地物反射特性

《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

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。

一、引言

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；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图

H2O的3个基频振动模式图气态H2O的3个基频振动模式图液态H2O的3个基频振动模式液态水分子由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。H2O成因气态液态固态υ12.743.053.17υ32.662.872.96υ2+υ31.8751.932.02υ1+υ31.942υ31.381.451.52υ1+υ2+υ31.141.211.253υ30.910.981.02（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。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，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。(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。（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。

波段号

主要应用

分辨率(m)

波段宽度(um)

1

植被叶绿素吸收

250

0.620-0.670(红)

2

云和植被覆盖变换

250

0.841-0.876

3

土壤植被差异

500

0.459-0.479（蓝）

4

绿色植被

500

0.545-0.565（绿）

5

叶面/树冠差异

500

1.230-0-1.250

6

雪/云差异

500

1.628-1.652

7

陆地和云的性质

500

2.105-2.155

MODIS的前7个波段二、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：

式中dL(θr，φr)是观测方向的物体表面反射辐射亮度，dEi(θi，φi)是入射到物体表面的辐照度，θr，φr表示反射方向的角度，θi，φi

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：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(θi，φi)，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）2．

双向反射率(r双)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：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。

—目标的双向反射比因子；

—目标反射的辐亮度，w.m-2.sr-1；

—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。

3.双向反射比因子（BRF）。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（入射方向为60度时）

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是一个常数。即：r的光谱量为：

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%。

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ΔR=2hsinγ，其位相差为：

瑞利提出，当Δφ<π/2时，表面为光滑面的判别准则，即：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：

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。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：

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

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：光谱量则为：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：也即是：朗伯面的辐射亮度在数值上等于辐射出射率的1/π倍。当太阳高度角较高(＞40°)时，相对于卫星遥感器的飞行高度，地球表面近似于朗伯面，遥感传感器在太空记录的地物辐射亮度满足上述关系，由于在一定的太阳照度下，L(或Lλ)仅与地面物体的漫反射率r(或光谱反射率rλ)有关，从而直接反映出各种地物的固有反射特性。水对红外波段辐射的吸收非常强。即使一层极薄的水层，也会出现高强度的吸收。图：厚度为lmm的水层的吸收光谱曲线。从中可以看别在1．4μm和1．9μm波长附近及2．5μm波长以远的水的吸收率几乎等于100％。显然，对于自然水体，即使水深很浅，也能够全部吸收入射电磁辐射中的红外段辐射。清洁自然水体在可见光波段有一定的反射，总体反射率很低。由于蓝波段反射通量衰减且易受瑞利散射的影响，在遥感监测中往往不考虑蓝光波段。三、水体反射光谱特性图1mm厚的水层的吸收光谱相应绿、红、近红外三波段，纯水的反射率分别为2.9%、0.59%、0.04%；在自然条件下清洁水的反射率为2.6%、0.85%、0.25%；清洁海水的反射率为5%、4%、0；洁净湖水的反射率为7.6%、5.6%、2.2%；由于水对红外波段太阳辐射强烈吸收，清洁水体在短波红外波段反射率近于零。水的透射率随波长变化的。如可见光中的蓝、绿光穿透水的能力相对较高。并且水中杂质对水的光谱透射率有很大影响。

蒸馏水和清洁的海洋水，它们的最高透射率分别是50％与30％左右，峰值波长的范围在0.42一0.58μm之间；沿海岸的海水中的杂质较多，透射率的峰值下降至10％左右，峰值波长的范围缩小为0.48一0.53μm之间；混浊的海湾水，透射率更低，峰值仅为4％左右，峰值波长的范围也缩小到0.54一0.58μm之间。无论那一种水体，它们的透射率在波长为0.58μm之后，都迅速降至0.25％左右。随着水的混浊度增加，透射率降值对应的波长范围相对缩小。图深度为10m的几种水体的透射光谱曲线1．蒸馏水2．清洁的海洋水3.沿岸海水4．海湾水图不同水体的光谱特性

水体对可见光辐射反射：(1)水体表面反射；(2)水体底部物体反射；(3)水中悬浮物反射。

图水体反射光的组成与传输过程

水与电磁辐射的相互作用比较复杂，除了水分子的作用之外，还与水中所含杂质的性质及数量相关。自然水体大多含有悬浮物质，如有机物中的藻类植物及无机物中的泥沙等。因而，水体的反射光谱与悬浮物的性质和含量密切相关。对于一定的水体,水表面和水底的反射可视为常数,当水较深或浑浊时，水底反射到水面为零,这样唯一能反映水体特征的是后向散射光，这一部分光既反映了水体内部的吸收特征，也与不同物质的散射相关，所以可以反映水体组分特征。

太阳辐射到达气—水界面,一部分被反射，其强度约占3.5%,另一部分折射进入水体内部。进入水面下的光谱大部分被水体吸收，主要吸收者为纯水、溶解性有机物(黄物质)、藻类色素和非生命颗粒物四种物质，另一部分被悬浮泥沙颗粒和有机生物散射，构成水中散射光，其中返回水面部分称为后向散射光，而透过水面到达水底而被反射的光为水底反射光。后向散射光和水底反射光组成水中光一起返回水面，通过水-气界面与水面反射光、天空散射光一并被传感器接收。

