第二章电磁辐射与地物光谱特征
·1.名词解释
（1）辐射亮度：由辐射表面一点处的单位面积在给定方向上的辐射强度称为辐射亮度。（2）普朗克热辐射定律：在一定温度下，单位面积的黑体在单位时间、单位立体角内和单位波长间隔内辐射出的能量为B(λ，T)=2hc2 /λ5 ·1/exp(hc/λRT)-1
（3）灰度波谱：用该类型在该波段上的灰度值反应的波谱曲线
（4）黑体辐射：任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领，为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。
（5）电磁波谱：将电磁波按大小排列制成图表。
（6）太阳辐射：太阳射出的辐射射线
（7）瑞利散射：大气中粒子的直径比波长小得多时发生的散射
（8）米氏散射：当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射
（9）地球辐射：地面吸收太阳辐射能后，向外辐射的射线。
（10）地物波谱特性：各种地物因种类和环境条件不同,都有不同的电磁波辐射或反射特性
（11）反射率：地物反射能量与入射总能量之比。
（12）比辐射率：某一物体在一特定波长和温度下的发射辐射强度与理想黑体在相同波长和温度下所发射的辐射强度之比。
后向散射
·2.问答题
（1）地球辐射的分段特性是什么？
当太阳辐射到达地表后，就短波而言，地表反射的太阳辐射成为地表的主要辐射来源，而来自地球本身的辐射，几乎可以忽略不计。地球自身的辐射主要集中在长波，即6um以上的热红外区段，该区段太阳辐射的影响几乎可以忽略不计，因此只考虑地表物体自身的热辐射。两峰交叉之处是两种辐射共同其作用的部分，在2.5~6um，即中红外波段，地球对太阳辐照的反射和地表物体自身的热辐射均不能忽略。
（2）什么是大气窗口?试写出对地遥感的主要大气窗口
答：大气窗口的定义：通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的，透过率较高
的波段成为大气窗口。
包括：部分紫外波段，0.30
m
μ
~0.40
m
μ
，70%透过。
全部可见光波段，0.40
m
μ
~0.76
m
μ
，95%透过。
部分近红外波段，0.76
m
μ
~1.3
m
μ
，80%透过。
近红外窗口：1.5
m
μ
~2.4
m
μ
，90%透过，可区分蚀变岩石。
包括两个小窗口：1.5
m
μ
~1.75
m
μ
2.1
m
μ
~2.4
m
μ
。
中红外窗口：3.5
m
μ
~5.5
m
μ
，反射和发射并存。
包括两个小窗口（反射和发射混合光谱）：3.5
m
μ
~4.2
m
μ
4.6
m
μ
~5
m
μ
远红外窗口：8
m
μ
~14
m
μ
，发射电磁波，热辐射。
微波窗口：0.5cm~300cm
实验1 可见光与近红外波谱测试 1.1实习概述 按照国家光谱数据库数据测试参考标准选择典型进行地物反射、发射光谱测试。根据所测的光谱曲线特征选择最佳遥感波段和最佳遥感时间。 1.2实习目的 ①掌握地物反射、发射光谱特性的基本概念，特点； ②掌握典型地物光谱的测试方法和实验数据分析处理的基本流程和方法； ③分析影响地物波谱特性测定的因素；了解地物表面不同几何状况、含水状况、 风化状况、粗糙程度对反射、发射光谱的影响；了解多种地物光谱随时间变化的特征与规律；了解入射和观测角度变化对地物光谱的影响。 ④培养学生理论联系实际及知识的综合运用能力，为后续专业课程学习创造条 件。 1.3实习任务 测量试验区的植被、水、土壤、道路的光谱特性。要求测定不同植被、水、土壤、道路的波谱特性曲线，即每类地物至少选择5个小类（或样本）。 ①清水、营养化水、污染水反射光谱、发射光谱测试与特征分析； ②不同覆盖度、不同长势植被覆盖反射光谱、发射光谱测试与特征分析； ③城乡非自然目标反射光谱、发射光谱测试与特征分析； ④土壤反射光谱、发射光谱测试与特征分析； ⑤岩石反射光谱、发射光谱测试与特征分析。 要求：上述5个实验根据具体情况必作2个，选作1个。
1.4设备（软件）及资料准备 1.4.1 实习设备及软件 测定地物反射光谱特性的仪器是可见光、近红外光谱仪。仪器由收集器、分光器、探测器和显示或记录器组成。测定地物发射光谱特性的仪器是热红外波谱仪、热红外辐射计。 1.4.2 实习前准备工作 1.4. 2.1 光谱测试仪器的标定 测量仪器在采集数据前必须通过指定的定标实验室的定标检测，检验仪器的工作性能。仪器的定标在室定标和实验场地现场定标，并在提交数据时附上相应测量仪器的定标报告。若对同一种典型地物（农作物、岩矿、水体等）的相同观测项目采用不同型号的测量仪器，则必须在观测实验前到指定的实验室或实验场进行统一校准和比对：即在相同的条件下，同时测量同一目标，进行归一化处理，分析各仪器的误差，以精度高的仪器为准，进行误差订正，并在提交数据时应附上相应测量仪器的比对报告。其中波谱仪与辐射计的性能要求为： ⑴可见光、近红外波段波谱仪 ①波谱仪读数时间漂移最大值，在0.38－1.1μm 围平均不得超过3％； ②波谱仪的读数的线性度误差不得超过1％； ③波谱仪在0.38－1.1μm 围波长绝对误差平均不得超过0.8nm。 ⑵短波红外波段波谱仪 ①在1.1－2.5μm 围波谱仪读数时间漂移最大值，平均不得超过5％； ②波谱仪读数的线性度误差不得超过3％；
