地物光谱反射率分析

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。

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。

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。

土壤，水体，植被的光谱反射曲线特征
自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值。

土壤的反射光谱特征主要受到土壤中的原生矿物和次生矿物、土壤水分含量、土壤有机质、铁含量、土壤质地等因素的影响。

水的光谱特征主要是由水本身的物质组成决定，同时又受到各种水状态的影响。

地表较纯洁的自然水体对0.4~2.5μm 波段的电磁波吸收明显高于绝大多数其它地物。

在光谱的可见光波段内，水体中的能量-物质相互作用比较复杂，光谱反射特性概括起来有一下特点:
(1)光谱反射特性可能包括来自三方面的贡献:水的表面反射、水体底部物质的反射和水中悬浮物质的反射。

(2)光谱吸收和透射特性不仅与水体本身的性质有关，而且还明显地受到水中各种类型和大小的物质--有机物和无机物的影响。

(3)在光谱的近红外和中红外波段，水几乎吸收了其全部的能量，即纯净的自然水体在近红外波段更近似于一个“黑体”，因此，在 1.1~2.5μm 波段，较纯净的自然水体的反射率很低，几乎趋近于零。

植物的光谱特征可使其在遥感影像上有效地与其他地物相区别。

同时，不同的植物各有其自身的波谱特征，从而成为区分植被类型、长势及估算生物量的依据。

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OK，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）×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->spectrumsave（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）；(3)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。

农作物可见光-短波红外光谱反射率测量1 范围本文件规定了农作物可见光-短波红外光谱反射率田间测量的要求与规范，包括：测量条件、测量准备、田间测量过程、光谱测量结果处理、测量报告与数据文件存储。

本文件适用于获取已开发利用为农用地区域内的典型农作物（小麦、玉米、水稻、马铃薯、大豆等）可见光-短波红外波段（380-2500nm）冠层及叶片的光谱反射率的田间测量。

2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。

其中，注日期的引用文件，仅注日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T 33988-2017 城镇地物可见光-短波红外光谱反射率测量GB/T 36540-2018 水体可见光-短波红外光谱反射率测量GB/Z 33451-2016 地理信息空间抽样与统计推断3 术语和定义GB/T 33988-2017、GB/T 36540-2018 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1农作物冠层 crop canopy农作物冠层是农作物群落大致处于相同高度的冠连成的集合体，是农作物群体中作物茎秆以上连同集生枝叶的部分形成的稠密顶层。

3.2农作物冠层反射光谱 canopy reflection spectrum of crop农作物冠层反射辐亮度随波长的变化。

3.3农作物冠层光谱反射率 canopy spectral reflectivity of crop农作物冠层在指定波长处的反射辐亮度的π倍与入射辐射通量密度之比。

3.4农作物叶片反射光谱 leaf reflection spectrum of crop农作物叶片反射辐亮度随波长的变化。

3.5农作物叶片光谱反射率 leaf spectral reflectivity of crop农作物叶片在指定波长处的反射辐亮度的π倍与入射辐射通量密度之比。

3.6生育时期 growth stages根据农作物在整个生育过程中器官发生的顺序和形态特征而划分的若干个时期。

地物光谱实验报告实验内容如下：
1.实验目的：学习地物光谱的测定方法，认识地物光谱反射率的
规律，掌握绘制地物反射光谱曲线的方法。

2.实验原理：利用电磁辐射和各地物光谱特征进行测定。

3.实验步骤：
•选择测量目标和环境，记录基本信息。

•安装仪器，开始测试。

•记录测量数据，计算平均值。

4.注意事项：
•选择无严重大气污染，光照稳定，无卷云或浓积云，风力小级的环境。

•避开阴影和强反射体的影响。

•取样时选择物体自然状态的表面作为观测面，被测目标面要充满视场。

•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。