地物光谱反射率分析
不同积雪及雪被地物光谱反射率特征与光谱拟合_张佳华
专题二地表反照率不同积雪及雪被地物光谱反射率特征与光谱拟合张佳华1* 周正明1王培娟1沙依然2许云1孟倩文1（1. 中国气象科学研究院，北京100081；2. 新疆气候中心，乌鲁木齐，830002）摘要：积雪覆盖是影响全球气候、水循环的重要特征参数，准确测量和分析积雪光谱特征是提高遥感反演积雪特征的重要途径。
本文在试验场基于野外光谱辐射仪测定了北京地区多种地表积雪和雪被地物的光谱，并对测得光谱数据进行分析。
结果表明，对于纯雪光谱，反射率的峰值明显集中在从可见光波段到800n m 波段位置，积雪光谱具有反射率稳定较高的特点；在1030nm附近，光谱出现了一个明显的吸收谷。
由于水的强吸收，积雪光谱在1500nm和2000nm附近的反射率几乎降到了0；在300-1300nm、1700-1800nm、2200-2300nm处，老雪和融化的雪反射峰比起新雪有不同程度的下降，最低为压实冻结的冰雪。
对积雪和植被混合象元的光谱特性分析表明：雪被地物（包括覆有积雪的松叶和有积雪背景的松叶），由于受积雪的影响下，在350-1300nm光谱的反射率有所增加，但主要的植被光谱特性仍然保留得比较完整。
最后，本文依据积雪、植被和混合光谱的定量分析，建立了混合光谱的拟合方程，结果显示模拟的混合光谱与实测光谱有较好的相关性（复相关系数R2=0.952）。
关键词：积雪; 光谱特征; 光谱拟合; ASD野外光谱仪Spectrum reflectance characteristics of different snow and snow –covered land surface objects and mixed spectrumfittingZHANG Jia-hua1*,ZHOU Zheng-ming1 , WANG Pei-juan1, SHA Yi-ran2, XUN Yun1, MENGQian-wen1(1. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081,China; 2. Xinjiang Climate Center of, Urumqi,830002, China )*通讯作者简介：张佳华联系方式：zhangjh@33。
地物的光谱特性
入射电磁波的波长 入射角的大小 地表颜色与粗糙度
2. 地物的反射光谱：地物的反射率随入 射波长变化的规律。
1) 地物反射光谱曲线：根据地物反射率 与波长之间的关系而绘成的曲线。地 物电磁波光谱特征的差异是遥感识别 地物性质的基本原理。
2) 不同地物在不同波段反射率存在差异： 雪、 沙漠、湿地、小麦的光谱曲线
2) 微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上 可以经过处理来接收。
3) 瑞里—金斯公式
黑体辐射的微波功率与温度成正比， 与波长的平方成反比。
W( )
2kT
2
微波波段与红外波段发射率的比较：不同地 物之间微波发射率的差异比红外发射率要明显得 多，因此，在可见光和红外波段中不易识别的地 物，在微波波段中则容易识别。（表2-6）
6、地物的发射光谱
① 发射光谱：地物的发射率随波长变化的 规律。
② 发射光谱曲线：按照发射率和波长之间 的关系绘成的曲线。
③ 岩石的发射光谱分析（图2-12）
亮度温度：衡量地物辐射特征的重要指标。指等 物体的辐射功率等于某一黑体的辐射功率时， 该黑体的绝对温度即为亮度温度。 The temperature of the black body which radiates the same radiant energy as an observed object is called the brightness temperature of the object. 亮度温度与实地温度的关系：总小于实地温度。