实验一 地物光谱反射率的野外测定 一、实验目的 1、学习地物光谱的测定方法 2、认识地物光谱反射率的规律 3、掌握绘制地物反射光谱曲线的方法 二、原理及方法 地物光谱反射率的野外测定原理主要是利用电磁辐射和各地物光谱特征进行测定（参照课本）。 实验采用垂直测量方法，计算公式为： ()()()() λρλλλρs Vs V ?= 式中， ()λρ为被测物体的反射率，()λρs 为标准板的反射率，()λV ，()λVs 分别为测量 物体和标准板的仪器测量值。 三、实验仪器 1、可见光－近红外光谱辐射计，波长范围0.4—2.5μm(有0.4—1.1μm 或1.3—2.5μm 二种仪器)，仪器性能稳定，携带方便，数据提取容易。表1.1列出了目前常用的光谱仪。 2、标准参考板（白板或灰板）。 表1.1常见的光谱辐射仪
四、实验步骤 1、测量目标和条件的选择 环境：无严重大气污染，光照稳定，无卷云或浓积云，风力小于3级，避开阴影和强反射体的影响（测量者不穿白色服装）。 时间：地方时9：30—14：30。 取样：选择物体自然状态的表面作为观测面，取样面积大于地物自然表面起伏和不均匀的尺度，被测目标面要充满视场。 标准板：标准板表面与被测地物的宏观表面相平行，与观测仪器等距，并充满仪器视场，保证板面清洁。 2、记录测量目标基本信息 主要内容如下： 土壤：土类、土属、土种；地貌类型、成土母质、侵蚀状况；干湿度、粗糙度等。 植被：植物名称、所属类别、覆盖率、生长状况、叶色、高度等。 水体：水体名称、水体状况、水色、水温、透明度、泥沙含量、叶绿素含量、污染状况等。 人工目标：目标名称、内容描述、估算面积、几何特征、表面颜色、坡度、坡面等。 岩矿：岩矿名称、所属类别、植被覆盖及名称、土壤覆盖及名称、岩矿露头面积、所属构造、地质年代、风化状况等。 3、记录环境参数 主要内容如表1.2，内容由教学教师定，制成表格填写。见附表。 4、安装仪器开始测试 ①对准标准板，读取数据为Vs。 ②移开标准板对准地物，读取数据Vg。 ③重复步骤①②，测量5—9次，记录数据，计算平均值。 ④更换目标，做好信息记录，重复①—③步骤。 ⑤整理数据，根据上述公式计算反射率 ()λ ρg ，标准 ()λ ρs 为已知值。 仪器安装注意事项： 测量高度：仪器保持水平架设，离被测地物表面距离不小于1m。 几何关系：仪器轴线与天顶的倾斜角<±2°，标准面水平放置。
注：教师讲稿附后
第2章电磁辐射与地物光谱特征 2.1 电磁波谱与电磁辐射 2.1.1 电磁波谱（1-16） 1、波：振动的传播称为波。（纵波、横波） 2、电磁波：电磁振动的传播。 3、电磁波的性质：横波、真空中以光速传播、波粒二象性。 4、电磁波谱：按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排列，构成电磁波谱。 2.1.2 电磁辐射的度量（17-22） 1、辐射源：任何物体都是辐射源。不仅是发光、发热的物体，发出其它波段电磁波的物体也是辐 射源。 2、辐射能量： 1）辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位J； 2）辐射通量（φ）：在单位时间内通过某一面积的辐射能量，单位W=J/S 3）辐射通量密度（E）：单位面积上的辐射通量，单位W/m2. ◆辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，记为: I=dΦ/dS，单位是W/m2, S 为面积。 ◆辐射出射度(M)：温度为T的辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，记为:M=dΦ/dS，单 位也是W/m2，S为面积。 4）辐射强度：是描述点辐射源的辐射特性的，指在某一方向上单位立体角内的辐射通量。 5）辐射亮度（L）：描述面辐射源的辐射特性的，指在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量。L=φ/[Ω（Acosθ）]。 6）朗伯源：辐射亮度L与观察角θ无关的辐射源。 2.1.3 黑体辐射（23-35） 1、绝对黑体：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体称为绝对黑体。 2、黑体辐射规律：普朗克公式 （1）斯忒藩一玻尔兹曼定律 （2）维恩位移定律 （3）瑞利-金斯定律 3、实际物体的辐射 （1）基尔霍夫定律 （2）实际物体的辐射 （3）例子：P23