图

叶绿素浓度不同的海水的反射光谱特征曲线水中的叶绿素浓度对水的光谱反射率值的影响很明显。叶绿素的浓度增加会导致440nm附近蓝光段的反射率显著下降；而在550nm附近绿光段的反射绿则上升，但不灵敏；在685nm附近出现明显的荧光峰且随叶绿素浓度增加而上升，这是由于浮游生物分子吸收后在发射引起的喇曼效应。叶绿素含量很低的水体，在蓝光段波长为0.4μm附近反射率最高，约7％，随着波长的加大，反射率急速地下降；叶绿素含量较低的水体，反射率的最高值约为3.5％，其位置也在0.4μm波长附近，反射率随波长增加而迅速下降的趋势，较第一种水体稍缓；叶绿素含量高的水体，反射率的最高值约为2.5％，在波长为0.4μm和0．56μm两处，在0.4一0.56μm之间，反射率的变化幅度仅是0.5％。与叶绿素含量很低的水体相比较，它的蓝光段反射率下降4.5％左右，绿光段的反射率则增加l一2％。有些人提出近红外与红光波段的反射率比值可用来准确地估测叶绿素浓度，另外的学者提出690-720nm左右处的反射率衍生量与叶绿素含量相关性更大。图水库水体光谱随泥沙含量变化图

混浊水与清水的反射光谱特性曲线1．混浊河水（悬浮泥沙含量99mg/L）2．清洁湖水（悬浮泥沙含量10mg/L）图0.6-0.7μm波段内水体的反射率与混浊度的关系

含悬浮泥沙的水，在整个可见光段的反射率都比清水的反射率高，悬浮泥沙还导致反射率的峰值出现在0.6一0.7μm之间，即可见光的橙、红光段。由图可见，在可见光的橙、红光段内，混浊水的反射率比清水的反射率高5％左右。在0.75μm处，清水反射率降为零，而含泥沙的泥浊水，在近红外波段的0.8μm处还出现较高的反射率(5％左右)，至0.95μm附近，反射率才降为零。水中泥沙含量的增加，会导致0.6—0.7μm波段的反射率线性地加大。雪、冰在可见光波段雪几乎全反射，反射率近乎95%。雪在可见光段的平均反射率高达95％以上；在红外波段反射率下降得很快，并在1.5μm和2.0μm处降至零。雪的光谱反射率取决于雪的参数，如粒度、形状、杂质含量、近表层液态水含量、深度和表面粗糙度以及太阳高度角等。新降积雪在在可见光波段有很高的反射率。随着积雪老化，在可见光，尤其在近红外波段的反射率迅速下降，在很大程度上是因为积雪表层的融化和在冻结以及杂质的自然增加所致。积雪融化时，融化了较小的颗粒，从而增加了积雪的平均粒度和密度。图模拟结果确定的不同半径的雪晶对积雪反射率的影响，当波长在0.95-1.4μm范围内，雪晶半径的不同积雪反射率差异也最大。模拟雪反照率必须要知道雪粒径参数，雪反照率在地区和全球能量平衡中起着重要作用。

图积雪融化时光谱变化规律

图不同雪晶半径对积雪反射率的影响新雪和陈雪在可见光段中的光谱反射率无明显差异。但是在大于0.8μm的近红外波段，新雪的反射率较陈雪高得多，两者的光谱反射率差值可达30％左右，表现出明显的差别。图

雪的反射光谱特性曲线图雪、冰的光谱反射曲线冰在可见光和近红外波段内的反射率变化也很大，主要依赖于冰上覆盖物、冰内杂质及冰面融水。纯冰川冰的反射率相当低，但被雪和粒雪覆盖的冰川冰，尤其在冰川积累区，其反射率增高。冰川消融区的融水和冰表面的冰碛物使冰川冰的反射率降低。图新雪在0.4μm处的反射率约为100%，而1.0-1.05μm之间降至60%；冰川冰的反射率随波长的变化更大，在0.6μm处反射率大约65%，而在1.0μm降至10%以下。土壤化学成分是决定其反射光谱特征的最重要因素，O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Ti等九种元素是土壤的主体元素，平均约占土壤总重量的97%。由于土壤具有时空连续变异性，而且自然和人为活动不断地改变着土壤的性质，这种变化可体现在其光谱行为上。土壤是一种由物理、化学性质各不相同的物质组成的混合物。土壤与电磁辐射相互作用中，只存在反射与吸收过程，辐射的分配遵从能量方程：r十＝1，=0。土壤的可见光、近红外光谱特性，与土壤的质地、有机质含量、氧化铁含量和含水量等因素有关。四、土壤反射光谱特性在可见及近红外波段范围（0.4-1.3μm），土壤的光谱特征起因于土壤矿物成分的电子跃迁及分子振动，土壤成分的电子过程主要是由Fe3+和Fe2+引起的，其它的金属元素没有明显的光谱特征（图3-25）。土壤中的铁矿物主要有赤铁矿（Fe2O3），磁铁矿（Fe3O4），菱铁矿（FeCO3）等，它们都会降低土壤反射率。如同Fe离子在矿物中所表现的光谱行为一样，Fe2+的吸收峰长位于0.43μm、0.45μm、0.51μm、0.55μm及1.0-1.1μm处，而Fe3+的吸收峰位于0.40μm、0.45μm、0.49μm、0.70μm及0.87μm处。土壤中分布最广的矿物石英、长石在该波段可见/近红外光谱范围也没有明显的光谱特征，但它们的反射率都表现较高。在短波红外光谱范围（1.3-2.5μm），其光谱特征主要由土壤成分中的H2O，OH－，CO32-等阴离子振动所产生的基频和合频的倍频或合频引起的。土壤光谱总是在1.4和1.9μm出现水的倍个特征谱带，土壤中含有较多次生粘土矿物，它们层间的结合水会在2.2μm和2.3μm出现吸收峰，CO32-的倍频或合频光谱吸收峰常出现在2.35μm和2.55μm附近。在干旱和半干旱地区一些含盐比较高的土壤中，还会在1.0μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.74μm、1.9μm和2.2μm附近出现石膏等蒸发盐类矿物的光谱特征。