4) 地物的光谱特性具有时间特性和空间特
性。
时间特性
空间特性
地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量 标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参 照标准。
典型地物反射波谱测量与特征分析
典型地物反射波谱测量与特征分析一、实验目的与要求1.实验意义：（1）对光谱测量仪器的认识：ASD野外光谱分析仪FieldSpecPro是一种测量可见光到近红外波段地物波谱的有效工具，它能够快速扫描地物，光线探头在毫秒内得到地物的单一光谱。
FieldSpec分光仪主要由附属手提电脑，观测仪器，手枪式把手，光线光学探头以及连接数据线组成。
通过连接电脑，可实时持续显示测量光谱，使得测量者可以即时获取需要的测量数据。
（2）对课堂内容的认识：地物反射光谱是指某种物体的反射率或反射辐射能随波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得到的曲线即为反射波谱特性曲线。
影响地物波谱变化的因素：太阳位置（太阳高度角和方位角）。
不同的地理位置，海拔高度不同。
时间、季节的变化。
地物本身差异、土壤含水量、植被病虫害。
2.实验目的：（1）地物波谱数据获取需要使用地面光谱仪，通过该实验学会地面光谱仪的原理与使用方法。
（2）通过对地物光谱曲线分析，比较相异与相似地物反射光谱特征。
认识并掌握典型地物反射光谱特征。
二、实验内容与方法1.实验内容（1）典型地物反射波谱测量选择典型地物类型，使用地物光谱仪，开展地物光谱测量，获得典型地物可见光近红外波段（0.4-2.5微米）的反射光谱曲线。
地物类型：植被（草地、灌丛），水体（不同水深，有无植被），土壤（裸土、有少量植被覆盖土壤），不透水地面（水泥地面、沥青路面、大理石地面）。
（2）地物波谱特征分析a)标准波谱库浏览b)波谱库创建c)高光谱地物识别●从标准波谱库选择端元进行地物识别●自定义端元进行地物识别2.实验方法（1）ASD光谱仪简介FieldSpec Pro型光谱仪是美国分析光谱设备(ASD)公司主要的野外用高光谱测量设备。
整台仪器重量7.2公斤，可以获取350~2500nm 波长范围内地物的光谱曲线，探测器包括一个用于350-1000nm的512像元NMOS硅光电二极管阵列, 以及两个用于1000-2500nm的单独的热电制冷的铟-镓-砷光电探测器。
各典型地物的光谱曲线-文档资料
常见地物比较光谱曲线 植被光谱曲线 土壤光谱曲线 水体光谱曲线 岩石光谱曲线
地物波谱特征
在可见光与近红外波段，地表物体自身的辐射几乎等于零。地物
发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。太阳辐射到达地面之后， 物体除了反射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用。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 一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物 体如水，对一定波长的电磁波透射能力较强，特别是对0. 45 ~ 0. 56μm的蓝绿光波段，一般水体的透射深度可达10~20 m，清澈 水体可达100 m的深度。 对于一般不能透过可见光的地面物体，波长5 cm的电磁波却有透 射能力，如超长波的透射能力就很强，可以透过地面岩石和土壤。
土壤的光谱曲线
自然状态下，土壤表面的 反射率没有明显的峰值和 谷值，一般来说，土质越 细反射率越高。有机质和 含水量越高反射率越低， 土类与肥力也对土壤反射 率有影响。但由于其波谱 曲线较平滑，所以在不同 光谱段的遥感影像上土壤 亮度区别并不明显。
水体的光谱曲线
