地物光谱特征及地面光谱数据采集

地物光谱特征及地面光谱数据采集1第一页，共六十一页，编辑于2023年，星期五一、地物反射光谱特征二、典型地物反射波谱特征三、地物光谱特征采集第二章第2节地物光谱特征及地面光谱数据采集2第二页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

回顾物质结构与光谱产生机理，可以看出，地物光谱特征与地物本身的物理化学特性有关，物质的微观结构和宏观特性决定着地物的光谱特征。一、地物反射光谱特征

什么决定了地物的光谱特征？1.光谱特征概要3第三页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

太阳辐射能到达地表后会发生什么？一、地物反射光谱特征1.光谱特征概要

到达地面的太阳辐射能量=

反射能量+吸收能量+透射能量4第四页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

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10～20m，混浊水体则为1～2m，清澈水体甚至可透到100m的深度。一、地物反射光谱特征1.光谱特征概要

一般来说，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力。

关于透射5第五页，共六十一页，编辑于2023年，星期五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。微波遥感嫦娥一号月壤探测一、地物反射光谱特征1.光谱特征概要

关于透射

对于一般不能透过可见光的地面物体对波长5cm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。6第六页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

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，也是本节的主要内容。一、地物反射光谱特征1.光谱特征概要7第七页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

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：一、地物反射光谱特征2.反射率和反射光谱(a)反射率

不同物体的反射率也不同，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。8第八页，共六十一页，编辑于2023年，星期五(b)物体的反射类型

物体的反射状况根据其表面状况的不同分为三种：一、地物反射光谱特征2.反射率和反射光谱实际物体反射镜面反射漫反射9第九页，共六十一页，编辑于2023年，星期五一、地物反射光谱特征2.反射率和反射光谱(c)镜面反射和漫反射

镜面反射

是指物体的反射满足反射定律。入射波和反射波在同一平面内，入射角与反射角相等。

当镜面反射时，如果入射波为平行入射，只有在反射波射出的方向上才能探测到电磁波，而其他方向则探测不到.

自然界中真正的镜面很少，非常平静的水面可以近似认为是镜面.对可见光而言，其它方向上应该是黑的。全站仪棱镜10第十页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

当目标物的表面足够粗糙，以致于它对太阳短波辐射的反射辐射亮度在以目标物的中心的2π空间中呈常数，即反射辐射亮度不随观测角度而变，我们称该物体为漫反射体，亦称朗伯体。

漫反射又称朗伯(Lambert)反射，也称各向同性反射。一、地物反射光谱特征2.反射率和反射光谱(c)镜面反射和漫反射

漫反射11第十一页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

特点：整个表面都均匀地向各向反射入射光，不论入射方向如何，反射方向是“四面八方”。一、地物反射光谱特征2.反射率和反射光谱(c)镜面反射和漫反射

漫反射

也就是把反射出来的能量分散到各个方向，因此从某一方向看反射面，其亮度一定小于镜面反射的亮度。

设平面的总反射率为ρ，某一方向上的反射因子为ρ’，则：

ρ=πρ’ρ’为常数，与方向角或高度角无关。

12第十二页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

自然界中真正的朗伯面也很少，新鲜的氧化镁（MgO）、硫酸钡（BaSO4）、碳酸镁（MgCO3）表面，在反射天顶角≤45o时，可以近似看成朗伯面。

严格讲只有黑体才是真正的朗伯体。2.反射率和反射光谱(c)镜面反射和漫反射

漫反射一、地物反射光谱特征13第十三页，共六十一页，编辑于2023年，星期五表面状况粗糙度决定反射状况的宏观因素：—瑞利判据

目的：判断物体表面对特定光到底是那种反射主导。一、地物反射光谱特征2.反射率和反射光谱(d)瑞利判据分析思考：从哪里入手进行判断、如何判断？14第十四页，共六十一页，编辑于2023年，星期五θiθr镜面反射漫反射方向反射L.Rayleigh提出表面为光滑或粗糙的标准为：当为光滑表面当为粗糙表面

一、地物反射光谱特征2.反射率和反射光谱(d)瑞利判据分析

根据表面光滑或粗糙15第十五页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

粗糙度推导示意图

其中：为粗糙度；为光的入射角；为光波长。（光程差）（相位差）两波差相位为完全抵消，差0为完全相重合，介乎之间差一、地物反射光谱特征2.反射率和反射光谱(d)瑞利判据分析16第十六页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

如果两波偏于相重合，则呈反射为主、光滑表面。

如果两波偏于相抵消，则呈散射为主、粗糙表面。

增大，增大，有利于形成光滑表面。减小，减小，有利于形成粗糙表面。一、地物反射光谱特征2.反射率和反射光谱(d)瑞利判据分析17第十七页，共六十一页，编辑于2023年，星期五一、地物反射光谱特征2.反射率和反射光谱(d)瑞利判据分析

对于可见光，在范围内，几乎所有地物都是粗糙面，而对于微波，在cm到m之间，地物表面呈粗糙与光滑临界状态。

引出地表粗糙度的概念：在遥感中一个象元覆盖的地面面积单元内，相邻一个波长距离的平均高差。18第十八页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