土壤的质地，由粘土颗粒、粉砂颗粒和砂颗粒所占的相对比例来决定。不同质地土壤的光谱特性不相同。

如图，粉砂土在可见光、近红外波段的光谱反射率最高，其原因是粉砂土的粒度介于砂土和泥土之间，其表面粗糙度低于砂土、蓄水能力又小于泥土，粉砂土中所含的粘土(蒙脱石或高岭土)，引起在2．2μm附近出现低反射率值(即粘土矿物的0H-离子的特征吸收带)。腐泥在0.5—2.5μm波段内的光谱反射率最低，这是由于含有机质，而使土壤颜色较深，土壤颗粒细，以至水分不易蒸发排出，而含水量较高。图

三种土壤的反射光谱曲线1．粉砂土；2．砂土；3．腐泥土壤光谱特征受到土壤生物地球化学（矿物成分，湿度，有机质、氧化铁含量，土壤结壳等），几何光学散射（几何，照明，微粒形状、大小、方位，粗糙度）以及外部环境（母岩成分，气候，风化程度，植被覆盖度，落叶及其它非光合作用植被（NPV））等的影响。这些因素一方面影响土壤光谱形态和反射率的大小，同时也常常在土壤光谱中显示其特定的光谱吸收特征。土壤中的有机质含量，是影响土壤反射光谱特性的重要因素之一。有机质含量为5％以上的土壤，均呈深褐色或黑色，表面颜色加深使土壤在可见光波段的光谱反射率值减小。在可见光波段，土壤中有机质含量增加导致反射率非线性地下降。有机质含量对土壤颜色的影响，与气候条件有关；有机质含量相同的土壤，在气温高的地区呈深褐色，而在寒冷地带则呈黑色。有机质含量=K*（dLog（1/R0.62）/dLog(1/r0.56)）(复相关系数R2=0.7)，K为待定常数土壤中的氧化铁含量对土壤的反射光谱特性也有明显的影响。含二价铁电离子(Fe2+)、三价铁离子(Fe3+)及二氧化锰的土壤均呈红色。尤其是Fe2+普遍存在于土壤中。土壤中氧化铁含量的增加导致它在可见光段的光谱反射率明显下降。图

示出，0.5一0.64μm波段内土壤中氧化铁含量与反射率的关系。由图可见反射率随氧化铁含量的增加而线性地下降。当土壤中的氧化铁含量增加5％，其反射率下降20％左右，氧化铁含量增加l0％，土壤的反射率下降40％左右。土壤中有机质含量与土壤反射率关系

0.5—0.64μm波段土壤中氧化铁含量与反射率关系由于土壤中含氧化铁和有机质，导致它在可见光波段的光谱反射率产生较大的变化，但近红外波段的光谱反射率变化比较小。图

示出，除去与未除去氧化铁、有机质的土壤的反射光谱特性曲线。其中粉砂土含4.2％Fe203，粉砂粘土含12.8％有机质。图除去与末除去氧化铁、有机质的土壤的反射光谱特性曲线1。除去氧化铁的粉砂土；2．未除去氧化铁的粉砂土；3．除去有机质的粉砂粘土；4.未除去有机质的粉砂粘土水分含量对土壤的反射光谱特性的影响最为显著，不仅会导致反射率下降，还会明显地改变近红外波段反射光谱特性曲线的形态。由图，经过空气干燥的砂质土壤含水量仅为0一4％，它在可见光、近红外波段内的光谱反射率都比较高，其中1．3—2．5μm波段之间的平均反射率高达45％左右。含水量为5—12％及22—32％的砂质土，均在1.4μm和1.9μm波长处出现水的强吸收带。并且可见光、近红外全波段内的反射率均大幅度下降。近红外波段的平均反射率约下降30一40％。总之，土壤的含水量增加，就会导致反射率下降，尤其是在水的特征吸收带位置及其附近，反射率的下降尤为显著。