地物光谱仪在野外光谱测量中的使用（一） 论文关键词地物光谱仪；野外测量；工作规范 论文摘要在遥感技术中，为了更精确地判读多光谱图像，掌握地面上各种地物的光谱辐射特性是十分重要的。介绍FieldSpec?悖HandHeld手持便携式 光谱分析仪的测量原理方法、工作规范及注意事项，概要地说明了影响光谱测量的因素。 在遥感领域中，为了研究各种不同地物或环境在野外自然条件下的可见和近红外波段反射光谱，需要适用于野外测量的光谱仪器。对野外地物光谱进行测量，我们使用的是美国 ASD公司FieldSpec?悖HandHeld手持便携式光谱分析仪。其主要技术指标为：波长范围为 300~1100nm光谱采样间隔为1.6nm, 灵敏度线性：土1% FieldSpec?悖HandHeld手持便携式光谱分析仪可用于户外目标可见一近红外波段的光谱辐射测量。该光谱仪在户外主要利用太阳辐射作为照明光源，利用响应度定标数据，可测量并获得地物目标的光谱辐亮度；利用漫反射参考板对比测量，可获得目标的反射率光谱信息；通过对经过标定的漫反射参考板的测量，可获得地面的总照度以及直射、漫射照度光谱信息；利用特定的辅助测量机械装置，可获得地面目标的BRDF（方向反射因子）光谱信 息参数。 为了使地物光谱数据可靠和高的质量，使数据便于对比和应用，有必要提出地物光谱测试规范和测量要求。 1仪器的标准和标定 1.1光谱分辨率 实用分辨宽度对0.04~1.10卩m小于5nm 1.1~2.5卩m小于15nm。对于FieldSpec?悖HandHeld手持便携式光谱分析仪，起始波长为325nm终止波长 为1075nm波长步长为1nm则光谱分辨率取3nm 1.2线性标定 线性动态范围有3个量级，最大信号对应为0.8~1.0，太阳常数照明的白板（V 90%）峰值响应输出。线性误差小于 3%（回归误差）。 1.3光谱响应度的标定 反射率小于、等于15%（大于1%）的目标，信噪比应大于10。反射率大于15%的目标，信噪比应大于20。 2野外测定方法与工作规范 2.1目标选取 选取测量目标要具有代表性，应能真实反映被测目标的平均自然性。对于植被冠层及用物的测量应考虑目标和背景的综合效应。 2.2能见度的要求
1、地面光谱测量的作用： ①地面光谱辐射计在成像光谱仪过顶时，常用于地面野外或实验室同步观测，获取下 行太阳辐射，以用于遥感器定标。 ②在一些反射率转换模型中，需要引入地面光谱辐射计测取得地面点光谱来完成 DN 值图像到反射率图像的转换。 ③地面光谱辐射计可以为图像识别获取目标光谱和建立特征项。但是，这时地面光谱 测量要在空间尺度上与图像像元尺度相对应，且要具有代表性；另外，地面光谱测 量要与高光谱图像获取条件相一致。 ④通过地面光谱辐射计测量数据和地面模拟，可以帮助人们了解某一地物被高光谱遥 感探测的可能性，理解其辐射特性，确定需要采用的探测波长、光谱分辨率、探测 空间分辨率、信噪比、最佳遥感探测时间等重要参数。 ⑤地面光谱辐射计还可以勇于地面地质填图。它可以用于矿物的光谱吸收特征，识别 地面矿物或矿物的集合，从而直接完成野外矿物填图。 ⑥可以用来建立地物的表面方向性光谱反射特性。 ⑦建立目标地面光谱数据与目标特性间的定量关系。 2、高光谱成像特点： ①高光谱分辨率。高光谱成像光谱仪能获得整个可见光、近红外、短波红外、热红外 波段的多而窄的连续光谱，波段多至几十甚至数百个，其分辨率可以达到纳米级， 由于分辨率高，数十、数百个光谱图像可以获得影像中每个像元的精细光谱。 ②图谱合一。高光谱遥感获取的地表图像包含了地物丰富的空间、辐射和光谱三重信 息，这些信息表现了地物空间分布的影像特征，同时也可能以其中某一像元或像元 组为目标获得他们的辐射强度以及光谱特征。 ③光谱波段多，在某一光谱段范围内连续成像。成像光谱仪连续测量相邻地物的光谱 信号，可以转化城光谱反射曲线，真实地记录了入射光被物体所反射回来的能量百 分比随波长的变化规律。不同物质间这种千差万别的光谱特征和形态也正是利用高 光谱遥感技术实现地物精细探测的应用基础。 3、高光谱遥感图像数据表达： ①图像立方体——成像光谱信息集。 ②二维光谱信息表达——光谱曲线。 ③三维光谱信息表达——光谱曲线图。（书本44页） 4、成像光谱仪的空间成像方式： （1）摆扫型成像光谱仪。摆扫型成像光谱仪由光机左右摆扫和飞行平台向前运动完成二维空间成像，其线列探测器完成每个瞬时视场像元的光谱维获取。扫描镜对地左右平行扫描成像，即扫描的运动方向与遥感平台运动方向垂直。其优点：可以得到很大的总视场，像元配准好，不同波段任何时候都凝视同一像元；在每个光谱波段只有一个探测元件需要定标，增强了数据的稳定性；由于是进入物镜后再分光，一台仪器的光谱波段范围可以做的很宽，比如可见光一直到热红外波段。其不足之处是：由于采用光机扫描，每个像元的凝视时间相对就很短，要进一步提高光谱和空间分辨率以及信噪比比较困难。 （2）推扫型成像光谱仪。是采用一个垂直于运动方向的面阵探测器，在飞行平台向前运动中完成二维空间扫描，它的空间扫描方向是遥感平台运动方向。其优点是：像元的凝视
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：