水体反射率较低，小于 10%，远低于大多数的其 他地物，水体在蓝绿波段 有较强反射，在其他可见 光波段吸收都很强。纯净 水在蓝光波段最高，随波 长增加反射率降低。在近 红外波段反射率为0；含叶 绿素的清水反射率峰值在 绿光段，水中叶绿素越多 则峰值越高。这一特征可 监测和估算水藻浓度。 而浑浊水、泥沙水反射率 高于以上，峰值出现在黄 红区。
岩石的光谱曲线
岩石反射曲线无统一特 征，矿物成分、矿物含 量、风化程度、含水状 况、颗粒大小、表面光 滑度、色泽都有影响。 例如：浅色矿物与暗色 矿物对其影响较大，浅 色矿物反射率高，暗色 矿物反射率低。 自然界岩石多被植、被 土壤覆盖，所以与其覆 盖物也有关
ASD光谱仪测量地物反射率1
利用ASD光谱仪测量地物反射率的数据处理方法1安装ASD光谱仪配套的光谱数据处理软件ViewSpecPro;2•将ASD光谱仪配套笔记本电脑上面的光谱数据文件拷贝到本地硬盘；3. 打开ViewSpecPro软件，单击setup->input directory ,指定光谱数据的目录，如下图所示。
设置好输入目录后，会弹出如下对话框，问是否将输出目录设置和输入目录一直，这里一般选择是。
4. 打开输入目录下的全部光谱数据，根据现场记录选择若干条曲线，单击view->graph，便可以显示选中的光谱数据的曲线。
5•根据曲线图，删除有问题的曲线，将其他曲线取平均值。
即选中取要用来取平均值的曲线，单击process->statistics，然后点击0K ,程序便会输出平均值光谱，并在程序界面中显示。
6. 选中求好平均值的光谱，单击process->Acsii export,便可以将原来的二进制文件输入为文本文件，从而可以利用EXCEL或者其他程序进行后续计算。
7. 地物反射率=(地物DN值/白板DN值)X白板反射率。
白板反射率是事先通过实验室内定标得到的。
表面法水体光谱测量规范表面法水体光谱测量，应当遵循以下步骤：(1) 仪器提前预热，在船快要到达采样点时，先将ASD打开。
(2) 船停下后打开笔记本，打开RS3软件，设置保存路径：单击control->spectrum save(在C盘目录下以W点号为文件名，如W16;起始编号从000开始，文件名前缀为water)；⑶取消内部平均，具体做法如下图所示：单击control->adjust，将spectrum后面的数字改为1。
(4) 注意在软件操作界面中选择视场角是25度，或者raw bare.(5) 选择DN值测量。
(6) 优化(7) 暗电流测量(8) 标准板测量(探头垂直向下，离标准板约25厘米)10次;(9) 遮挡直射阳光的标准板测量(探头垂直向下) 10次;(10) 倾斜目标测量(探头向下，探头天底角为40度)20次;(11) 倾斜天空光测量(探头向上，探头天顶角为40度)10次；(12) 标准板测量(探头垂直向下)10次;(13) 遮挡直射阳光的标准板测量(探头垂直向下) 10次;这些目标的测量曲线每个不得少于10条,且测量时间至少跨越一个波浪周期，以修正因测量平台摇摆而导致的误差注意，尽量让仪器放到船的边缘，尽量让探头伸的更远，尽量使光纤与船弦垂直，同时满足观测几何，就是尽量和太阳成135度夹角。
地物光谱仪功能和原理
地物光谱仪功能和原理
地物光谱仪是一种用于测量地物（如植被、水体、土壤等）反射和辐射特性的仪器。
它能够测量不同波长下地物对光的响应，从而了解地物的光谱特征和组成。
地物光谱仪的功能包括：
1. 反射率测量：地物光谱仪可以测量地物在不同波长下的反射率，从而获得地物的光谱曲线。
2. 吸收特征分析：通过测量地物在不同波长下的光谱曲线，可以了解地物对特定波长光的吸收情况，从而分析地物的化学成分和物理特性。
3. 光谱比较：地物光谱仪可以将不同地物的光谱曲线进行对比分析，从而判断地物的分类和变化。
4. 地表温度测量：地物光谱仪可以通过测量地物在不同波长下的辐射能量，间接获得地表温度信息。