三种不同含水量砂质土壤反射光谱特性曲线1．含水量0一4%；2．含水量5—12%；3．含水量22—32%土壤分类A有机质控制类型B最小改变类型C铁影响类型D有机质影响类型E铁控制类型图5种土壤光谱类型

（A）有机质控制类型。该类土壤光谱曲线在0.40到1.3μm波段范围反射率低，曲线平直，斜率小变化不大，在短波红外波段曲线形状稍微台升和下凹，其变化幅度也不大，在1.45μm、1.95μm处具有较强的水吸收带。这类土壤富含有机质，中细结构，通常其光谱反射率随土壤中的有机含量的增加而减小。（B）最小改变类型。该类土壤光谱曲线在可见光波段上升很快，斜率巨增，在近红外波段波段趋于平缓但反射率较高，在短波红外波段下降迅速，使整个光谱曲线形成上凸形状；除了在1.45和1.95μm附近存在强烈的水吸收峰外，在1.20和1.77μm存在弱的水吸收峰。（C）铁影响类型。该类土壤光谱曲线在0.70μm附近有弱的铁氧化物吸收峰，在0.90μm附近有较强的铁吸收峰，这类土壤有机质含量低，含铁量中等。（D）有机质影响类型。该类土壤光谱曲线形状在0.40到0.75μm下凹，但从0.75到1.30μm又微上凸。这类土壤富含有机质但不如第一种类型含量多到被控制，中粗结构。（E）铁控制类型。该类土壤光谱曲线在可见光波段上升迅速，形成陡峻，但在0.75μm以后反射率随波长增加而下降，并且在短波红外波段吸收强烈，以致1.45和1.95μm处水吸收特征几乎消失，整个光谱曲线成细波浪状。这一类型土壤富含铁，细结构。

五、植被反射光谱特性电磁辐射与植物的相互作用过程中，植物叶子对辐射的反射、吸收、透射满足能量平衡方程：r十十＝1。决定植物光谱特性的因素，是叶子的色素成分、叶子的细胞结构及叶子的含水量。

绿色叶子在不同光谱段的反射、吸收和透射比例的变化具有生态意义。绿色叶子在0.5-0.6μm（绿波段）有一明显反射峰，在0.6-0.76μm（红波段）较低，在0.76μm附近急剧上升，形成所谓植被“红边”。在0.7-1.3μm近红外区反射率一般为40～50％，主要是植被叶子细胞结构多次反射散射的结果。1.3μm以后反射波谱区位于1.4μm、1.9μm及2.7μm处三个叶子内部液态水强烈吸收引起的明显低谷。叶片木质素的吸收峰表现在1.5-1.7μm和2.3μm附近，葡萄糖的吸收峰在1.6和2.15μm附近，蛋白质的吸收峰在1.5μm、1.75μm、2.05μm、2.15μm和2.3μm附近，但这些吸收峰由于绿色叶片水的影响往往表现不太明显。图绿色植被的反射光谱特征

紫蓝青绿黄橙红叶绿素b多叶绿素a少胡萝卜素叶黄素叶绿素a多叶绿素b少胆藻素光合色素的光谱特性当植物进入衰老期或遭受病虫害时，叶绿素大量减少，叶红素与叶黄素相对增加，植物的光谱特性随之变化，出现吸收谱带与反射峰“红移”的现象(即特征谱带向长波方向转移)。在0.65μm附近出现高反射绿，使树叶呈现红色。色素的差别对叶子光谱特性的支配作用。由于所含色素不相同，它们在0.5一0.7μm的光谱差别十分明显，但在0．7—2.5μm波长范围内，光谱的形状相类似。

叶子中的水分导致红外波段中出现吸收带，其中波长为1．4μm和1．9μm及2．6μm的水吸收带，对叶子反射率的影响最大。0.96μm与1.1μm处的水吸收带的强度虽然较弱，但在叶片交叠状况下，它们对反射率的影响不可忽略。在1.3-2.5微米波长范围内，叶子的反射和透射辐射各占入射辐射的一半，而被叶子吸收的辐射则极少。植物中的含水量直接影响它在

该波长范围内的反射率值，大部分入射辐射被叶子中的水分所吸收，其余的被叶子反射。图

不同水分含量小麦叶片光谱曲线图

不同树种光谱特征比较图

受金属毒害的植被光谱红边蓝移植物生长的土壤中所含的金属元素种类及数量，对于植物的光谱特性也产生明显的影响。图

示出生长在一般土壤与富含铜、钼元素土壤中的植物的反射光谱特性曲线。不同的树种，对于含金属元素与不含金属元素土壤的适应性是有区别的。植被干叶片光谱特征：绿色叶子失水变干后其反映其各种组分的光谱特征才能明显地表现出来(如图)。相应叶子不同生化组分（如纤维素、木质素、蛋白质、油、糖和淀粉等）的