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。便携式光谱仪是“我国典型地物标准波谱数据库”获取光谱数据的主要设备。
第二章电磁辐射与地物光谱特征 ·名词解释 辐射亮度：由辐射表面一点处的单位面积在给定方向上的辐射强度称为辐射亮度。 普朗克热辐射定律：在一定温度下，单位面积的黑体在单位时间、单位立体角内和单位波长间隔内辐射出的能量为B(λ，T)=2hc2 /λ5 ·1/exp(hc/λRT)-1 灰度波谱：用该类型在该波段上的灰度值反应的波谱曲线 黑体辐射：任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领，为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。 电磁波谱：将电磁波按大小排列制成图表。 太阳辐射：太阳射出的辐射射线 瑞利散射：大气中粒子的直径比波长小得多时发生的散射 米氏散射：当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射 地球辐射：地面吸收太阳辐射能后，向外辐射的射线。 地物波谱特性：各种地物因种类和环境条件不同,都有不同的电磁波辐射或反射特性 反射率：地物反射能量与入射总能量之比。 比辐射率：某一物体在一特定波长和温度下的发射辐射强度与理想黑体在相同波长和温度下所发射的辐射强度之比。 后向散射 ·问答题 地球辐射的分段特性是什么？ 当太阳辐射到达地表后，就短波而言，地表反射的太阳辐射成为地表的主要辐射来源，而来自地球本身的辐射，几乎可以忽略不计。地球自身的辐射主要集中在长波，即6um以上的热红外区段，该区段太阳辐射的影响几乎可以忽略不计，因此只考虑地表物体自身的热辐射。两峰交叉之处是两种辐射共同其作用的部分，在2.5~6um，即中红外波段，地球对太阳辐照的反射和地表物体自身的热辐射均不能忽略。 什么是大气窗口?试写出对地遥感的主要大气窗口 答：大气窗口的定义：通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的，透过率较高 的波段成为大气窗口。 包括：部分紫外波段，0.30 m μ~0.40m μ，70%透过。 全部可见光波段，0.40 m μ~0.76m μ，95%透过。 部分近红外波段，0.76 m μ~1.3m μ，80%透过。 近红外窗口：1.5 m μ~2.4m μ，90%透过，可区分蚀变岩石。 包括两个小窗口：1.5 m μ~1.75m μ 2.1 m μ~2.4m μ。 中红外窗口：3.5 m μ~5.5m μ，反射和发射并存。 包括两个小窗口（反射和发射混合光谱）：3.5 m μ~4.2m μ 4.6 m μ~5m μ 远红外窗口：8 m μ~14m μ，发射电磁波，热辐射。 微波窗口：0.5cm~300cm
第二章电磁辐射与地物光谱特征 一、名词解释： 1、遥感 2、后向散射 3、电磁波 4、电磁波谱 5、绝对黑体 6、瑞利散射 7、灰体 8、绝对温度 9、辐射温度 10、光谱辐射通量密度 11、大气窗口 12、发射率 13、米氏散射 14、地球辐射 15、反射率 16、光谱反射特性曲线 17、普朗克热辐射定律 18、太阳辐射 19、地物波谱特征 二、填空题： 1、电磁波谱按频率由高到低排列主要由、、、、、 、等组成。 2、绝对黑体辐射通量密度是和的函数。 3、一般物体的总辐射通量密度与和成正比关系。 4、维恩位移定律表明绝对黑体的乘是常数2897.8。当绝对黑体的温度增高时，它的辐射峰值波长向方向移动。 5、大气层顶上太阳的辐射峰值波长为μm 三、选择题：(单项或多项选择) 1.绝对黑体的①反射率等于1 ②反射率等于0 ③发射率等于1 ④发射率等于0。 2.物体的总辐射功率与以下那几项成正比关系①反射率②发射率③物体温度一次方④物体温度二次方⑤物体温度三次方⑥物体温度四次方。 3.大气窗口是指①没有云的天空区域②电磁波能穿过大气层的局部天空区域 ③电磁波能穿过大气的电磁波谱段④没有障碍物阻挡的天空区域。 4.大气瑞利散射①与波长的一次方成正比关系②与波长的一次方成反比关系③与波长的二次方成正比关系④与波长的二次方成反比关系⑤与波长的四次方成正比关系⑥与波长的四次方成反比关系⑦与波长无关。 5.大气米氏散射①与波长的一次方成正比关系②与波长的一次方成反比关系 ③与波长无关。 四、问答题：
1.电磁波谱由哪些不同特性的电磁波组成？它们有哪些不同点，又有哪些共性？ 2.物体辐射通量密度与哪些因素有关？常温下黑体的辐射峰值波长是多少？ 3.叙述沙土、植物和水的光谱反射率随波长变化的一般规律。 4.地物光谱反射率受哪些主要的因素影响？ 5.何为大气窗口？分析形成大气窗口的原因，并列出用于从空间对地面遥感的大气窗口的波长范围。 6.传感器从大气层外探测地面物体时，接收到哪些电磁波能量？ 7.地球辐射的分段特性是什么？ 8.简介地物波谱的特征。