5. 多光谱影像获取：地物光谱仪可以通过获取多个波段的光谱信息，生成多光谱影像，用于地表覆盖分类、环境监测等应用。
地物光谱仪的工作原理主要基于以下几点：
1. 波长选择：地物光谱仪通常采用光栅或滤光片等装置，以选择特定的波长范围进行测量。
2. 光谱测量：地物光谱仪通过光学传感器记录地物在不同波长下的入射光强和反射光强，得到反射率的光谱曲线。
3. 数据处理与分析：地物光谱仪将测量得到的数据进行处理和分析，可以得到地物的光谱特性和光谱指数等指标，用于地物
分类和特征分析。
综上所述，地物光谱仪通过测量地物在不同波长下的反射和辐射特性，来获得地物的光谱特征和组成信息，用于环境监测、农林资源调查、地质勘探等领域。
典型地物波谱特征
典型地物波谱特征常见的典型地物波谱特征包括：1.植被：植被在可见光和近红外波段具有较高的反射率，尤其在红边波段表现出明显的反射峰。
而在短波红外和热红外波段，植被的反射率较低。
这一特征可以用来判断植被的分布和类型，以及监测植被的健康状况。
2.水体：水体通常在可见光波段具有较低的反射率，但在近红外波段具有较高的反射率。
这一特征可以用来区分水体和陆地，并进行水质监测和水资源管理。
3.土壤：不同类型的土壤在可见光和近红外波段的反射率有所不同，主要取决于土壤的颜色和成分。
比如，沙质土壤在可见光波段呈现较高的反射率，而黏土质土壤在近红外波段呈现较高的反射率。
土壤的波谱特征可以用来判断土壤质地和化学性质，以及进行土地利用和土地管理。
4.建筑和道路：建筑物和道路在可见光和近红外波段具有较高的反射率，而在短波红外和热红外波段具有较低的反射率。
这一特征可以用来判断城市区域的布局和发展情况，并进行城市规划和交通管理。
5.矿产资源：不同类型的矿产资源在不同波段的光谱中呈现出明显的特征。
比如，铁矿石在红外和热红外波段具有较高的反射率，而铜矿石在可见光和近红外波段具有较高的反射率。
这一特征可以用来探测和勘探矿产资源。
除了以上几类典型地物的波谱特征，还有其他一些特定地物的波谱特征。
比如，冰雪在可见光和近红外波段表现出较高的反射率，而沙漠和裸露的岩石在可见光和近红外波段表现出较低的反射率。
这些特征可以用来研究气候变化和地貌演化等领域。
总结起来，典型地物的波谱特征是由地物的物理和化学性质所决定的，不同的地物在不同波段的光谱中表现出不同的反射特征。
通过对这些特征的分析和识别，可以从遥感图像中提取有关地物的信息，并进行地物分类和目标检测，为地理信息系统和自然资源管理提供有力支持。
地物的反射光谱与地物波谱特性
地物的反射光谱曲线
不同的地物在不 同波段反射率存在差 异。
右图为雪地、小
麦地的光谱曲线。
植物反射波谱特性
由于植物均进行光合 作用，因此各类绿色植物 具有很相似的反射波谱特 性： 在可见光波段 0.55μm（绿光）附近有 反射率为10%-20%的一个 波峰； 在近红外波段0.81.0μm间有一个反射的陡 坡，至1.1μm附近有一个 峰值，形成植被的独有特 征。
地物的反射光谱
物体是反射波谱限于紫外、可见光
和近红外，尤其是后两波段。
物体的反射波谱是特征主要取决于该
物体与入射辐射相互作用的波长选择，即：
对入辐射是反射、吸收和投射的选择性，其 中反射作用是主要的。
地物的反射光谱
地物的反射光谱有如下特征： （1）不同的地物在不同波段反射率存在差异 （如雪地、小麦地的光谱曲线） （2）相同地物光谱曲线有相似性，但是也存在 差异性（如患虫害的小麦与正常小麦的光谱曲线） （3）地物光谱特征具有事件性和空间性（不同 时间与空间光谱特征不同
完善等很多问题仍然缺乏一套系统的、规范的我
国典型地物的波普数据。
国外地物波谱库研究现状
美国NASA于70年代初就初步建立了地
球资源信息系统（ERSIS）。包括植被、土
壤、岩矿和水体等2000余种地物的实验室 反射波谱数据。
地物波谱仪
地物波谱仪
逐渐摆脱“看图识字”的阶段，越来越依赖于地
