反射波譜

反射波譜是某物體的反射率(或反射輻射能)隨波長變化的規律，以波長為橫坐標，反射率為縱坐標所得的曲線即稱為該物體的反射波譜特性曲線，光譜反射率。物體的反射波譜的特徵主要取決於該物體與入射輻射相互作用的波長選擇，即對入射輻射的反射、吸收和透射的選擇性。

基本介紹

• 中文名：反射波譜
• 外文名：Reflectance spectra
• 學科：測繪工程
• 橫坐標：波長
• 縱坐標：反射率
• 特徵：波長選擇

簡介

自1948年原蘇聯的克里諾夫出版了有關地物波譜特性研究以來，人們開展了大量的地物波譜特性的觀測和研究。20世紀60年代美國為發射地球資源衛星曾全面地開展了地物波譜特性研究，20世紀70年代該項研究進入高潮.目前研究的波段基本覆蓋了遙感所使用的波段，測量和研究的對象包括了自然界的植被、土壤、岩石、水體和人工建築等地物.這些研究對認識遙感成像機理、遙感圖像解譯、遙感儀器最佳探測波段選擇和遙感儀器研製等起到了推動作用.隨著遙感套用的深入，遙感信息與地物相互作用的研究有了進一步發展;特別是成像光譜儀的套用，不僅顯示了地物波譜特性研究的重要性，而且也推動了這一領域的研究.因為它可以獲得圖譜合一的信息，可以直接將地物波譜特性和遙感圖像結合在一起，在圖像分析和套用方面都取得了很好的結果。現代遙感技術的發展，不僅延伸了地物的成像波段範圍，而且可以在需要的任何波段獨立成像或連續成像，提高了地物光譜分辨力，有利於區別各類物質在不同波段的光譜回響特性，突出特定地物反射峰值波長的微小差異。開展地物可見光和近紅外反射波譜特徵分析研究是對遙感圖像進行數據利用和評價的物理基礎。

地物的反射類別及反射特性曲線

地物波譜特性是電磁輻射與地物相互作用的一種表現，可見光和近紅外波段主要表現地物反射作用和地物的吸收作用。因此，地物反射波譜特徵也就是指地物可見光和近紅外波段波譜特徵。

根據地表目標物體表面性質的不同，物體反射大體上可以分為3種類型，即鏡面反射、漫反射、方向反射(實際物體的反射)。

鏡面反射是指物體的反射滿足反射定律。當發生鏡面反射時，對於不透明物體，其反射能量等於入射能量減去物體吸收的能量。自然界中真正的鏡面很少，非常平靜的水面可以近似認為是鏡面漫反射，如果入射電磁波波長入不變，表面粗糙度逐漸增加，這時整個表面均勻反射入射電磁波，入射到此表面的電磁輻射按照朗伯餘弦定律反射，其反射輻照亮度是一個常數，這種反射面又叫朗伯面。實際地物表面由於地形起伏，在某個方向上反射最強烈，稱為方向反射，是介於鏡面和朗伯面(漫反射)之間的一種反射。

自然界中絕大多數地物的反射都屬於這種類型的反射，又叫非朗伯面反射.它發生在地物粗糙度繼續增大的情況下，反射具有各向異性，即實際物體面在有入射波時各個方向都有反射能量，但大小不同。

從空間對地面觀察時，對於平面地區，並且地面物體均勻分布，可以看成漫反射;對於地形起伏和地面結構複雜的地區，為方向反射。

反射率是物體的反射輻射通量與入射輻射通量之比，這個反射率是在理想漫反射體的情況下，整個電磁波長的反射率.實際上由於物體固有的結構特點，對於不同波長的電磁波會產生有選擇的反射，例如綠色植物的葉子由於表皮、葉綠素顆粒組成的柵欄組織和多孔薄壁細胞組織構成。入射到葉子上的太陽輻射透過上表皮，藍、紅光輻射能被葉綠素吸收進行光合作用;綠光也吸收了一大部分，但仍反射一部分，所以葉子呈現綠色;而近紅外線可以穿透葉綠素，被多孔薄壁細胞組織所反射。因此，在近紅外波段上形成強反射。

反射波譜是某物體的反射率(或反射輻射能)隨波長變化的規律，以波長為橫坐標，反射率為縱坐標所得的曲線即稱為該物體的反射波譜特性曲線，光譜反射率。物體的反射波譜的特徵主要取決於該物體與入射輻射相互作用的波長選擇，即對入射輻射的反射、吸收和透射的選擇性，其中反射作用是主要的。物體對入射輻射的選擇性作用受物體的組成成分、結構、表面狀態以及物體所處環境的控制和影響。