光谱特征吸收峰中常被绿色叶子的叶绿素、水、细胞结构的光谱特征所掩盖而表现不明显，因此，在高光谱遥感植被生化组分探测研究中，需要对原光谱进行转换或者利用几个波段进行组合来实现并提高识别精度。图

植被绿色叶片与干叶片光谱特性比较序号波段(微米) 光谱特征成因作物化学组分

1 0.43 电子跃迁 叶绿素a 2 0.46 电子跃迁 叶绿素b 3 0.64 电子跃迁 叶绿素b 4 0.66 电子跃迁 叶绿素a 5 0.91 C-H伸展第三谐波 蛋白质 6 0.93 C-H伸展第三谐波 油 7 0.97 O-H弯曲第一谐波 水分、淀粉 8 0.99 O-H伸展第二谐波 淀粉 9 1.02 N-H伸展 蛋白质 10 1.04 C-H伸展C-H变形 油 11 1.12 C-H伸展第二谐波 木质素 12 1.20 O-H弯曲第一谐波 水分、纤维素、淀粉、木质素 13 1.40 O-H弯曲第一谐波 水分 14 1.42 C-H伸展C-H变形 木质素 15 1.45 C-H伸展第一谐波 淀粉、糖、木质素、水分 16 1.49 O-H伸展第一谐波 淀粉、糖 17 1.51 N-H伸展第一谐波 蛋白质、氮 18 1.53 O-H伸展第一谐波 淀粉 19 1.54 O-H伸展第一谐波 淀粉、纤维素 20 1.58 O-H伸展第一谐波 淀粉、糖21 1.69 C-H伸展第一谐波木质素、淀粉、蛋白质、氮 42个植物化学组分的光谱特征及成因机理序号波段(微米) 光谱特征成因作物化学组分

22 1.78 C-H伸展第一谐波/O-H伸展/H-O-H变形纤维素、糖、淀粉 23 1.82 O-H伸展C伸展第二谐波 纤维素 24 1.90 O-H伸展C-H伸展淀粉 25 1.94 O-H伸展C-O变形 水分、木质素、蛋白质、氮 26 1.96 O-H伸展O-H弯曲糖、淀粉 27 1.98 N-H不对称蛋白质 28 2.00 O-H变形O-H弯曲 淀粉 29 2.06 N=H弯曲第二谐波/N=H弯曲/N-H伸展蛋白质、氮 30 2.08 O-H伸展O-H变形 糖、淀粉 31 2.10 O-H弯曲/C-O伸展/C-O-C伸展第三谐波淀粉、纤维素 32 2.13 N-H伸展 蛋白质 33 2.18 N-H弯曲第二谐波/C-H伸展/C-H伸展/蛋白质、氮 34 2.24 C-H伸展 蛋白质 35 2.25 O-H伸展 淀粉 36 2.27 C-H伸展/O-H伸展/CH2弯曲/CH2伸展纤维素、糖、淀粉 37 2.28 C-H伸展/CH2变形 淀粉、纤维素 38 2.30 N-H伸展/C=O伸展/C-H弯曲第二谐波蛋白质、氮 39 2.31 C-H弯曲第二谐波 油 40 2.32 C-H伸展CH2变形 淀粉 41 2.34 C-H伸展/O-H变形/C-H变形第二谐波纤维素 42 2.35 CH2弯曲第二谐波/C-H变形第二谐波纤维素、蛋白质、氮

42个植物化学组分的光谱特征及成因机理图

小麦冠层与叶片光谱特征比较植被冠层光谱特征由于植被冠层光谱特征显示了植被不同组分（叶、叶柄、茎、干、花等）光谱的非线形混合，并受冠层结构及下垫面土壤类型的影响。许多学者研究通过植被几何光学模型和辐射传输模型从理论上探究其光谱特性变化规律

。图

是小麦叶片与小麦冠层光谱的对比，明显可看到，反映叶绿素和水分信息含量的光谱特征信息也变化很小，而反映植被冠层结构的近红外光谱区（0.8-1.3μm）的光谱特征变化较大，但其光谱吸收的特征位置几乎没有改变。影响因素植被光谱特征与植被生长发育阶段、健康状况和物候密切相关，不同植被叶子之间以及同一植被不同部位的绿叶之间色素含量及水分含量的差异，它们光谱曲线形状也存在许多差别。绿色叶片表面的蜡质往往能造成植被的高反射率，细胞结构或有机体在叶片中排列不均匀及其间隙含水不同造成叶片不同部位的反射率发生变化。这要求在实际光谱采集时，选定植被的功能叶，并取叶片的平均光谱才能有代表性。植被冠层光谱观测条件（几何、光照等）的改变也会使同一植被冠层光谱相差很远，也是植被二向性反射特性的表现。受环境污染或发生病变植被光谱在可见光区反射率升高，近红外区反射率降低，导致“红边”朝着短波长方向位移数纳米，即所谓蓝移，反过来可根据“红边”蓝移程度利用高光谱遥感技术监测植被病虫害、环境污染以及隐伏矿床

