植被光谱特性

在光谱的中红外阶段，绿色植物的光谱响应主要被1.4μm、1.9μm和2.7μm附近的水的强烈吸收带所支配。地面植物具有明显的光谱反射特征，不同于土壤、水体和其他的典型地物，植被对电磁波的响应是由其化学特征和形态学特征决定的，这种特征与植被的发育、健康状况以及生长条件密切相关。在可见光波段内，各种色素是支配植物光谱响应的主要因素，其中叶绿素所起的作用最为重要。在中心波长分别为0.45μm（蓝色）和0.65μm（红色）的两个谱带内，叶绿素吸收大部分的摄入能量，在这两个叶绿素吸收带间，由于吸收作用较小，在0.54μm（绿色）附近行程一个反射峰，因此许多植物看起来是绿色的。除此之外，叶红素和叶黄素在0.45μm（蓝色）附近有一个吸收带，但是由于叶绿素的吸收带也在这个区域内，所以这两种黄色色素光谱响应模式中起主导作用。在光谱的近红外波段，植被的光谱特性主要受植物叶子内部构造的控制。健康绿色植物在近红外波段的光谱特征是反射率高（45%-50%），透过率高（45%-50%），吸收率低（5%）。在可见光波段与近红外波段之间，即大约0.76μm附近，反射率急剧上升，形成“红边”现象，这是植物曲线的最为明显的特征，是研究的重点光谱区域。许多种类的植物在可见光波段差异小，但近红外波段的反射率差异明显。同时，与单片叶子相比，多片叶子能够在光谱的近红外波段产生更高的反射率（高达85%），这是因为附加反射率的原因，因为辐射能量透过最上层的叶子后，将被第二层的叶子反射，结果在形式上增强了第一层叶子的反射能量。在光谱的中红外阶段，绿色植物的光谱响应主要被1.4μm、1.9μm和2.7μm附近的水的强烈吸收带所支配。2.7μm处的水吸收带是一个主要的吸收带，它表示水分子的基本振动吸收带。1.9μm，1.1μm，0.96μm处的水吸收带均为倍频和合频带，故强度比谁的基本吸收带弱，而且是依次减弱的。1.4μm和1.9μm处的这两个吸收带是影响叶子的中红外波段光谱响应的主要谱带。1.1μm和0.96μm处的水吸收带对叶子的反射率影响也很大，特别是在多层叶片的情况下。研究表明，植物对入射阳光中的红外波段能量的吸收程度是叶子中总水分含量的函数，即是叶子水分百分含量和叶子厚度的函数。随着叶子水分减少，植物中红外波段的反射率明显增大（Philipetal.,1978）植被光谱反射曲率特征：色素吸收决定着可见光波段的光谱反射率，细胞结构决定近红外波段的光谱反射率，而水汽吸收决定了短波红外的光谱反射率特性。一般情况下，植被在350-2500nm范围内具有如下典型反射光谱特征:(1)350一490nm谱段:由于400一450nm谱段为叶绿素的强吸收带，425一490nm谱段为类胡罗卜素的强吸收带，380nm波长附近还有大气的弱吸收带，故350一490nm谱段的平均反射率很低，一般不超过10%，反射光谱曲线的形状也很平缓;(2)490一600mn谱段:由于550nm波长附近是叶绿素的强反射峰区，故植被在此波段的反射光谱曲线具有波峰的形态和中等的反射率数值(约在8-28%之间);(3)600一700nm谱段:650一700nm谱段是叶绿素的强吸收带，610、660nm谱段是藻胆素中藻蓝蛋白的主要吸收带，故植被在600一700nm的反射光谱曲线具有波谷的形态和很低的反射率数值(除处于落叶期的植物群落外，通常不超过10%);(4)700一750nm谱段:植被的反射光谱曲线在此谱段急剧上升，具有陡而近于直线的形态。其斜率与植物单位面积叶绿素(a+b)的含量有关，但含量超过4一5mg.cm'2后则趋于稳定;(5)750一1300nm谱段:植被在此波段具有强烈反射的特性(可理解为植物防灼伤的自卫本能)，故具有高反射率的数值。此波段室内测定的平均反射率多在35一78%之间，而野外测试的则多在25一65%之间。由于760nm,850nm,910nm,960nm和1120nm等波长点附近有水或氧的窄吸收带，因此，750.1300nm谱段的植被反射光谱曲线还具有波状起伏的特点;(6)1300一1600nm谱段:与1360一1470nm谱段是水和二氧化碳的强吸收带有关，植被在此谱段的反射光谱曲线具有波谷的形态和较低的反射率数值(大多在12一18%之间):(7)1600一1830nm谱段:与植物及其所含水分的波谱特性有关，植被在此波段的反射光谱曲线具有波峰的形态和较高的反射率数值(大多在20一39%之间);(8)1830一2080mn谱段:此谱段是植物所含水分和二氧化碳的强吸收带，故植被在此谱段的反射光谱曲线具有波谷的形态和很低的反射率数值(大多在6一10%之间);(9)2080一2350nm谱段:与植物及其所含水分的波谱特性有关，植被在此波段的反射光谱曲线具有波峰的形态和中等的反射率数值(大多在10一23%之间):(10)2350一2500mn谱段:此谱段是植物所含水分和二氧化碳的强吸收带，故植被在此谱段的反射光谱曲线具有波谷的形态和较低的反射率数值(大多在8一12%之间)。1）对绿光（0.55）有一小的反射峰值，反射率大致为20%，这是绿色植物呈现绿色的原因。注意这里也正是太阳光的光能峰值。2）在红光处（0.68）有一吸收谷，这是光合作用吸收谷。注意此处太阳光能仍很大，若吸收谷减小，则植被发黄、红。3）在0.7~1.4与1.5~1.9有很高红外反射峰，反射率可高达70%以上，这两峰与前边红光波谷是植被光谱的特征。这第一峰波长段还处在太阳光能波谱中主要能量分布区（0.2~1.4）占有全部太阳光能量90.8%，这是遥感识别植被并判断植被状态的主要依据。4）在1.45至1.95有两处吸收谷，表明植被中水分含量。5）不同种类植物反射光谱曲线的变化趋势相同，而植物与其它地物的反射光谱曲线显著不同，这是遥感可以估测生物量的基础。6）植物叶片重叠时，反射光能量在可见光部分几乎不变，而在红外却可增加20~40%。这是因为红外光可透过叶片，又经下层叶片重复反射。叶片重叠反映作物长势旺盛，生物量高。7)植物叶片可见光区反射率有显著的方向性，这是因为植物叶片反射（散射）不是纯粹的朗伯散射，还有方向性。而在红外区方向性就不显著，这是因为红外光透射性好，透射后重复反射打扰了方向性。