第二章遥感物理基础3（中国矿业大学）

自然界中的任何地物都具有发射、反射和吸收电磁波的特性。少数地物还具有透射电磁波的特性。这些特性称为 地物的光谱特性 。2.3 地物的光谱特性 一、地物的反射光谱特性二、地物的发射光谱特征三、地物的透射光谱特性一、地物的反射光谱特性（一）电磁辐射与地物的相互作用电磁辐射与地物相互作用时，部分能量被地物 反射；部分能量被地物 吸收 ，成为地物本身的内能或部分再发射出来，还有一部分能量被地物 透射 。按能量守恒与转换定律，物体反射、吸收、透射电磁辐射的能力，可用物体反射能量、吸收能量和透射能量占入射能量的比例系数（或百分率）来表示。即：地物的反射率可以用仪器测定，而吸收率可通过（ 2）式求出。自然界中 不同的地物反射率是不同的 ，表现为不同的光谱特性，即使 同一地物 由于表面情况不同， 其光谱特性也会发生变化。 （二）电磁辐射中反射的类型当电磁辐射从较稀的空气介质中入射到较紧密的地物表面时，在物质界面上会产生反射。按界面的平滑程度，反射的方向和强弱，表现为三种类型：（ 1）镜面反射（ 2）漫反射 （ 3）混合反射（ 1）镜面反射电磁波投射在光滑的平面上，其反射方向遵循反射定律，即入射角等于反射角，具高度方向性。（ 2）漫反射又称散射，朗伯反射。电磁波投射在较粗糙的表面上，反射方向朝向四面八方，且强度相近。 （ 3）混合反射这是介于镜面反射与漫反射两者之间的一种反射。电磁波投射在不大光滑的表面上时，在波的入射方向和镜面反射方向上都产生反射波，其它方向很弱。如光在水面和沙漠面上的反射。反射辐射亮度随电磁辐射的入射方向和观察方向的不同而不同，在航空遥感中具有重要意义。 至于如何确定表面光滑、粗糙，通常按瑞利准则。有关这一问题在介绍微波遥感时再述。 一、地物的反射光谱特性（三）反射率和亮度系数1. 反射率地物反射电磁波能力的大小，一般用反射率表示。地物的反射率是地物的反射能量与入射能 量之比，其数值用百分率表示。即 ：地物的反射率大小与入射电磁波的波长、入射角的大小以及地物表面的颜色和粗糙度等有关。在一般情况下，当入射电磁波波长一定时，反射能力强的地物， 反射率大 ，传感器记录的亮度值也大，在黑白遥感图象上 色调就浅 。反之，反射入射光能力弱的地物， 反射率小 ，传感器记录的亮度值就小，在黑白遥感图象上 色调就深 。这些色调的差异就是遥感图象目视判读的基本出发点。 一、地物的反射光谱特性（三）反射率和亮度系数2. 亮度系数航空遥感技术中常用亮度系数 表示地物反射电 磁波的能力的大小。其含义是指在相同照度条件下，物体表面的亮度与理想的纯白色全反射表面的亮度之比，即：亮度系数也反映地物反射电磁波能力的大小。在自然界中物体的亮度系数变化较大，如雪的亮度系数最大，可接近于 1.0；黑土的亮度系数仅为 0.020.08 ；粗糙表面比光滑表面的亮度系数小；干的表面比湿的表面亮度系数大。 一、地物的反射光谱特性（四）几种典型地物的反射光谱地物的反射率随入射波长变化的规律，叫做 地物的反射光谱 。按地物的反射率与波长之间的关系绘成的曲线（横坐标为波长值，纵坐标为反射率）称为地物的反射光谱曲线 。不同的地物具有不同的反射光谱曲线形态 ，而 同一地物在不同波段的反射率也是不同 的，因而不同波段上同一地物的图象特征呈现明显的差异，这是遥感技术用于识别和区分地物的主要依据。下面就几种典型地物的反射光谱特性介绍如下：1.水体的反射光谱特性。水体的反射率，除镜面反射方向外，在各个波段内都较低，一般在 3%左右。清水的反射率一般在可见光部分为 45%，在 0.6微米（橙光）处下降至 23%，到 0.75微米以后的近红外波段，水成了吸收体。混浊水的反射波谱曲线随着悬浮泥沙浓度的增加而增高。水体的光谱曲线土壤的光谱曲线2. 植被的反射光谱特性。植被是地面分布最广的地物之一，植物对自然环境的依赖性又大，所有植物由于叶绿素含量和植物细胞结构的不同，各自具有特殊的光谱效应，因而植被在遥感图象上较易识别，并且成为指示自然环境（如气候，水分等）的最好标志。（ 1）植物的基本波谱特征是：1）可见光绿波段 0.55微米附近有 1020%的反射峰。2）近红外波段 0.741.3微米； 0.81.0微米；0.71.4微米间具有 5060%的强反射峰。3） 1.352.5微米； 13微米部分是一个衰减曲线。在 0.45微米和 0.65微米，近红外波段 1.5微米、 1.9微米和 2.62.7微米附近具有强烈吸收。究其原因，可见光波段中（ 0.7微米）的吸收是由叶绿素吸收引起的。近红外波段的吸收是由细胞液和细胞膜中的水分子造成的。1978年高斯曼（ Gausman）发现多汁植物和非汁植物在三个水吸收带之间的两个反射峰（1.65微米和 2.2微米）上差别非常明显。这就是说，随着绿色植物种类、结构的不同，它们的反射波谱的光量也有所不同，不同类型植物之间响应曲线的这些差异可以用来鉴别不同的植物类别。叶片组织结构不同，使它们在反射率和透射率上有较大差异。阔叶树的叶片中有海绵薄壁组织，能反射红外光，并使部分红外光透过表皮和栅状组织；针叶树的叶片中没有海绵组织，因此对红外光反射较差。禾本科草本植物的叶片组织比较均一，没有栅状组织和海绵组织的区别，而细胞壁的角质化和含有硅质等原因，透光性较阔叶树差。另外叶片的形状、排列、密度、枝叶的比例等，对红外光的第二反射、透射也有很大影响，使植物的反射总量，因品种不同而异。阔叶树反射最强，草本植物次之，针叶林最弱。当植物老化或受到伤害时，反射率则明显降低。即使是同一种植物，随着叶子的新老，稀密，季节，土壤水分（植物含水量）和无机质含量的差异或者受到大气污染和病虫害等的影响，它们在各个波段的反射率也是不同的。有时在可见光波段反映不明显，而在近红外波段却能清楚地观察到这种变化。下面是不同长势松树的反射光谱曲线。 健康的松树在可见光波长范围内反射率在叶绿素吸收带低于有病害的松树，而在近红外波段健康松树的反射率明显高于有病害松树，病害愈重，反射率愈低，故可将两者区别开来。a.植物的疏密程度。b.物候期的影响。c.下垫面