多数都处于两种理想模型之间，即介于镜面和朗伯面（漫反射面）之间。一般讲，实际物体表面在有入射波时各个方向都有反射能量，但大小不同。一、地物反射光谱特征2.反射率和反射光谱(e)实际物体反射

在入射辐照度相同时，反射辐射亮度的大小既与入射方位角和天顶角有关，也与反射方向的方位角和天顶角有关。19第十九页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

设φi、θi分别为入射方向的方位角和天顶角，φr、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。

一、地物反射光谱特征2.反射率和反射光谱(e)实际物体反射瓦/米²•球面度(W/m²•Sr)瓦/米²(W/m²)量纲？20第二十页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

入射辐照度Ii应该由两部分组成:太阳的直接辐射太阳辐射经过大气散射后又漫入射到地面的部分

是由太阳辐射来的平行光束穿过大气直接照射地面，其辐照度大小与太阳天顶角和日地距离有关；从四面八方射入，其辐照度大小与入射角度无关。一、地物反射光谱特征2.反射率和反射光谱(e)实际物体反射21第二十一页，共六十一页，编辑于2023年，星期五反射波谱——地物反射率随波长的变化规律异物异谱一、地物反射光谱特征2.反射率和反射光谱(e)实际物体反射

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长的不同反射率，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。22第二十二页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

除随不同地物（反射率）不同外，同种地物在不同内部结构、观测方向和外部条件下形态表现（反射率）也不同。地物反射率随波长变化有规律可循，为高光谱遥感影像分析的提供依据。

一、地物反射光谱特征同物异谱2.反射率和反射光谱(e)实际物体反射方向谱特征23第二十三页，共六十一页，编辑于2023年，星期五一、地物反射光谱特征二、典型地物反射波谱特征三、地物光谱特征采集第二章第2节地物光谱特征及地面光谱数据采集24第二十四页，共六十一页，编辑于2023年，星期五二、典型地物反射波谱特征

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。

在可见光波段，水体的反射率不超过10%

在红外波段，水体反射率几乎为零应用：红外波段的相对辐射校正1.水体反射光谱特征(a)基本特征25第二十五页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

利用光学遥感技术探测水体中的叶绿素、黄色物质、泥沙悬浮物等，称为水色遥感。内陆水体湖泊水体河流水体

大洋水中对光场影响的物质主要是以藻类形式存在的叶绿素。针对大洋水（通称Case1，一类水体）针对近岸水（通称Case2，二类水体）海洋水体二、典型地物反射波谱特征1.水体反射光谱特征

水体类型

近岸水则由于河口排放和潮汐作用，增加了泥沙和黄色物质等变量。(b)波谱特点之一：与水体类型及所含成份有密切关系26第二十六页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

悬浮泥沙所引起的混浊度是影响水体光谱响应的主要因素之一。浊水反射率比清水高很多，峰值出现在黄红区。二、典型地物反射波谱特征1.水体反射光谱特征(b)波谱特点之一：与水体类型及所含成份有密切关系

研究表明，当浑水层（100mg/L）厚度超过30cm时，其底部性质将不至影响水体的反射性能。（Bartolucci）

在0.6-0.7微米波段内，反射率几乎与水体的混浊度线性相关。（Weisblatt）27第二十七页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

叶绿素浓度：水中的叶绿素浓度是影响水体光谱特性的另一个重要因素。

叶绿素浓度增加时，蓝光反射率显著下降，绿光反射率显著上升。不同叶绿素浓度的海水反射光谱曲线二、典型地物反射波谱特征1.水体反射光谱特征(b)波谱特点之一：与水体类型及所含成份有密切关系28第二十八页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

除了悬浮泥沙和叶绿素等因素外，许多天然及人造物质对水体的光谱特征也有影响。如河流中高浓度的丹宁(tannin)引起水体的棕黄色。例如，将气体(O2、N2

、CO2)或无机盐（NaCl、Na2SO4等）溶于蒸馏水，光谱特征没有任何变化。另外，PH值介于3到7之间的水的光谱特征与酸度没有关系。不纯净的水体光谱特征具有复杂性二、典型地物反射波谱特征1.水体反射光谱特征(b)波谱特点之一：与水体类型及所含成份有密切关系不过，某些物质对水体的光谱特征几乎没有影响。29第二十九页，共六十一页，编辑于2023年，星期五雪的反射率明显高于水体雪粒大小雪花絮状形态积雪松紧程度新降未融化的雪表面融化的雪湿的融化的雪冻结的雪水反射率降低附图zkyjcp27二、典型地物反射波谱特征1.水体反射光谱特征(b)波谱特点之二：不同形态的水具由不同的光谱特征30第三十页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

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，而对绿光吸收作用相对较弱。

叶绿素的吸收波段二、典型地物反射波谱特征2.植被反射光谱特征(a)基本特征

植被的反射光谱特征规律性明显而独特胡罗卜素、叶黄素在0.43μm-0.48μm吸收带叶绿素a以0.45μm为中心的吸收带叶绿素b以0.66μm为中心的吸收带31第三十一页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