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
第二章电磁辐射与地物光谱特征 ·1.名词解释 （1）辐射亮度：由辐射表面一点处的单位面积在给定方向上的辐射强度称为辐射亮度。（2）普朗克热辐射定律：在一定温度下，单位面积的黑体在单位时间、单位立体角内和单位波长间隔内辐射出的能量为B(λ，T)=2hc2 /λ5 ·1/exp(hc/λRT)-1 （3）灰度波谱：用该类型在该波段上的灰度值反应的波谱曲线 （4）黑体辐射：任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领，为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。 （5）电磁波谱：将电磁波按大小排列制成图表。 （6）太阳辐射：太阳射出的辐射射线 （7）瑞利散射：大气中粒子的直径比波长小得多时发生的散射 （8）米氏散射：当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射 （9）地球辐射：地面吸收太阳辐射能后，向外辐射的射线。 （10）地物波谱特性：各种地物因种类和环境条件不同,都有不同的电磁波辐射或反射特性 （11）反射率：地物反射能量与入射总能量之比。 （12）比辐射率：某一物体在一特定波长和温度下的发射辐射强度与理想黑体在相同波长和温度下所发射的辐射强度之比。 后向散射 ·2.问答题 （1）地球辐射的分段特性是什么？ 当太阳辐射到达地表后，就短波而言，地表反射的太阳辐射成为地表的主要辐射来源，而来自地球本身的辐射，几乎可以忽略不计。地球自身的辐射主要集中在长波，即6um以上的热红外区段，该区段太阳辐射的影响几乎可以忽略不计，因此只考虑地表物体自身的热辐射。两峰交叉之处是两种辐射共同其作用的部分，在2.5~6um，即中红外波段，地球对太阳辐照的反射和地表物体自身的热辐射均不能忽略。 （2）什么是大气窗口?试写出对地遥感的主要大气窗口 答：大气窗口的定义：通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的，透过率较高 的波段成为大气窗口。 包括：部分紫外波段，0.30 m μ ~0.40 m μ ，70%透过。 全部可见光波段，0.40 m μ ~0.76 m μ ，95%透过。 部分近红外波段，0.76 m μ ~1.3 m μ ，80%透过。 近红外窗口：1.5 m μ ~2.4 m μ ，90%透过，可区分蚀变岩石。 包括两个小窗口：1.5 m μ ~1.75 m μ 2.1 m μ ~2.4 m μ 。 中红外窗口：3.5 m μ ~5.5 m μ ，反射和发射并存。 包括两个小窗口（反射和发射混合光谱）：3.5 m μ ~4.2 m μ 4.6 m μ ~5 m μ 远红外窗口：8 m μ ~14 m μ ，发射电磁波，热辐射。 微波窗口：0.5cm~300cm
【ENVI入门系列】16.基本光谱分析 (2014-09-30 17:38:25) 转载▼ 分类：ENVI 标签： 杂谈 版权声明：本教程涉及到的数据仅供练习使用，禁止用于商业用途。 目录 基本光谱分析 1.概述 2.详细操作步骤 2.1标准波谱库与浏览 2.2波谱库创建 2.3高光谱地物识别 2.3.1从标准波谱库选择端元进行地物识别 2.3.2自定义端元进行地物识别 1. 概述 光学遥感技术的发展经历了：全色（黑白）—>彩色摄影—>多光谱扫描成像—>高光谱遥感四个历程。 高光谱分辨率遥感（HyperspectralRemote Sensing）用很窄（小于10nm）而连续的光谱通道对地物持续遥感成像的技术。在可见光到短波红外波段其光谱分辨率高达纳米
(nm)数量级，通常具有波段多的特点，光谱通道数多达数十甚至数百个以上，而且各光谱通道间往往是连续的，因此高光谱遥感又通常被称为成像光谱（Imaging Spectrometry）遥感。相比多光谱传感器，如Landsat8 OLI包括9个波段，光谱分辨率为106nm。 如下图为从多光谱和高光谱数据上获取的波谱曲线，更高波谱分辨率的图像可以用于识别物质，而相比多光谱图像，如TM只能用于区分物质。 图：从多光谱和高光谱数据上获取的波谱曲线对比 本课程学习ENVI的高光谱基本分析功能，包括波谱库的浏览与创建、基本的高光谱物质识别流程。 2. 详细操作步骤 2.1 标准波谱库与浏览