。图

不同作物光谱特征比较六、矿物反射光谱特性岩石由矿物组成，并且大多数的岩石都是由一个以上的矿物所组成。电磁辐射与地表岩石的相互作用中，辐射的分配遵从r十十＝1的规律。岩石的可见光、近红外光谱的结构十分复杂，很难由此直接鉴定岩石，但是组成岩石的基本物质成分及其结构特点，都充分地由光谱反映出来。所以，岩石的可见光、近红外反射光谱，仍然是识别、区分岩石类型的重要依据。

矿物的大多数都是化合物，电学性质为中性。在物质结构上属结晶固体，矿物在结构上的最大特点，是不同元素的原子在晶格中的位置具互换性。矿物的光谱特征主要决定于其物质组分和内部晶格结构，是其物理、化学性质的外在反映，主要起因于电子过程或分子振动，一定化学组分和物理结构的矿物具有较稳定的可诊断性光谱吸收特征。组成矿物的基团在0．38—2．5μm波段的光谱带并不多，仅存在少数基团的基谐振动频率较高的倍频与合频带。矿物在0.38—1.1μm波段的光谱特征，主要是金属离子产生的，其中以铁、铜、锰离子的吸收谱带最为显著和普遍，这是由于铁离子比较容易取代晶格中的其他元素，铁离子又广泛地存在于矿物中。矿物在1.1—2.5μm波段的光谱特征，主要是阴离子基团中的羟基OH-、碳酸根CO32-和水分子产生的。图

矿物的光谱特征吸收峰位置及成因分子基团相应的矿物特征吸收峰的位置与特点H2O红外区只能出现水的倍频和合频所形成的1.875μm，1.454μm，1.379μm，1.135μ，0.942μm吸收峰；矿物岩石中只要有水，就会出现1.4μm和1.9μm两个特征谱带，二者同时出现是含水的鉴定证据，只有1.4μm谱带，说明存在羟基，而不是水。OH-在2.778μm附近有一种氧-氢伸缩振动引起的峰；OH-1出现的位置不同，同一种振动出现几种谱带（如滑石），倍频在1.4μm产生极常见谱带；较强的合频谱带位于2.2μm和2.3μm，分别取决于羟基基团是绕铝配位还是绕镁配位；闪石族一般都含镁，最强谱带远于2.3μm；层状硅酸盐种，二八面体—OH绕铝配位在2.2μm附近有主要谱带，而三八面体—OH绕镁配位在2.3μm附近有强谱带。CO3-在近红外区有5个显著特征谱带分别在2.55μm、2.35μm、2.16μm、2.00μm、1.90μm处，前两者较强，属于双重谱带，后三者较弱，通常在谱带的短波长方向一边由肩峰，具体的谱带吸收峰位置会有稍微飘移；铜碳酸岩在0.8μm附近的宽谱带由立方八次配位Cu2+产生；菱锰矿谱带很多，分别在0.34μm、0.37μm、0.41μm、0.45μm、0.55μm附近。氧化物和氢氧化物具有象磁铁矿表现为整个波长范围内吸收特点和诸如针铁矿和赤铜矿表现为透明-不透明光谱行为。

硫化物和硫酸盐最常见谱带在1.1μm附近，表现为八面体Fe2+特征谱以及0.85μm附近的Fe3+的光谱特征。NH4+基团在短波红外区主要有2.02μm和2.12μm两个特征谱带。有机质由C-H伸缩基频引起的3.4µm吸收峰；一级倍频引起的1.7µm处吸收峰和合频引起的2.3µm处吸收峰。金属离子相应的矿物特征峰吸收峰位置与特点常见矿物Fe2+0.43μm、0.45μm、0.51μm、0.55μm、1.0-1.1μm角闪石、辉石、黑云母等Fe3+0.4μm、0.45μm、0.49μm、0.70μm、0.87μm绿泥石、阳起石、赤铁矿Mn2+0.34μm、0.37μm、0.41μm、0.45μm、0.45μm菱锰矿Cr3+0.4μm、0.55μm、0.7μm置换Al3+，如红宝石表

相应金属离子的矿物特征吸收峰的位置图矿化蚀变在反射光谱特性

图常见矿物光谱吸收特征

图由于矿物混合而引起的碳酸岩光谱特征变

决定矿物光谱特征的因素除化学成分外，晶体结构是影响矿物光谱特征的另一重要因素图。矿物吸收特征的尖锐程度取决于矿物的结晶程度，结晶程度越好吸收特征越明显。

无水硬石膏（黑色）解理状石膏（红色）七、岩石反射光谱特性相对来讲，矿物的光谱特征较为简单，比较容易从实验和理论上加以分析和处理，而岩石光谱特征分析则比较复杂，这不仅因为现实中很难将岩石的某一光谱特征确切地归结为某一电子过程或分子振动，而且由于岩石一般由若干矿物种矿物组成，岩石光谱却很少是各组分矿物的光谱简单累加合成，其中一种矿物的谱带往往会掩盖、加强或改变另一种矿物的谱带，且具有区域变异性。在多数情况下，造岩矿物的光谱特征在岩石光谱上是可以表现出来的，尤其是清晰的强吸收谱带；各种岩石光谱特征虽具有区域变异性，但也具有局部的稳定性和规律性。尽管如此，岩石类型不同，其光谱行为也会出现一些系统的变化。

