地物光譜特征及地面光譜數(shù)據(jù)采集

地物光譜特征及地面光譜數(shù)據(jù)采集第一頁，共六十一頁，2022年，8月28日1一、地物反射光譜特征二、典型地物反射波譜特征三、地物光譜特征采集第二章第2節(jié)地物光譜特征及地面光譜數(shù)據(jù)采集第二頁，共六十一頁，2022年，8月28日2

回顧物質(zhì)結(jié)構(gòu)與光譜產(chǎn)生機理，可以看出，地物光譜特征與地物本身的物理化學特性有關(guān)，物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀特性決定著地物的光譜特征。一、地物反射光譜特征

什么決定了地物的光譜特征？1.光譜特征概要第三頁，共六十一頁，2022年，8月28日3

太陽輻射能到達地表后會發(fā)生什么？一、地物反射光譜特征1.光譜特征概要

到達地面的太陽輻射能量=

反射能量+吸收能量+透射能量第四頁，共六十一頁，2022年，8月28日4

而有些物體，例如水，對一定波長的電磁波則透射能力較強，特別是0.45～0.56μm的藍、綠光波段，一般水體的透射深度可達10～20m，混濁水體則為1～2m，清澈水體甚至可透到100m的深度。一、地物反射光譜特征1.光譜特征概要

一般來說，絕大多數(shù)物體對可見光都不具備透射能力。

關(guān)于透射第五頁，共六十一頁，2022年，8月28日5利用這一特性制作成功的超長波探測裝置探測地下的超長波輻射，可以不破壞地面物體而探測地下層面情況，在遙感界和石油地質(zhì)界取得了令人矚目的成果。微波遙感嫦娥一號月壤探測一、地物反射光譜特征1.光譜特征概要

關(guān)于透射

對于一般不能透過可見光的地面物體對波長5cm的電磁波則有透射能力，例如，超長波的透過能力就很強，可以透過地面巖石、土壤。第六頁，共六十一頁，2022年，8月28日6

在物體反射、吸收、透射等物理性質(zhì)中，使用最普遍最常用的仍是反射這一性質(zhì)，也是本節(jié)的主要內(nèi)容。一、地物反射光譜特征1.光譜特征概要第七頁，共六十一頁，2022年，8月28日7

物體反射的輻射能量Pρ占總?cè)肷淠芰縋0的百分比，稱為反射率ρ：一、地物反射光譜特征2.反射率和反射光譜(a)反射率

不同物體的反射率也不同，這主要取決于物體本身的性質(zhì)（表面狀況），以及入射電磁波的波長和入射角度。反射率的范圍總是≤1，利用反射率可以判斷物體的性質(zhì)。第八頁，共六十一頁，2022年，8月28日8(b)物體的反射類型

物體的反射狀況根據(jù)其表面狀況的不同分為三種：一、地物反射光譜特征2.反射率和反射光譜實際物體反射鏡面反射漫反射第九頁，共六十一頁，2022年，8月28日9一、地物反射光譜特征2.反射率和反射光譜(c)鏡面反射和漫反射

鏡面反射

是指物體的反射滿足反射定律。入射波和反射波在同一平面內(nèi)，入射角與反射角相等。

當鏡面反射時，如果入射波為平行入射，只有在反射波射出的方向上才能探測到電磁波，而其他方向則探測不到.

自然界中真正的鏡面很少，非常平靜的水面可以近似認為是鏡面.對可見光而言，其它方向上應(yīng)該是黑的。全站儀棱鏡第十頁，共六十一頁，2022年，8月28日10

當目標物的表面足夠粗糙，以致于它對太陽短波輻射的反射輻射亮度在以目標物的中心的2π空間中呈常數(shù)，即反射輻射亮度不隨觀測角度而變，我們稱該物體為漫反射體，亦稱朗伯體。