ENVI自带多种标准波谱库，包括建立在JPL波谱库基础上的，从0.4~2.5μm三种不同粒径160种"纯"矿物的波谱。美国USGS从0.4~2.5μm包括近500种典型的矿物和一些植被波谱。来自Johns Hopkins University（JHU）的波谱包含0.4~14μm。IGCP246波谱库有5部分组成，通过对26个优质样品用5个不同的波谱仪测量获得。植被波谱库由Chris Elvidge 提供，范围是0.4~2.5μm。ENVI 5.1波谱库中新增了2443种Aster的波谱文件，同时对应的波谱工具也有了很大的该进，用户可直观地看到每一种波谱库中的文件个数，以及更为方便的查看每一种波谱文件的波谱曲线。 ENVI的波谱库文件存放在HOME\ Program Files\Exelis\ENVI51\classic\spec_lib。 启动ENVI 5.1，主菜单> Display > Spectral Library View，在对话框中显示的就是ENVI自带的波谱库文件； 图：ENVI自带波谱库文件 （1）选择打开Veg_lib（99）中的几个植被波谱文件； 在vegetation波谱库中选择6种不同植被的波谱曲线，在下图可以看到起对应的波谱曲线，以及波谱文件的属性信息，包括常规信息和曲线信息。
实验一 地物光谱反射率的野外测定 一 实验目的 1、学习地物光谱的测定方法 2、认识地物光谱反射率的规律 3、掌握绘制地物反射光谱曲线的方法 二 原理及方法 地物光谱反射率的野外测定原理主要是利用电磁辐射和各地物光谱特征进行测定（参照课本）。 实验采用垂直测量方法，计算公式为： ()()() () λρλλλρs Vs V ?= 式中， () λρ为被测物体的反射率，()λρs 为标准板的反射率， () λV ， () λVs 分别为测量 物体和标准板的仪器测量值。 三 实验仪器 1、可见光－近红外光谱辐射计，波长范围0.4—2.5μm(有0.4—1.1μm 或1.3—2.5μm 二种仪器)，仪器性能稳定，携带方便，数据提取容易。表1.1列出了目前常用的光谱仪。 2、标准参考板（白板或灰板）。 表1.1常见的光谱辐射仪
四实验步骤 1、测量目标和条件的选择 环境：无严重大气污染，光照稳定，无卷云或浓积云，风力小于3级，避开阴影和强反射体的影响（测量者不穿白色服装）。 时间：地方时9：30—14：30。 取样：选择物体自然状态的表面作为观测面，取样面积大于地物自然表面起伏和不均匀的尺度，被测目标面要充满视场。 标准板：标准板表面与被测地物的宏观表面相平行，与观测仪器等距，并充满仪器视场，保证板面清洁。 2、记录测量目标基本信息 主要内容如下： 土壤：土类、土属、土种；地貌类型、成土母质、侵蚀状况；干湿度、粗糙度等。 植被：植物名称、所属类别、覆盖率、生长状况、叶色、高度等。 水体：水体名称、水体状况、水色、水温、透明度、泥沙含量、叶绿素含量、污染状况等。 人工目标：目标名称、内容描述、估算面积、几何特征、表面颜色、坡度、坡面等。 岩矿：岩矿名称、所属类别、植被覆盖及名称、土壤覆盖及名称、岩矿露头面积、所属构造、地质年代、风化状况等。 3、记录环境参数 主要内容如表1.2，内容由教学教师定，制成表格填写。见附表。 4、安装仪器开始测试 ①对准标准板，读取数据为Vs。 ②移开标准板对准地物，读取数据Vg。 ③重复步骤①②，测量5—9次，记录数据，计算平均值。 ④更换目标，做好信息记录，重复①—③步骤。 ⑤整理数据，根据上述公式计算反射率 ()λ ρg ，标 ()λ ρs 为已知值。 仪器安装注意事项： 测量高度：仪器保持水平架设，离被测地物表面距离不小于1m。 几何关系：仪器轴线与天顶的倾斜角<±2°，标准面水平放置。
地物光谱仪在光谱测量中的使用 在遥感领域中，为了研究各种不同地物或环境在野外自然条件下的可见和近红外波段反射光谱，需要适用于野外测量的光谱仪器。对野外地物光谱进行测量，我们使用的是美国asd公司fieldspec?誖handheld手持便携式光谱分析仪。其主要技术指标为：波长范围为300~1100nm，光谱采样间隔为1.6nm，灵敏度线性：±1%。fieldspec?誖handheld手持便携式光谱分析仪可用于户外目标可见—近红外波段的光谱辐射测量。该光谱仪在户外主要利用太阳辐射作为照明光源，利用响应度定标数据，可测量并获得地物目标的光谱辐亮度；利用漫反射参考板对比测量，可获得目标的反射率光谱信息；通过对经过标定的漫反射参考板的测量，可获得地面的总照度以及直射、漫射照度光谱信息；利用特定的辅助测量机械装置，可获得地面目标的brdf(方向反射因子)光谱信息参数。 为了使地物光谱数据可靠和高的质量，使数据便于对比和应用，有必要提出地物光谱测试规范和测量要求。 1仪器的标准和标定 1.1光谱分辨率 实用分辨宽度对0.04~1.10μｍ小于5nm，1.1~2.5μm小于15nm。对于fieldspec?誖handheld手持便携式光谱分析仪，起始波长为325nm，终止波长为1075nm，波长步长为1nm，则光谱分辨率取3nm。 1.2线性标定 线性动态范围有3个量级，最大信号对应为0.8~1.0，太阳常数照明的白板(＜90％)峰值响应输出。线性误差小于3％(回归误差)。 1.3光谱响应度的标定 反射率小于、等于15％(大于1％)的目标，信噪比应大于10。反射率大于15％的目标，信噪比应大于20。 2野外测定方法与工作规范 2.1目标选取 选取测量目标要具有代表性，应能真实反映被测目标的平均自然性。对于植被冠层及用物的测量应考虑目标和背景的综合效应。 2.2能见度的要求