火成岩：火成岩在可见光、近红外波段的光谱特征主要是铁离子、羟基和水所引起的。

火成岩主要成分硅氧四面体、铝氧四面体，但没有明显光谱特征，致使试图利用可见/近红外光谱区的电子跃迁谱带来进行岩性鉴定比较困难，而分子振动引起的光谱特征最常见最清楚的是OH和水的谱带。

花岗岩随着粒度降低，反射率升高是花岗岩类的典型特征。主要造岩矿物石英和正长石没有特征，但是石英一般含有包体中的水，正长石则含有Fe3+，而且一般都风化为粘土矿物。

基性岩光谱中通常仅见到1.0μm附近铁的光谱吸收特征，而且一般较宽，强度较弱，除非发生蚀变，否则1.4μm和1.90μm吸收带很少见。在所有火成岩中，基性岩反射率最低。超基性岩总在1.0μm附近出现清晰的谱带，1.8μm出现伴随谱带，同样，除非发生蚀变，否则1.40μm和1.90μm吸收谱带很少见

图

几种典型火成岩岩石的反射光谱特性曲线沉积岩：在可见光、近红外波段(0．4—2．5μm)的光谱特征，主要是铁离子、碳酸根离子、羟基离子及水引起的。沉积岩光谱特征常见且清晰明显，但成因简单，主要表现有CO32-谱带（2.35μm附近）、风化产物粘土谱带（水或者OH-，2.2μm附近）、粘土中Fe2+谱带（1.0μm附近）和风化产物Fe3+谱带（0.50μm和0.86μm附近）。（1）

碳酸盐类(灰岩、白云岩、泥灰岩等)：

此类岩石主要成分是碳酸盐矿物，如方解石，白云石等，在0.4-1.1μm波谱段内，光谱呈缓斜和平直型，仅表现为Fe3+、Fe2+等金属离子吸收峰，无明显特征谱带，而在2.0-2.5μm谱段内，显示出2.35μm附近的CO32-吸收峰，以及在2.2μm和1.9μm附近的OH-和H2O的吸收特征。由图，白云岩与灰岩的在2.35μm附近的吸收峰位置有明显的差异，白云岩的强吸收峰相对灰岩向短波偏移约10nm左右。图灰岩、白云岩反射光谱特性图泥、页岩反射光谱特性

图砂岩、粉砂岩反射光谱特性

（2）碎屑岩类(砂岩、粉砂岩、粗砂岩、细砂岩、石英砂岩等)：此类岩石的主要成分是石英和长石，胶结物是钙质、铁质和泥质，因此砂岩的光谱特征出现了铁氧化物谱带(0.47-0.7μm、0.9μm附近的Fe3+以及1.1μm附近的Fe2+)、粘土矿物特有的羟基和水的清晰带(2.2μm附近)及弱的CO32-吸收带(2.35μm附近)。（3）

泥、页岩类:

此类岩石含有一定的粘土矿物和有机质，由此泥、页岩应显示出粘土中的水和羟基的强谱带(2.2μm附近)，以及常见的钙质胶结物的碳酸岩特征光谱带(2.35μm附近)，但由于泥、页岩形成在还原环境，伴随沉积的有机物变成碳质，使其颜色变黑，压抑了整个光谱形态及特征，使得光谱曲线平直，吸收谷也表现得不太明显。

变质岩：在可见光、近红外波段(0.4—2.5μm)的光谱特征，主要是铁、锰、铜等金属离子和羟基、碳酸根离子及水所引起的。图示出变质岩中的大理岩、石英岩、片麻岩、板岩及片岩的反射光谱特性曲线。岩石中所含的铁、锰离子导致曲线的蓝光段的斜率增大，并在1.1μm之前出现明显的吸收带；图中所列的岩石均在2.2μm附近和2.35μm附近，分别出现羟基和碳酸根离子的强吸收带。其中角闪片岩，还在1.4μm附近出现羟基离子的倍频带。蛇纹大理岩光谱中出现羟基的1.4μm吸收带及其附近的1.37μm处和1.30μm处的侧带，它们与1.4μm的水吸收带相重叠，从而使1.4μm处的谱带为强吸收的锐带。图