漫反射又稱朗伯(Lambert)反射，也稱各向同性反射。一、地物反射光譜特征2.反射率和反射光譜(c)鏡面反射和漫反射

漫反射第十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日11

特點：整個表面都均勻地向各向反射入射光，不論入射方向如何，反射方向是“四面八方”。一、地物反射光譜特征2.反射率和反射光譜(c)鏡面反射和漫反射

漫反射

也就是把反射出來的能量分散到各個方向，因此從某一方向看反射面，其亮度一定小于鏡面反射的亮度。

設(shè)平面的總反射率為ρ，某一方向上的反射因子為ρ’，則：

ρ=πρ’ρ’為常數(shù)，與方向角或高度角無關(guān)。

第十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日12

自然界中真正的朗伯面也很少，新鮮的氧化鎂（MgO）、硫酸鋇（BaSO4）、碳酸鎂（MgCO3）表面，在反射天頂角≤45o時，可以近似看成朗伯面。

嚴格講只有黑體才是真正的朗伯體。2.反射率和反射光譜(c)鏡面反射和漫反射

漫反射一、地物反射光譜特征第十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日13表面狀況粗糙度決定反射狀況的宏觀因素：—瑞利判據(jù)

目的：判斷物體表面對特定光到底是那種反射主導。一、地物反射光譜特征2.反射率和反射光譜(d)瑞利判據(jù)分析思考：從哪里入手進行判斷、如何判斷？第十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日14θiθr鏡面反射漫反射方向反射L.Rayleigh提出表面為光滑或粗糙的標準為：當為光滑表面當為粗糙表面

一、地物反射光譜特征2.反射率和反射光譜(d)瑞利判據(jù)分析

根據(jù)表面光滑或粗糙第十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日15

粗糙度推導示意圖

其中：為粗糙度；為光的入射角；為光波長。（光程差）（相位差）兩波差相位為完全抵消，差0為完全相重合，介乎之間差一、地物反射光譜特征2.反射率和反射光譜(d)瑞利判據(jù)分析第十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日16

如果兩波偏于相重合，則呈反射為主、光滑表面。

如果兩波偏于相抵消，則呈散射為主、粗糙表面。

增大，增大，有利于形成光滑表面。減小，減小，有利于形成粗糙表面。一、地物反射光譜特征2.反射率和反射光譜(d)瑞利判據(jù)分析第十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日17一、地物反射光譜特征2.反射率和反射光譜(d)瑞利判據(jù)分析

對于可見光，在范圍內(nèi)，幾乎所有地物都是粗糙面，而對于微波，在cm到m之間，地物表面呈粗糙與光滑臨界狀態(tài)。

引出地表粗糙度的概念：在遙感中一個象元覆蓋的地面面積單元內(nèi)，相鄰一個波長距離的平均高差。第十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日18

多數(shù)都處于兩種理想模型之間，即介于鏡面和朗伯面（漫反射面）之間。一般講，實際物體表面在有入射波時各個方向都有反射能量，但大小不同。一、地物反射光譜特征2.反射率和反射光譜(e)實際物體反射

在入射輻照度相同時，反射輻射亮度的大小既與入射方位角和天頂角有關(guān)，也與反射方向的方位角和天頂角有關(guān)。第十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日19

設(shè)φi、θi分別為入射方向的方位角和天頂角，φr、θr分別為某一反射方向的方位角和天頂角。那么方向反射因子ρ’可以表示為：Ii為某一方向入射輻射的照度；Lr為觀察方向的反射亮度。這些物理量均與方位角和天頂角有關(guān)，只有當朗伯體時才都成為與角度無關(guān)的量。

一、地物反射光譜特征2.反射率和反射光譜(e)實際物體反射瓦/米2?球面度(W/m2?Sr)瓦/米2(W/m2)量綱？第二十頁，共六十一頁，2022年，8月28日20

入射輻照度Ii應(yīng)該由兩部分組成:太陽的直接輻射太陽輻射經(jīng)過大氣散射后又漫入射到地面的部分

是由太陽輻射來的平行光束穿過大氣直接照射地面，其輻照度大小與太陽天頂角和日地距離有關(guān)；從四面八方射入，其輻照度大小與入射角度無關(guān)。一、地物反射光譜特征2.反射率和反射光譜(e)實際物體反射第二十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日21反射波譜——地物反射率隨波長的變化規(guī)律異物異譜一、地物反射光譜特征2.反射率和反射光譜(e)實際物體反射

通常用平面坐標曲線表示，橫坐標表示波長λ，縱坐標表示反射率ρ。同一物體的波譜曲線反映出不同波長的不同反射率，將此與遙感傳感器的對應(yīng)波段接收的輻射數(shù)據(jù)相對照，可以得到遙感數(shù)據(jù)與對應(yīng)地物的識別規(guī)律。第二十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日22