本书汇集了课题的主要研究成果。其中，第一章总结自课题建议立项以来波谱知识库建设的基本思路；第二章论述波谱数据、模型、知识、影像四库合一的知识库系统结构和设计实现；第三章以课题数据质量控制过程为线索，汇总课题组在地物波谱和配套参数测量、数据汇总等标准规范的制定、数据审核等方面的成果和经验；第四章详细论述农作物波谱数据和知识构建的研究成果；第五章详细论述岩矿波谱数据和知识构建的研究成果；第六章详细论述水体波谱数据和知识构建的研究成果；第七章介绍波谱库数据和模型在农业、矿产资源调查和水环境监测方面的应用示范；第八章简单介绍波谱库运行系统的主要功能和用户使用方法。 内容简介 中国典型地物波谱知识库建设旨在建立集地物波谱测量数据、遥感图像数据、遥感先验知识数据、遥感分析模型于一体的地物波谱知识库，成为遥感科学数据平台和联系遥感基础研究与遥感应用的桥梁。本书主要介绍中国典型地物波谱知识库建设的科学思路、典型地物波谱和配套参数数据、遥感模型和背景知识、地物波谱库系统设计与技术实现、地物波谱数据测量标准规范、地物波谱数据的应用示范等研究成果。 本书可作为从事定量遥感基础研究、遥感技术与遥感应用研究的科研人员和相关专业研究生的参考书，并为中国典型地物波谱知识库系统提供使用指导。 目录 序 前言 第一章构建地物波谱知识库的科学思路 第一节定量遥感与地物波谱数据库 第二节地物波谱数据的多尺度特征、遥感模型与知识构建 一、材料波谱、端元波谱和遥感像元波谱
二、遥感模型与波谱模拟 三、波谱数据库中的知识构建 第三节地物波谱知识库与地表参数的遥感反演 第四节典型地物标准波谱知识库一期建设的主要成果第五节地物波谱知识库应用中的科学问题 参考文献 第二章地物波谱知识库系统 第一节地物波谱知识库系统设计简介 一、地物波谱知识库系统设计的基本原则 二、地物波谱知识库系统组成与结构 第二节地物波谱知识库设计 一、地面观测波谱数据库 二、遥感影像数据库 三、遥感模型库 第三节地物波谱知识库系统功能模块 第四节地物波谱数据库的开发与运行环境 参考文献 第三章地物波谱库数据质量控制与标准规范 第一节地物波谱库数据的质量控制方案 一、数据测量标准规范 二、测量仪器 三、数据采集 四、数据处理、收集与汇总
遥感原理与应用 课堂实验报告 实验一地物光谱反射率的野外测定 姓名：袁程 学号：311405040226 班级：自环14-02 实验成绩及评价： □优秀：准确理解各项实习内容的基本原理，独立完成各项实习任务，软件操作熟练，实验结果正确，精度满足规范要求。实验报告格式规范，能对实验内容进行全面、系统的总结，并能运用学过的理论知识对某些问题加以分析，并有某些独到见解。实践态度端正，实践期间无违纪行为。 □良好：能够较好的理解各项实习内容的基本原理，能够独立完成各项实习任务，软件操作较为熟练，实验结果正确，精度满足规范要求。实验报告格式规范、内容完整，能对实验内容进行比较全面、系统的总结。实践态度端正，实践期间无违纪行为。 □中等：理解各项实习内容的基本原理，基本能够独立完成各项实习任务，软件操作正确，实验结果正确，精度满足规范要求。实验报告格式规范、内容完整，能对实验内容进行比较全面的总结。实践态度端正，实践期间无违纪行为。 □及格：基本能够理解各项实习内容的基本原理，能够完成各项实习任务，实验结果基本正确，达到实验大纲中规定的基本要求。能完成实验报告，报告格式规范，但不够完整。实践态度基本端正，实践中虽有轻微违纪行为，但能深刻认识、及时纠正。 □不及格：凡具备下列条件者，均以不及格论。 （1）实验未达到大纲中规定的基本要求，实验报告、计算成果抄袭别人、或马虎潦草、或内容有明显错误、或计算结果错误。 （2）未能参加实验者； （3）实验中有违纪行为，教育不改，或有严重违纪行为者。 指导教师：于海洋
实验一地物光谱反射率的野外测定 一、 实验目的 1、学习地物光谱的测定方法 2、认识地物光谱反射率的规律 3、掌握绘制地物反射光谱曲线的方法 4、时间：2017.3.8 5、小组成员：徐阳袁程王昕宇赵子文张赟鑫罗亚楠 二、原理及方法 地物光谱反射率的野外测定原理主要是利用电磁辐射和各地物光谱特征进行测定（参照课本）。 实验采用垂直测量方法，计算公式为： 式中，为被测物体的反射率，为标准板的反射率，，分别为测量物体和标准板的仪器测量值。 三、实验仪器 1、可见光－近红外光谱辐射计，波长范围0.4—2.5μm(有0.4—1.1μm 或1.3—2.5μm 二种仪器)，仪器性能稳定，携带方便，数据提取容易。表1.1列出了目前常用的光谱仪。实验中使用美国的ADS FieldSpec pro 光谱仪。 2、标准参考板（白板或灰板）。 表1-1常见的光谱辐射仪 ()()()()λρλλλρs Vs V ?=()λρ()λρs ()λV ()λVs