物波谱特性的研究和发展。
我国地物波谱特性发展现状
地物波谱特性是遥感探测的基础，遥感优
化组合的依据，是定量遥感的技术与应用发展的 先决条件，但我国在地物波谱特性研究中还存在 在很多问题，尽管我国近年引进了一大批代表国 际前沿的地物波谱测试的设备，但其辅助装置不
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实习报告
实习题目：地物光谱测定
实习时间，地点：天山堂前面空地贺兰堂地信专业机房 实习目的：认识地物光谱反射率的规律，分析典型地物的光谱特征
使用仪器：地物光谱分析仪
测量目标的基本信息：草地，裸地，水泥路，红灌丛，绿灌丛
环境参数表：气温：18度
实习内容，实习步骤：1. 用ASD软件打开外业测量地物光谱数据，去除十条曲线中明显异常曲线
打开ASD软件→file→open→选中测得的十条曲线→打开→选择加载的十条数据→view→graph data→在空白处右击→customization dialog→axis→min/max(设置max为1)，根据图形删除其中一条或多条异常曲线（在目录中直接删除）
2.对符合条件的地物光谱曲线进行处理(导出每种地物的JPG、tab和平均值.mn数据)
①加载符合条件的曲线（方法与步骤1相同）→export→分别
选择jpg，设置输出路径和文件名，点击export即可
②求每种地物的平均值曲线
Process→statistics→选择mean→设置输出路径和文件名即可
对于上述导出的平均值曲线，点击export→分别选择text格式，设置输出路径和文件名，点击export即可导出.dat文件
3.处理数据
①对每种地物的jpg文件，只需要分析其曲线特征（联系地物实际特性来分析其在可见光（380-760nm）和近红外（760-1500nm）之间的光谱特征）
②将上述的dat文件（五个）分别用excel打开，并且计算红、绿、蓝波段的平均值，蓝光101-171，绿光171-251，红光281-341，将计算好的五组数据放入新的excel表中，并绘制折线图
③将步骤2中的各种地物平均值数据在ASD中打开，方法如步骤1所示，并将其按照jpg格式导出，并对其进行分析。
反射率曲线及分析：
0.65um之间，植被的反射率曲线出现了一个小波峰，由于这
个波段式可见光波段，说明植物叶绿素对蓝光和红光吸收作
用强，而对绿光的反射作用强，在0.7～0.8um之间出现了一
个陡坡，到1.1um附近有一峰值，这是植被特有的特征。
这
是由于植被叶细胞结构的影响，除了吸收和透射部分，形成
的高反射率。
在中红外波段（1.3～2.5um）受到植物水分量的
影响，吸收率大增，反射率大大下降，特别在1.45um，1.95um，
2.7um为中心是水的吸收带，形成低谷。
而在
水泥路：水泥路类似于岩石，没有统一的特征。
裸地：自然状态土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值，影响因素有土质的粗细，水的含量和有机质的含量。
土质越细，反射率越高，有机质含量和水分越高反射率越低，有图可见，
其曲线较平缓。
没有明显的波峰。
草地（分析在下面）
红灌丛（分析在下面）
绿灌从：（1）在可见光（绿光）波段，0.5～0.55um之间有一个波峰，这是由于叶绿素对红光和蓝光的吸收作用强，而对绿光的反射作用强，所以造成了在这个波段出现了波峰。
(2)比较红灌丛和绿灌丛，可以发现，虽然都是植被，但是反射率曲线有差异，早红灌丛的曲线中，波峰的位置比绿灌丛的要靠后些，大概在0.6～0.65之间，这说明这种红灌丛对红光的吸收作用和对绿光的反射作用没绿灌丛强烈，在中红外波段（1.3～2.5um）受到绿色植物含水量的影响，吸收率增大，反射率下降。
另外植物的的含水性在近红外波段也对反射率有影响。
(3)草地相对来说含水量较高，反射率较低，但是吸收率较高，在0.5um左右出现波峰。