除隨不同地物（反射率）不同外，同種地物在不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)、觀測方向和外部條件下形態(tài)表現(xiàn)（反射率）也不同。地物反射率隨波長變化有規(guī)律可循，為高光譜遙感影像分析的提供依據(jù)。

一、地物反射光譜特征同物異譜2.反射率和反射光譜(e)實際物體反射方向譜特征第二十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日23一、地物反射光譜特征二、典型地物反射波譜特征三、地物光譜特征采集第二章第2節(jié)地物光譜特征及地面光譜數(shù)據(jù)采集第二十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日24二、典型地物反射波譜特征

水體的反射主要在藍綠光波段，其他波段吸收都很強，特別到了近紅外波段，吸收就更強，所以水體在遙感影像上常呈黑色。

在可見光波段，水體的反射率不超過10%

在紅外波段，水體反射率幾乎為零應(yīng)用：紅外波段的相對輻射校正1.水體反射光譜特征(a)基本特征第二十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日25

利用光學遙感技術(shù)探測水體中的葉綠素、黃色物質(zhì)、泥沙懸浮物等，稱為水色遙感。內(nèi)陸水體湖泊水體河流水體

大洋水中對光場影響的物質(zhì)主要是以藻類形式存在的葉綠素。針對大洋水（通稱Case1，一類水體）針對近岸水（通稱Case2，二類水體）海洋水體二、典型地物反射波譜特征1.水體反射光譜特征

水體類型

近岸水則由于河口排放和潮汐作用，增加了泥沙和黃色物質(zhì)等變量。(b)波譜特點之一：與水體類型及所含成份有密切關(guān)系第二十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日26

懸浮泥沙所引起的混濁度是影響水體光譜響應(yīng)的主要因素之一。濁水反射率比清水高很多，峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū)。二、典型地物反射波譜特征1.水體反射光譜特征(b)波譜特點之一：與水體類型及所含成份有密切關(guān)系

研究表明，當渾水層（100mg/L）厚度超過30cm時，其底部性質(zhì)將不至影響水體的反射性能。（Bartolucci）

在微米波段內(nèi)，反射率幾乎與水體的混濁度線性相關(guān)。（Weisblatt）第二十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日27

葉綠素濃度：水中的葉綠素濃度是影響水體光譜特性的另一個重要因素。

葉綠素濃度增加時，藍光反射率顯著下降，綠光反射率顯著上升。不同葉綠素濃度的海水反射光譜曲線二、典型地物反射波譜特征1.水體反射光譜特征(b)波譜特點之一：與水體類型及所含成份有密切關(guān)系第二十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日28

除了懸浮泥沙和葉綠素等因素外，許多天然及人造物質(zhì)對水體的光譜特征也有影響。如河流中高濃度的丹寧(tannin)引起水體的棕黃色。例如，將氣體(O2、N2

、CO2)或無機鹽（NaCl、Na2SO4等）溶于蒸餾水，光譜特征沒有任何變化。另外，PH值介于3到7之間的水的光譜特征與酸度沒有關(guān)系。不純凈的水體光譜特征具有復雜性二、典型地物反射波譜特征1.水體反射光譜特征(b)波譜特點之一：與水體類型及所含成份有密切關(guān)系不過，某些物質(zhì)對水體的光譜特征幾乎沒有影響。第二十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日29雪的反射率明顯高于水體雪粒大小雪花絮狀形態(tài)積雪松緊程度新降未融化的雪表面融化的雪濕的融化的雪凍結(jié)的雪水反射率降低附圖zkyjcp27二、典型地物反射波譜特征1.水體反射光譜特征(b)波譜特點之二：不同形態(tài)的水具由不同的光譜特征第三十頁，共六十一頁，2022年，8月28日30

可見光波段（0.4～0.76μm）有一個小的反射峰，兩側(cè)有兩個吸收帶。這是因為葉綠素對藍光和紅光吸收作用強，而對綠光吸收作用相對較弱。

葉綠素的吸收波段二、典型地物反射波譜特征2.植被反射光譜特征(a)基本特征

植被的反射光譜特征規(guī)律性明顯而獨特胡羅卜素、葉黃素在0.43μm-0.48μm吸收帶葉綠素a以0.45μm為中心的吸收帶葉綠素b以0.66μm為中心的吸收帶第三十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日31

