起伏的平均高差为h，投射的 掠角为γ (即入射角的余角)，入射辐射两射线的波程差Δ R=2hsinγ ，其位相差为：
一、引 言
1、电磁波与地物相互作用
电磁波与地物表面及大气的相互作用与 其频率密切相关。任何物质都会反射、吸收 透射和辐射电磁波，不同性质、结构的物质 会产生不同频率的电磁波。电磁波产生的方 式多种多样，包括电磁振荡，晶格或分子的 热运动，晶体分子或原子的电子能级跃迁， 分子、原子核振动与转动能级、内层电子能 级、原子核内能级电子跃迁。 从辐射源（如太阳）入射到物体上的辐 射可分成吸收、透射和反射三个分量。根据 能量守恒定律， + + =1 ，其中 、 、 分 别是吸收、透射和反射比。
图 光谱线型及位置的变化与水分子倍频2ν3和合频ν3十ν2有关。
2、研究地物波谱特性意义
(1) 遥感器的波段选择、定标、校验和评价
遥感器的最佳波段选择是地物波谱研究中的最基本的任务，是遥感器设计成功与否的关 键之一；详细的地物波谱信息及相关的地面周围环境实况资源可直接用作遥感器设计依据， 1 植被叶绿素吸收 250 0.620-0.670(红) 通过在规范化的地物波谱工作配合下的模拟试验及结果分析，就可以得到所要求的各种设 计参数；已研制成功的遥感器或其模拟样机的性能是否改变，应用效果如何的校验和评价 2 云和植被覆盖变换 250 0.841-0.876 也离不开准确详细的地物波谱数据。 (2) 建立地物波谱与遥感数据的关系 3 500 0.459-0.479（蓝） 土壤植被差异 对遥感数据和地物波谱数据定量化相关关系的研究，有助于建立遥感图像判读标志及波 谱数据和图像的色度学关系，并为计算机处理和分析提供方法和依据。 4 500 0.545-0.565（绿） 绿色植被 (3) 相关信息和波谱数据关系的研究，扩大应用范围 地物波谱数据和气象资料、生物学参量、岩石的矿物成分、土壤水分、人工目标等关系 5 500 1.230-0-1.250 叶面/树冠差异 的研究深入，探索地物波谱特性及遥感应用研究的新领域 (4) 建立地物波谱应用模式 6 500 1.628-1.652 雪/云差异 根据地物的波谱特性，研究分析地物的性质、状况和属性是遥感地物波谱研究的宗旨； 有效地分析和识别地物，区别目标和背景的特征，发展地物和波谱分析模型。 7 陆地和云的性质 500 2.105-2.155 （5）不同波谱段的地物波谱特性的综合研究 由地物波谱特性可知，不同的波段内，地物波谱将显示不同的特性。开展可见－近红 外－中红外－热红外波段以及微波区的综合研究，从而拓宽和加深不同平台遥感信息复合 的研究及应用。
dL r , r cos r dr Li i , i cos i di
2． 双向反射率(r双)
r双＝
f i , i ; r , r cos r dr
r双无量纲。由式(3．1．3)可知，双向反射率与测量 条件直接有关。测量值受“照射源一目标物一测量仪器 ”之间相对位置的影响，而不能精确地反映目标物的固 有反射特性。以至在不同测量条件下取得的双向反射率 值，难以进行比较。 图 双向反射率
i i i r r
Li i , i , r , r L p i , i , r , r
—目标的双向反射比因子； L , , , —目标反射的辐亮度，w.m-2.sr-1； L , , , — 完全反射漫射体反射的辐亮度 ，w.m-2.sr-1 实际测量中，野外波谱仪器输出的信 号值与入射辐亮值成线形关系，一般直接 采用仪器输出值 R i ,i , r , r 计算，同时采用 工作标准代替全反射漫射体，计算时应修 正工作标准的影响。
式中dL(θ r，φ r )是观测方向的物体表面反 射辐射亮度，dEi(θ i，φ i)是入射到物体表面的辐 照度，θ r，φ r表示反射方向的角度，θ i，φ i 表 示入射方向的角度。双向反射率分布函数f的单位是 球面度-1。图示出表面反射的几何参量。在入射方 向，辐照度与辐射亮度的关系为：
dEi i , i Li i , i cosi di
3. 双向反射比因子（BRF）。
在野外环境中，难以测量BRDF，一般测 量目标的双向反射比因子（ BRF）。它是 通过测量在相同的照射和观测条件下目标 反射的辐亮度和全反射漫射体反射的辐亮 度，然后求比值得到的。
R i , i , r , r
R i , i , r , r
L0
L0
0
rλ 通常又称为光谱反射比(率)或光谱反射亮度系数，它只是波长的函数，能够客 观地反映物体的固有反射性质。
反射率（反射比）- Reflectance
表面的反射波强度与入射波强度之比。即由反射引起的出射度与入射到表面的 辐照度之比。不同材料表面具有不同的反射率，同一材料对于不同波长，其反射率 也不同，称之为“选择性”反射。 反射率数值还与物体表面状况，以及其周围的介质和入射角有关。对于特定表 面，常称“反射比”。在给定波长处的单色光的反射率，称为光谱反射率。遥感影 像分析的根据就是：不同地物在不同波段具有不同的反射率，用同一地区不同谱段 的影象进行比较可提高判别精度。 反照率（半球反射比）- Albedo 从反射体表面，特别是天体表面向各个方向反射的全部光通量占入射总光通量 的百分比，或指一颗行星或卫星反射的光通量与其接受的光通量之比，均表示物体 在2π空间的反射通量(或辐射出射度)与入射通量(或辐照度)之比。例如，地球的反照 率是34%。
《定量遥感》课程讲座-5 ----地物反射辐射
谢 东 海 首都师范大学 资源环境与旅游学院 2013年10月16日
内 容

引 言 基本概念
水体的光谱特性
植物的光谱特性 土壤的光谱特性 岩石矿物的光谱特性 人工目标的光谱特性
地物光谱特性的影响因素
地物光谱观测技术与分析方法
p i i r r
图 土壤光谱在不同观测方向（ a:90,b:45;c:0, d:60）双向反射率
双向反射率因子就是相对反射率。其定义为：在相同的照度条件下，目标物的反 射亮度L与标准参考面(朗伯面)的反射亮度Lo之比，乘以标准参考面的反射率ro。ro L 是一个常数。即： r L r r r的光谱量为： r