2.3 地物波谱特征

单击此处编辑母版样式,单击此处编辑幻灯片母版样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,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（,0.3,2.5,m,），,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,0.45,0.56m,的蓝、绿光波段，一般水体的透射深度可达,10,20 m,，,混浊水体则为,1,2 m,，,清澈水体甚至可透到,100 m,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,5 cm,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,P,占总入射能量,P,0,的百分比，称为反射率,：,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。,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,i,、,i,分别为入射方向的方位角和天顶角，,r,、,r,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,可以表示为：,I,i,为某一方向入射辐射的照度；,L,r,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,I,i,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。,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,，,纵坐标表示反射率,。,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（,0.4,0.76,m,）,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（,0.7,0.8,rn,）,有一反射的,“,陡坡,”,，至,1.,l,m,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（,1.3,2.5,m）,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（,0.32.5,m,）,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,dI,i,(,i,i,),，在,r,和,r,方向上，由,dI,i,产生的反射亮度为,dL,r,，,随着入射方向和反射方向的不同，产生一个函数,f,r,，,称双向反射分布函数，简称,BRDF,，,表示为：,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。,f,r,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,dI,i,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,45,o,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,I,D,；,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,R,D,；,由,公式计算出直射光照射下双向反射比因子,R,S,。,测量时可以保持方位角始终为,0,o,小麦野外测量的,R,D,和,R,S,及室内测量的,R,s,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-2000,NIR-InGaAs-LT14,、,VIS-25 CCD,和,VIS-25 PDA,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,Spectra Wiz,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：,Spectra Wiz,软件中提供了许多设置参数来控制各种不同的功能，例如：,Detector integration time,（,TIME,）,设定光谱仪输出信号功率；,Spectral smoothing controls,（,SIM,）,设定光谱曲线平滑算子；,Number of scans to average,（,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（,H,2,O,）,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（,CO,2,）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,大气中其它气体对太阳辐射都有一定的影响但特征和影响程度都不及这两种气体。,2.1,大气因素对观测的影响,云层对太阳辐射的吸收和散射,；,测量过程中云层的出现会使得大气中水蒸气的吸收特征变化得更快。大量水蒸气的出现，会对测量参考光谱和样本光谱的太阳辐射产生不同的影响，从而导致了样本反射率出现错误。尽量缩短采参比和采样本光谱之间的时间间隔可以减小由于这种原因造成的误差。,当云层过厚时，,云层本身便可以遮挡太阳的辐射，降低大气散射光强。,此时采集的光谱的准确性很低，应当尽量避免在阴天进行外业光谱采集。,2.1,大气因素对观测的影响,风对被测物体的物理状态的影响,。,在采集样本光谱的过程中，因为风的影响被测物体的位置和姿态发生了改变，同样会产生测量误差。在光谱仪积分时间和光谱平均采样次数的参数设置过大时，因为风产生的误差就更加严重。这种现象经常发生在测量植被冠层和水面时。,因此，在应当,尽量避免在风力过大的天气进行外业测量,；在有风的情况下测量时，应当尽量缩短采样的时间间隔。,2.2,周围地物对观测的影响,在外业光谱测量中，如何选择一个好的测量环境至关重要，因为周围环境对样本光谱的影响程度直接关系到测量结果的精度。,除了太阳辐射以外，,人和测量仪器是样本的重要光源之一,，所以在测量时测量人员应当按照顺序进入采样区域，并着深色服装，避免对样本光谱的干扰。,当然周围的地物也有可能对被测物体产生影响。例如在水面光谱测量的过程中，由于波浪造成的水面不平整，会使周围的地物的倒影通过镜面反射被光纤采集从而影响测量结果。,2.3,物体自身的物理特性,物体表面的纹理和结构,会影响其反射光强的能力。和一个平滑的表面相比，粗糙的表面能够散射更多来自太阳和周围其他地物的能量。物体散射能量的能力随着角度的不同亦不同。所以选择一个能够代表物体自然状态的样本，采用一个固定的观察角度是十分重要的。,