地物光谱特征及地面光谱数据采集

武汉大学龚龑《高光谱遥感》1一、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武汉大学龚龑《高光谱遥感》2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.光谱特征概要武汉大学龚龑《高光谱遥感》3•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+透射能量武汉大学龚龑《高光谱遥感》4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。•关于透射武汉大学龚龑《高光谱遥感》5•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。武汉大学龚龑《高光谱遥感》6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.光谱特征概要武汉大学龚龑《高光谱遥感》7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：%1000PP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。武汉大学龚龑《高光谱遥感》8(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武汉大学龚龑《高光谱遥感》9一、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。全站仪棱镜武汉大学龚龑《高光谱遥感》10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•漫反射武汉大学龚龑《高光谱遥感》11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。武汉大学龚龑《高光谱遥感》12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、地物反射光谱特征武汉大学龚龑《高光谱遥感》13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？武汉大学龚龑《高光谱遥感》14θiθr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8cosh8cosh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武汉大学龚龑《高光谱遥感》15粗糙度推导示意图其中：为粗糙度；为光的入射角；为光波长。h4cos2h（光程差）（相位差）cos8hh两波差相位为完全抵消，差0为完全相重合，介乎之间差42一、地物反射光谱特征2.反射率和反射光谱(d)瑞利判据分析武汉大学龚龑《高光谱遥感》16cos8h•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。cos8h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)瑞利判据分析武汉大学龚龑《高光谱遥感》17一、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。m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。h武汉大学龚龑《高光谱遥感》18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。武汉大学龚龑《高光谱遥感》19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。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？武汉大学龚龑《高光谱遥感》20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)()(),('iiirrrrriiIL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)实际物体反射武汉大学龚龑《高光谱遥感》21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。武汉大学龚龑《高光谱遥感》22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武汉大学龚龑《高光谱遥感》23一、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武汉大学龚龑《高光谱遥感》24二、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)基本特征武汉大学龚龑《高光谱遥感》25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武汉大学龚龑《高光谱遥感》26•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）武汉大学龚龑《高光谱遥感》27•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武汉大学龚龑《高光谱遥感》28•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。武汉大学龚龑《高光谱遥感》29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武汉大学龚龑《高光谱遥感》30•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为中心的吸收带武汉大学龚龑《高光谱遥感》31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。武汉大学龚龑《高光谱遥感》32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)影响因素武汉大学龚龑《高光谱遥感》339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)影响因素武汉大学龚龑《高光谱遥感》34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)影响因素武汉大学龚龑《高光谱遥感》35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.