几种变质岩的反射光谱特性曲线矿化蚀变岩

矿化蚀变岩是地质找矿的主要研究对象，其矿化蚀变类型、蚀变矿物组合、矿化程度是高光谱遥感地质找矿的重要依据。从遥感角度看，矿物蚀变赋予了广义的概念，包括热液蚀变和表生变化。富含过渡金属元素的高价阳离子、羟基、水分子的氧化物、氢氧化物、硅酸盐、碳酸盐和硫酸盐等是蚀变矿物的代表。常见的蚀变作用有硅化（石英）、粘土化（高岭石、蒙脱石、叶腊石等粘土类矿物）、绢云母化（绢云母）、绿泥石化（绿泥石）、碳酸盐化（方解石、白云石）、硫酸盐化（重晶石、纳明矾石、黄钾铁矾、无水芒硝）、褐铁矿化（褐铁矿、针铁矿）和长石化（钠长石、钾长石）。矿化蚀变岩光谱是其矿物组成中的各种蚀变矿物的特征信息的反映，虽然这些蚀变矿物的含量不高，但岩石光谱中却具有与之相关的可诊断性特征谱带。图

矿化蚀变在2.0-2.5μm的反射光谱特性油气烃

烃类物质在2.27-2.46μm吸收带的形状为一宽谷（近0.2μm宽）、双峰（2.31和2.348μm）的强吸收带，吸收强度大于15%。这一吸收带为甲基（-CH3）、亚甲基（CH2）和芳烃（-CH）分子基团振动的倍频与合频所致，无其它原油组分的干扰因素。不同地质时代、不同组分的原油波谱曲线，在2.27-2.46μm的吸收带都很稳定，仅存在吸收程度上的差异。重质原油比轻质原油在2.27-2.46μm吸收带要强烈得多，说明重质烃对此吸收带造成的影响要大。图烃类物质的光谱吸收特征

八、人工目标反射光谱特性图各种道路光谱特性

图各种城市垃圾光谱特性

人工目标是指道路、桥梁、机场跑道、码头、垃圾、塑料、油漆、油毡、玻璃及其它一些人工建筑物等。这些人工目标的光谱特征随其构建时的材料组成不同而变化，在高光谱遥感城市地物分类中需要了解这些目标光谱的特性。道路因所用材料不同，可分为水泥路、沥青路、土路等。波谱曲线在可见光缓慢上升，之后趋于平坦。水泥路面呈现灰白色，反射率较高，依次为土路和沥青路。城市垃圾分为工业垃圾和生活垃圾。工业垃圾指工业固体废弃物，如钢渣、矾土渣、煤矸石、粉煤灰、塑料物等。其波谱曲线比较平坦，而生活垃圾比较复杂。九、地物光谱仪与地物光谱观测作用：地物光谱仪是遥感发展的重要技术支撑，同时也是地面光谱测量的独立应用系统。目前地物光谱仪可提供地物目标的高质量的光谱数据，特别是可提供地物目标的精细光谱特征，为高光谱遥感器技术设计提供科学依据，为光谱数据库提供数据源，支持高光谱遥感数据计算机自动地进行地物分类与识别所需要的各种光谱模拟模型和应用模型的发展。随着遥感技术与应用的发展，其基础研究不断加深，对光谱采集技术要求越来越高，推动了地物光谱采集技术的迅速发展。

实验室光谱仪：规律性、条件单一，进行成分关系研究、但不便于模拟自然环境。

野外地物光谱仪：自然环境下时空序列变化各种地物光谱特性，辅助灯下可室内采集。

测试仪器

GERMARK系列

SE系列

ASD系列

PIMA系列

VF991等系列

TRIAX320地面成像光谱仪

。。。。。。

AGA-80ER-2007BOMANFT-IR。。。。。。。

美国PERKINLAMBDA9000光谱仪0.19-2.5微米，谱分辨率：1-3纳米。

美国GER光谱仪:0.4-2.5微米，光谱分辨率：2，4纳米。

美国ASD光谱仪:0.4-2.5微米，光谱分辨率：1，10纳米。

日本CARY-5光谱仪:0.3-2.5微米，光谱分辨率：1-3纳米。图

光栅与固定阵列图

光谱采样间隔与光谱分辨率便携式野外光谱仪（ASD：FieldSpec-FR）室内/外两用光谱探测范围为350-2500nm

光谱分辨率为3nm/10nm

光谱采样间隔为1.4nm/3nm

探测头部小巧，仅200克左右探测头部通过1-10米光纤与主机连接。0.1秒的速度记录较高的信噪比（S/N）1°、3°、5°、8°、10°、25°可调不需要测量暗电流

重量：7.2公斤

尺寸:33x12x41cm

外地物光谱仪应用范围

（1）野外地质岩矿测试，进行岩性识辨与填图（2）矿区或矿化带上植被的金属中毒光谱检测（3）油气泄露的光谱探测，检测土壤中烃类物质的光谱；（4）海岸带海水中叶绿素含量的光谱监测以及泥砂的监测；（5）各种污染的动态监测，如：工业污染，水资源污染的光谱监测；（6）直接用光谱方法对农作物生物量进行估产（7）农作物（如小麦，水稻，大豆，玉米等）的定期光谱动态监测，研究其生长的各时期光谱特征变化，进一步探讨其光谱特征与各种植被指数的相关性；（8）对农作物的病虫害进行光谱监测调查，研究病虫害的作物叶绿素的减少，叶黄素的增加，含水量的减少与其光谱的相关性；（9）航天，航空遥感的地面光谱同步测量。

室内光谱测试应用范围（