2.3_地物波谱特征

三、地物波谱特征分析地物反射波谱特征地物波谱特性的测量地物光谱测量实例分析1.地物反射波谱特征在可见光与近红外波段（0.3～2.5μm），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10～20m，混浊水体则为1～2m，清澈水体甚至可透到100m的深度。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。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。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。%1000PP地物反射波谱特征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、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：)()(),('iiirrrrriiIL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。实际物体反射入射辐照度Ii应该由两部分组成:太阳的直接辐射，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；太阳辐射经过大气散射后又漫入射到地面的部分，因为是从四面八方射入，其辐照度大小与入射角度无关。)()(),('iiirrrrriiIL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。叶绿素的吸收波段水的吸收绿叶的反射率在近红外波段（0.7～0.8μrn）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。（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。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–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：),(),(iiirriirrdIdLf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。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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。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。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。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–野外测量—非垂直测量步骤自然光照射时测量一次为I值；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速测量标准板的辐射值和地物的辐射值，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0o21211KKRKRKRDSIIKD/2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1.1测量仪器的硬件介绍：美国StellarNet公司制造的EPP-2000NIR-InGaAs-LT14、VIS-25CCD和VIS-25PDA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。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：1.2测量仪器的软件介绍SpectraWiz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。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：SpectraWiz软件中提供了许多设置参数来控制各种不同的功能，例如：Detectorintegrationtime（TIME）设定光谱仪输出信号功率；Spectralsmoothingcontrols（SIM）设定光谱曲线平滑算子；Numberofscanstoaverage（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。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。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。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。2.1大气因素对观测的影响水蒸气（H2O）对太阳辐射的吸收是所有气体中最强的，它对进入大气窗口的所有波段都有一定的影响，且随着空间和时间的变化而不断改变。2.1大气因素对观测的影响二氧化碳（CO2）在2000-2200nm范围内有强烈的吸收性，这增加了对碳酸矿物质和溶解性有机盐的研究难度。但是和水蒸气相比，二氧化碳的吸收特性非常稳定，是容易掌握的。2.1大气因素对观测的影响大气