地物光谱仪在野外光谱测量中的使用 论文关键词地物光谱仪；野外测量；工作规范 论文摘要在遥感技术中，为了更精确地判读多光谱图像，掌握地面上各种地物的光谱辐射特性是十分重要的。介绍FieldSpec?誖 HandHeld 手持便携式光谱分析仪的测量原理方法、工作规范及注意事项，概要地说明了影响光谱测量的因素。 在遥感领域中，为了研究各种不同地物或环境在野外自然条件下的可见和近红外波段反射光谱，需要适用于野外测量的光谱仪器。对野外地物光谱进行测量，我们使用的是美国ASD公司FieldSpec?誖HandHeld 手持便携式光谱分析仪。其主要技术指标为：波长范围为300~1 100nm，光谱采样间隔为 1．6nm，灵敏度线性：±1%。FieldSpec?誖HandHeld手持便携式光谱分析仪可用于户外目标可见—近红外波段的光谱辐射测量。该光谱仪在户外主要利用太阳辐射作为照明光源，利用响应度定标数据，可测量并获得地物目标的光谱辐亮度；利用漫反射参考板对比测量，可获得目标的反射率光谱信息；通过对经过标定的漫反射参考板的测量，可获得地面的总照度以及直射、漫射照度光谱信息；利用特定的辅助测量机械装置，可获得地面目标的BRDF（方向反射因子）光谱信息参数。 为了使地物光谱数据可靠和高的质量，使数据便于对比和应用，有必要提出地物光谱测试规范和测量要求。 1仪器的标准和标定 1．1光谱分辨率 实用分辨宽度对0．04~1．10μm小于5nm，1．1~2．5μm小于15nm。对于FieldSpec?誖HandHeld 手持便携式光谱分析仪，起始波长为325nm，终止波长为1 075nm，波长步长为1nm，则光谱分辨率取3nm。 1．2线性标定 线性动态范围有3个量级，最大信号对应为0．8~1．0，太阳常数照明的白板（<90%）峰值响应输出。线性误差小于3%（回归误差）。 1．3光谱响应度的标定 反射率小于、等于15%（大于1%）的目标，信噪比应大于10。反射率大于15%的目标，信噪比应大于20。 2野外测定方法与工作规范 2．1目标选取 选取测量目标要具有代表性，应能真实反映被测目标的平均自然性。对于植被冠层及用物的测量应考虑目标和背景的综合效应。 2．2能见度的要求 对一般无严重大气污染地区，测量时的水平能见度要求不小10km。 2．3云量限定 太阳周围90°立体角，淡积云量，无卷云、浓积云等，光照稳定。 2．4风力要求 测量时间内风力小于5级，对植物，测量时风力小于3级。 2．5测量方法
1、地面光谱测量的作用：；①地面光谱辐射计在成像光谱仪过顶时，常用于地面野；②在一些反射率转换模型中，需要引入地面光谱辐射计；③地面光谱辐射计可以为图像识别获取目标光谱和建立；④通过地面光谱辐射计测量数据和地面模拟，可以帮助；⑤地面光谱辐射计还可以勇于地面地质填图；⑥可以用来建立地物的表面方向性光谱反射特性；⑦建立目标地面光谱数据与目标特性间的定量关系； 2、 1、地面光谱测量的作用： ①地面光谱辐射计在成像光谱仪过顶时，常用于地面野外或实验室同步观测，获取下行太阳辐射，以用于遥感器定标。 ②在一些反射率转换模型中，需要引入地面光谱辐射计测取得地面点光谱来完成DN值图像到反射率图像的转换。 ③地面光谱辐射计可以为图像识别获取目标光谱和建立特征项。但是，这时地面光谱测量要在空间尺度上与图像像元尺度相对应，且要具有代表性；另外，地面光谱测量要与高光谱图像获取条件相一致。 ④通过地面光谱辐射计测量数据和地面模拟，可以帮助人们了解某一地物被高光谱遥感探测的可能性，理解其辐射特性，确定需要采用的探测波长、光谱分辨率、探测空间分辨率、信噪比、最佳遥感探测时间等重要参数。 ⑤地面光谱辐射计还可以勇于地面地质填图。它可以用于矿物的光谱吸收特征，识别地面矿物或矿物的集合，从而直接完成野外矿物填图。 ⑥可以用来建立地物的表面方向性光谱反射特性。 ⑦建立目标地面光谱数据与目标特性间的定量关系。 2、高光谱成像特点： ①高光谱分辨率。高光谱成像光谱仪能获得整个可见光、近红外、短波红外、热红外波段的多而窄的连续光谱，波段多至几十甚至数百个，其分辨率可以达到纳米级，由于分辨率高，数十、数百个光谱图像可以获得影像中每个像元的精细光谱。②图谱合一。高光谱遥感获取的地表图像包含了地物丰富的空间、辐射和光谱三重信息，这些信息表现了地物空间分布的影像特征，同时也可能以其中某一像元或像元组为目标获得他们的辐射强度以及光谱特征。 ③光谱波段多，在某一光谱段范围内连续成像。成像光谱仪连续测量相邻地物的光谱信号，可以转化城光谱反射曲线，真实地记录了入射光被物体所反射回来的能量百分比随波长的变化规律。不同物质间这种千差万别的光谱特征和形态也正是利用高光谱遥感技术实现地物精细探测的应用基础。 3、高光谱遥感图像数据表达： ①图像立方体——成像光谱信息集。 ②二维光谱信息表达——光谱曲线。 ③三维光谱信息表达——光谱曲线图。（书本44页） 4、成像光谱仪的空间成像方式： （1）摆扫型成像光谱仪。摆扫型成像光谱仪由光机左右摆扫和飞行平台向前运动完成二维空间成像，其线列探测器完成每个瞬时视场像元的光谱维获取。扫描镜对地左右平行扫描成像，即扫描的运动方向与遥感平台运动方向垂直。其优点：可以得到很大的总视场，像元配准好，不同波段任何时候都凝视同一像元；在每个光谱波段只有一个探测元件需要定标，增强了数据的稳定性；由于是进入物镜后再分光，一台仪器的光谱波