這是由于植被葉細胞結(jié)構(gòu)的影響，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。在中紅外波段（1.3～2.5μm）受到綠色植物含水量的影響，吸收率大增，反射率下降，特別是在水的吸收帶形成低谷。水的吸收綠葉的反射率二、典型地物反射波譜特征2.植被反射光譜特征(a)基本特征

植被的反射光譜特征規(guī)律性明顯而獨特

近紅外波段（0.7～0.8μm）有一反射“陡坡”，至1.lμm附近有一峰值，形成植被的獨有特征。第三十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日32

植物波譜具有上述的基本特征，但仍有細部差別，這種差別與植物種類、季節(jié)、病蟲害影響、含水量多少等有關(guān)系。二、典型地物反射波譜特征

為了區(qū)分植被種類，需要對各種植被波譜進行研究。2.植被反射光譜特征(b)影響因素第三十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日339月20日玉米、大豆5月20日小麥、油菜二、典型地物反射波譜特征

不同季節(jié)2.植被反射光譜特征(b)影響因素第三十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日34不同樹種二、典型地物反射波譜特征2.植被反射光譜特征(b)影響因素第三十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日35土壤光譜電子光譜分子光譜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

在干旱和半干旱地區(qū)一些含鹽比較高的土壤中,還會在1.0、1.2、1.4、1.6、1.74、1.9和2.2微米附近出現(xiàn)某些鹽類礦物的光譜特征。3.土壤反射光譜特征(a)土壤光譜機理二、典型地物反射波譜特征

曲線比較平緩顆粒粗細因素有機質(zhì)與含水量因素第三十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日36

由于土壤反射波譜曲線呈比較平滑的特征，所以在不同光譜段的遙感影像上，土壤的亮度區(qū)別不明顯。二、典型地物反射波譜特征3.土壤反射光譜特征(b)基本特征

曲線比較平緩第三十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日37

自然狀態(tài)下土壤表面的反射率沒有明顯的峰值和谷值，一般來講有機質(zhì)含量越高和含水量越高反射率越低，此外土類和肥力也會對反射率產(chǎn)生影響。不同質(zhì)地土壤反射光譜曲線二、典型地物反射波譜特征3.土壤反射光譜特征(b)基本特征

有機質(zhì)與含水量因素第三十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日38二、典型地物反射波譜特征

顆粒粗細因素3.土壤反射光譜特征(b)基本特征a.有機質(zhì)為主，細粒結(jié)構(gòu)；b.低有機質(zhì)、低鐵質(zhì)含量；c.低有機質(zhì)、中等鐵含量；d.高有機質(zhì)，中等粒度結(jié)構(gòu)；e.高鐵含量，細粒結(jié)構(gòu)第三十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日39礦物的晶體結(jié)構(gòu)決定了礦物的光譜特征礦物晶體中的分子振動光譜近紅外、中紅外區(qū)礦物晶體中的電子光譜可見光、近紅外區(qū)二、典型地物反射波譜特征4.巖礦反射光譜特征(a)巖礦光譜機理第四十頁，共六十一頁，2022年，8月28日40

通過測譜學、地質(zhì)學多年的研究積累，人們已經(jīng)總結(jié)出許多離子的光譜特征。掌握了大量關(guān)于礦物內(nèi)部結(jié)構(gòu)基團的光譜吸收特征。推斷礦物成分對光譜特征的分析發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)基團二、典型地物反射波譜特征4.巖礦反射光譜特征(a)巖礦光譜機理第四十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日41