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，反射率下降，特别是在水的吸收带形成低谷。水的吸收绿叶的反射率二、典型地物反射波谱特征2.植被反射光谱特征(a)基本特征

植被的反射光谱特征规律性明显而独特

近红外波段（0.7～0.8μm）有一反射“陡坡”，至1.lμm附近有一峰值，形成植被的独有特征。32第三十二页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

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。二、典型地物反射波谱特征

为了区分植被种类，需要对各种植被波谱进行研究。2.植被反射光谱特征(b)影响因素33第三十三页，共六十一页，编辑于2023年，星期五9月20日玉米、大豆5月20日小麦、油菜二、典型地物反射波谱特征

不同季节2.植被反射光谱特征(b)影响因素34第三十四页，共六十一页，编辑于2023年，星期五不同树种二、典型地物反射波谱特征2.植被反射光谱特征(b)影响因素35第三十五页，共六十一页，编辑于2023年，星期五土壤光谱电子光谱分子光谱Fe3+Fe2+0.43、0.45、0.51、0.55、1.0微米0.40、0.45、0.49、0.70、0.87微米H2OOH-1CO32-1.4、1.9微米2.2微米2.35、2.55微米

在干旱和半干旱地区一些含盐比较高的土壤中,还会在1.0、1.2、1.4、1.6、1.74、1.9和2.2微米附近出现某些盐类矿物的光谱特征。3.土壤反射光谱特征(a)土壤光谱机理二、典型地物反射波谱特征

曲线比较平缓颗粒粗细因素有机质与含水量因素36第三十六页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

由于土壤反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。二、典型地物反射波谱特征3.土壤反射光谱特征(b)基本特征

曲线比较平缓37第三十七页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

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。不同质地土壤反射光谱曲线二、典型地物反射波谱特征3.土壤反射光谱特征(b)基本特征

有机质与含水量因素38第三十八页，共六十一页，编辑于2023年，星期五二、典型地物反射波谱特征

颗粒粗细因素3.土壤反射光谱特征(b)基本特征a.有机质为主，细粒结构；b.低有机质、低铁质含量；c.低有机质、中等铁含量；d.高有机质，中等粒度结构；e.高铁含量，细粒结构39第三十九页，共六十一页，编辑于2023年，星期五矿物的晶体结构决定了矿物的光谱特征矿物晶体中的分子振动光谱近红外、中红外区矿物晶体中的电子光谱可见光、近红外区二、典型地物反射波谱特征4.岩矿反射光谱特征(a)岩矿光谱机理40第四十页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

通过测谱学、地质学多年的研究积累，人们已经总结出许多离子的光谱特征。掌握了大量关于矿物内部结构基团的光谱吸收特征。推断矿物成分对光谱特征的分析发现结构基团二、典型地物反射波谱特征4.岩矿反射光谱特征(a)岩矿光谱机理41第四十一页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

常见阳离子的光谱特征二、典型地物反射波谱特征4.岩矿反射光谱特征(a)岩矿光谱机理

常见振动集团的光谱特征42第四十二页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

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二、典型地物反射波谱特征4.岩矿反射光谱特征(b)岩矿光谱特征43第四十三页，共六十一页，编辑于2023年，星期五1.风化对岩石光谱反射率的影响水化作用削弱矿物光谱特征差异2.岩石表面结构对光谱反射率的影响粒度3.岩石表面状况对光谱反射率的影响成分杂质有机质二、典型地物反射波谱特征4.岩矿反射光谱特征(b)岩矿光谱特征44第四十四页，共六十一页，编辑于2023年，星期五了解城市建筑目标的光谱特征对于影像解译具有重要作用二、典型地物反射波谱特征5.人工目标反射光谱特征45第四十五页，共六十一页，编辑于2023年，星期五二、典型地物反射波谱特征5.人工目标反射光谱特征不同材质屋顶不同材质道路46第四十六页，共六十一页，编辑于2023年，星期五一、地物反射光谱特征二、典型地物反射波谱特征三、地物光谱特征采集第二章第2节地物光谱特征及地面光谱数据采集47第四十七页，共六十一页，编辑于2023年，星期五三、地物光谱特征采集1.地物波谱特征测量的作用

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。48第四十八页，共六十一页，编辑于2023年，星期五(a)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：三、地物光谱特征采集2.地物反射波谱测量理论49第四十九页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

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。

三、地物光谱特征采集2.地物反射波谱测量理论(a)双向反射分布函数（BRDF）50第五十页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

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。三、地物光谱特征采集(b)双向反射比因子2.地物反射波谱测量理论51第五十一页，共六十一页，编辑于2023年，星期五(a)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。

三、地物光谱特征采集3.地物反射波谱测量方式52第五十二页，共六十一页，编辑于2023年，星期五(b)野外测量

三、地物光谱特征采集3.地物反射波谱测量方式

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。53第五十三页，共六十一页，编辑于2023年，星期五

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。三、地物光谱特征采集

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。(b)野外测量3.地物反射波谱测量方式54第五十四页，共六十一页，编辑于2023年，星期五波长/μm反射率三、地物光谱特征采集(b)野外测量3.地物反射波谱测量方式