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地物波谱特征

地物波谱特征

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  地物波谱特征_天文/地理_自然科学_专业资料。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 μ m),地 表物体自身的热辐射几乎

  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 μ 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 0.45~0.56μm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Pρ 占总入射能量P0的百分比, 称为反射率ρ : ? ? P? ?100% P 不同物体的反射率也不同0 ,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φ i、θ i分别为入射 方向的方位角和天顶 角,φ r、θ 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ρ ’可以表 I示i为?为某 (一:?方i?向i 入,?射r辐? 射r )的?照L度Iri;((??Lrir为??观ir))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 ? (? i? i ,? r ? r ) ? Lr (? r? r ) I i (? i? i ) 入射辐照度Ii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 (0.4~0.76μ 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 μ rn)有 一反射的“陡坡”, 至 1.lμ 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~ 2.5μ 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)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)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)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. 地物波谱特征的测量 电磁波谱中,可见光和近红外波 段(0.3~2.5μ 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dIi(φ i,θ i), 在φ r和θ r方向上,由dIi 产生的反射亮度为dLr, 随着入射方向和反射方向 的不同,产生一个函数fr, 称双向反射分布函数,简 称BRDF,澳门新葡亰平台游戏表示为: f r ? dLr (? i? i ,? r? r ) 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。fr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 dIi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≤45o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 R ? K1RS ? K2RD –野外测量—非垂直测量步骤 K1 ? 1 ? K2 ? 自然光照射时测量一次为I值; K 2 ? I D / I ? 用挡板遮住太阳光使阴影盖过标准板,再测一次为ID; ? 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RD ; ? 由公式计算出直射光照射下双向反射比因子RS。测量 时可以保持方位角始终为0o 小麦野外测量的RD和RS及室内测量的Rs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 NIRInGaAs-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(H2O)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 内有强二烈氧的化吸碳收(性C,O2这)增在加20了00对-2碳20酸0n矿m范物围 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。 2.3 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。

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