常見陽離子的光譜特征二、典型地物反射波譜特征4.巖礦反射光譜特征(a)巖礦光譜機理

常見振動集團的光譜特征第四十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日42

巖石的反射波譜曲線無統(tǒng)一的特征。礦物成分、礦物含量、風化程度、含水狀況、顆粒大小、表面光滑程度、色澤等都會對曲線形態(tài)產(chǎn)生影響。

幾種巖石的反射波譜曲線二、典型地物反射波譜特征4.巖礦反射光譜特征(b)巖礦光譜特征第四十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日431.風化對巖石光譜反射率的影響水化作用削弱礦物光譜特征差異2.巖石表面結(jié)構(gòu)對光譜反射率的影響粒度3.巖石表面狀況對光譜反射率的影響成分雜質(zhì)有機質(zhì)二、典型地物反射波譜特征4.巖礦反射光譜特征(b)巖礦光譜特征第四十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日44了解城市建筑目標的光譜特征對于影像解譯具有重要作用二、典型地物反射波譜特征5.人工目標反射光譜特征第四十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日45二、典型地物反射波譜特征5.人工目標反射光譜特征不同材質(zhì)屋頂不同材質(zhì)道路第四十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日46一、地物反射光譜特征二、典型地物反射波譜特征三、地物光譜特征采集第二章第2節(jié)地物光譜特征及地面光譜數(shù)據(jù)采集第四十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日47三、地物光譜特征采集1.地物波譜特征測量的作用

傳感器波段選擇、驗證、評價的依據(jù)；建立地面、航空和航天遙感數(shù)據(jù)的關(guān)系；將地物光譜數(shù)據(jù)直接與地物特征進行相關(guān)分析并建立應(yīng)用模型。第四十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日48(a)雙向反射分布函數(shù)（BRDF）

對于地物表面dA，入射時輻照度為dIi(φi,θi)，在φr和θr方向上，由dIi產(chǎn)生的反射亮度為dLr，隨著入射方向和反射方向的不同，產(chǎn)生一個函數(shù)fr，稱雙向反射分布函數(shù)，簡稱BRDF，表示為：三、地物光譜特征采集2.地物反射波譜測量理論第四十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日49

對于給定的入射角和反射角，這一函數(shù)值表示在給定方向上每單位立體角內(nèi)的反射率。fr還是波長的函數(shù)。BRDF完全描述了反射空間分布特性的規(guī)律。

但是由于BRDF函數(shù)值本身是兩個無窮小量的比，且實際想要測量dIi也十分困難，因此實際測量中很少采用。

三、地物光譜特征采集2.地物反射波譜測量理論(a)雙向反射分布函數(shù)（BRDF）第五十頁，共六十一頁，2022年，8月28日50

這一函數(shù)比較容易測量，其定義是，在給定的立體角錐體所限制的方向內(nèi)，在一定輻照度和觀測條件下，目標的反射輻射通量與處于同一輻照度和觀測條件下的標準參考面的反射輻射通量之比。而這一標準參考面即為前面講過的朗伯反射面。三、地物光譜特征采集(b)雙向反射比因子2.地物反射波譜測量理論第五十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日51(a)樣品的實驗室測量

實驗室測量常用分光光度計，儀器由微機控制，測量數(shù)據(jù)也直接傳給計算機。分光光度計的測量條件是一定方向的光照射，半球接收，因此獲得的反射率與野外測定有區(qū)別。室內(nèi)測量時要有嚴格的樣品采集和處理過程。

例如，植被樣品要有代表性，采集后迅速冷藏保鮮，并在12h內(nèi)送實驗室測定；土壤和巖礦應(yīng)按專業(yè)要求并制備成粉或塊。由于實驗室的測量條件高，應(yīng)用不夠廣泛。

三、地物光譜特征采集3.地物反射波譜測量方式第五十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日52(b)野外測量

三、地物光譜特征采集3.地物反射波譜測量方式

垂直測量：為使所有數(shù)據(jù)能與航空、航天傳感器所獲得的數(shù)據(jù)進行比較，一般情況下測量儀器均用垂直向下測量的方法，以便與多數(shù)傳感器采集數(shù)據(jù)的方向一致。

由于實地情況非常復雜，測量時常將周圍環(huán)境的變化忽略，認為實際目標與標準板的測量值之比就是反射率之比。第五十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日53

垂直測量所用標準板通常用硫酸鋇或氧化鎂制成，在反射天頂角≤45o時，接近朗伯體，并且經(jīng)過計量部門標定，其反射率為已知值。三、地物光譜特征采集

因沒有考慮入射角度變化時造成的反射輻射值的變化（對實際地物在一定程度上取近似朗伯體），其測量值也有一定的適用范圍。(b)野外測量3.地物反射波譜測量方式第五十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日54波長/μm反射率三、地物光譜特征采集(b)野外測量3.地物反射波譜測量方式