在漫反射的情況下，組成成分和結構是控制因素。雪的反射光譜與太陽光譜最相似，在藍光0.49μm附近有個波峰，隨著波長增加反射率逐漸降低.沙漠的反射率在橙色0. 6μm附近有峰值，但在長波範圍里比雪的反射率要高。濕地的反射率較低，色調發暗灰.小麥葉子的反射光譜與太陽的光譜有很大差別，在綠波處有個反射波峰，在紅外部分0.7-0.9μm附近有一個強峰值。

各種物體，由於其結構和組成成分不同，反射特性曲線的形狀是不一樣的，即便是在某波段相似，甚至一樣，但在另外的波段還是有很大的區別的。

常見的幾種地物類型波譜特徵

1植被的反射波譜特性

由於植物均進行光合作用，所以各類綠色植物具有很相似的反射波譜特性，其特徵是:在可見光波段0.55 μm (綠光)附近有反射率為10%-20%的一個波峰，兩側0. 45μm (藍)和0. 67μm (紅)則有2個吸收帶.這一特徵是由於葉綠素的影響造成的，葉綠素對藍光和紅光吸收作用強，而對綠色反射作用強.在近紅外波段0. 8-1.01μm間有一個反射的陡坡，至1. 1μm附近有一峰值，形成植被的獨有特徵.這是由於植被葉的細胞結構的影響，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。

2土壤的反射波譜特性

自然狀態下土壤表面的反射率沒有明顯的峰值和谷值，一般來講土壤的光譜特性曲線與以下一些因素有關，即:土壤類別、含水量、有機質含量、砂、土壤表面的粗糙度、粉砂相對百分含量等。

土壤含水量增加，土壤的反射率就會下降，在水的各個吸收帶，反射率的下降尤為明顯.此外肥力也對反射率有一定的影響。土壤反射波譜特性曲線較平滑，因此在不同光譜段的遙感影像上，土壤的亮度區別不明顯。

3水體的反射波譜特性

水體對0. 45-0. 56μm藍綠光波段透射能力較強，一般深度可達10-20 m，清澈水體可達100 m的深度。同時，水體的反射也主要在藍綠光波段，其他波段吸收率很強，特別在近紅外、中紅外波段有很強的吸收帶，反射率幾乎為零，因此在遙感中常用近紅外波段確定水體的位置和輪廓，在此波段的黑白正片上，水體的色調很黑，與周圍的植被和土壤有明顯的反差，很容易識別和判讀.但是當水中含有其他物質時，反射光譜曲線會發生變化。水含泥沙時，由於泥沙的散射作用，可見光波段發射率會增加，峰值出現在黃紅區。水中含有葉綠素時，近紅外波段明顯抬高，這些都是影像分析的重要依據。

4岩石的反射波譜特性

岩石的反射波譜主要由礦物成分、礦物含量、物質結構等決定。影響岩石礦物波譜曲線的因素包括岩石風化程度、岩石含水狀況、礦物顆粒大小、岩石表面光滑程度、岩石色澤等。幾種岩石的反射波譜曲線。在遙感探測中一般根據所測岩石的具體情況選擇不同的波段。

5城市道路、建築物的反射波譜特性

在城市遙感影像中，通常只能看到建築物的頂部或部分建築物的側面，特別是建築材料所構成的屋頂。鐵皮屋頂表面成灰色，反射率較低而且起伏小，所以曲線較平坦。石棉瓦反射率最高，瀝青粘砂屋頂，由於其表面鋪著反射率較高的砂石而決定了其反射率高於灰色的水泥平頂.綠色塑膠棚頂的波譜曲線在綠波段處有一反射峰值，與植被相似，但它在近紅外波段處沒有反射峰值，有別於植被的反射波譜。軍事遙感中常用近紅外波段區分在綠色波段中不能區分的綠色植被和綠色的軍事目標。

城市中道路的主要鋪面材料為水泥沙地和瀝青兩大類，少量部分有褐色地，它們的反射波譜特性曲線形狀大體相似，水泥沙路在乾爽狀態下呈灰白色，反射率最高，瀝青路反射率最低。

總結

20多年來，高光譜遙感已發展成一個頗具特色的前沿技術，並孕育形成了一門成像光譜學的新興學科門類。它的出現和發展將人們通過遙感技術觀測和認識事物的能力帶入了又一次飛躍，續寫和完善了光學遙感從全色經多光譜到高光譜的全部影像信息鏈.由於高光譜遙感影像提供了更為豐富的地球表面信息，其套用領域已涵蓋地球科學的各個方面，在地質找礦和製圖、大氣和環境監測、農業和森林調查、海洋生物和物理研究等領域發揮著越來越重要的作用。地物目標反射波譜特徵分析研究，除了可以提供遙感圖像設計與成像依據外，還可為農業生產、資源調整、災害預報與評估、工程建設、環境監測、城市發展等提供更加快速可靠的信息服務和輔助決策，因此，蘊含著巨大的經濟效益和社會效益。