植物反射波谱特征

健康的绿色植被的光谱反射特征   地面植物具有明显的光谱反射特征，不同于土壤、水体和其他的典型地物，植被对电磁波的响应是由其化学特征和形态学特征决定的，这种特征与植被的发育、健康状况以及生长条件密切相关。在可见光波段内，各种色素是支配植物光谱响应的主要因素，其中叶绿素所起的作用最为重要。健康的绿色植被，其光谱反射曲线几乎总是呈现“峰和谷”的图形，可见光谱内的谷是由植物叶子内的色素引起的。        例如叶绿素强烈吸收波谱段中心约和（常称这个谱带为叶绿素吸收带）的能量。植物叶子强烈吸收蓝区和红区的能量，而强烈反射绿区能量，因此肉眼觉得健康的植被呈绿色。除此之外，叶红素和叶黄素在（蓝色）附近有一个吸收带，但是由于叶绿素的吸收带也在这个区域内，所以这两种黄色色素光谱响应模式中起主导作用。    如果植物受到某种形式的抑制而中断了正常的生长发育，它会减少甚至停止叶绿素的产生。这将导致叶绿素的蓝区和红区吸收带减弱，常使红波段反射率增强，以至于我们可以看到植物变黄（绿色和红色合成）。从可见光区到大约的近红外光谱区，可看到健康植被的反射率急剧上升。在区间，植物的反射率主要来自植物叶子内部结构。    健康绿色植物在间，的光谱特征的反射率高达（45%-50%），透过率高达（45%-50%），吸收率低至（<5%）。植物叶子一般可反射入射能量的40%-50%，其余能量大部分透射过去，因为在这一光谱区植物叶子对入射能量的吸收最少（一般少于5%）。    在光谱的近红外波段，植被的光谱特性主要受植物叶子内部构造的控制。在可见光波段与近红外波段之间，即大约附近，反射率急剧上升，形成“红边”现象，这是植物曲线的最为明显的特征，是研究的重点光谱区域。许多种类的植物在可见光波段差异小，但近红外波段的反射率差异明显。同时，与单片叶子相比，多片叶子能够在光谱的近红外波段产生更高的反射率（高达85%），这是因为附加反射率的原因，因为辐射能量透过最上层的叶子后，将被第二层的叶子反射，结果在形式上增强了第一层叶子的反射能量。    在不同种类的植物之间，内部结构差别很大，所以，虽然在可见光波段它们看起来是一样的，但在这一光谱区可以通过测量反射率来鉴别不同种类的植物。同样，许多植物也会迫使改变在这一光谱区的反射率，所以，人们常用工作在该光谱区的传感器来探测植物状况。树冠有多层叶子将会提供多次透射和反射的机会。因此，近红外反射会随着树冠中叶子的层数的增加而增加，大约八层叶子时反射率达到最大。    在以上，入射到植被的能量主要被吸收和反射，很少甚至没有透射，在、、和处，反射率出现明显下降，这是因为在这些波长波段植物叶子内的水强烈吸收造成的。所以，我们称这些波谱区域内的波长为水的吸收波段。吸收波段之间的和处出现反射率高峰。在以上的波段内，植物叶子的反射率与叶子的总含水量大致成反比关系（总含水量是含水量和叶子厚度两者的函数）。     在光谱的中红外阶段，绿色植物的光谱响应主要被、和附近的水的强烈吸收带所支配。处的水吸收带是一个主要的吸收带，它表示水分子的基本振动吸收带。、、处的水吸收带均为倍频和合频带，故强度比谁的基本吸收带弱，而且是依次减弱的。    和处的这两个吸收带是影响叶子的中红外波段光谱响应的主要谱带。和处的水吸收带对叶子的反射率影响也很大，特别是在多层叶片的情况下。研究表明，植物对入射阳光中的红外波段能量的吸收程度是叶子中总水分含量的函数，即是叶子水分百分含量和叶子厚度的函数。随着叶子水分减少，植物中红外波段的反射率明显增大。土壤的光谱反射特征编辑本段     土壤反射率显得很少有“峰和谷”的变化。这是因为影响土壤反射率的因素较少作用在固定的波段范围。影响土壤反射率的因素有：含水量、土壤结构（砂、壤、粘土的比例）、表面粗糙度、铁氧化物的存在以及有机物的含量。这些因素是复杂的、可变的、彼此相关的。例如，土壤的含水量会降低反射率。对于植被在大约、和处水的吸收波段上，这种影响最为明显（粘土在和处也有氢氧基吸收带）。    土壤含水量与土壤结构密切相关：粗粒砂质土壤常常排水性好，因而含水量低，反射率相对高；反之，排水性不好的细粒结构土壤一般具有较低的反射率。然而，在缺水情况下，土壤自身会出现相反的趋势：粗粒结构土壤比细粒土壤看上去更深。所以，土壤的反射属性仅在特殊条件下才出现一致性。另外两个降低土壤反射率的因素是表面粗糙度和有机物的含量。在土壤中含有铁的氧化物也会明显降低反射率，至少在可见光波段如此。水的光谱反射特征考虑水的光谱反射率时，也许最明显的特征是在近红外及更长波波段的能量吸收问题。简单地说，不管我们说的是水体本身（如湖泊、河流）还是植被，土壤中含有的水都会吸收这一波段的能量。当波长小于大约时，清澈的水只能吸收相对很少的能量，这些波长内的水具有高透射率的特点，其最大值在光谱的蓝绿区。但随着水的浑浊程度的变化（因水中含有有机物和无机物），会引起透射率继而反射率的急剧变化。例如，因土壤侵蚀而含有大量悬浮沉积物的水，其可见光的反射率一般比相同地区内的“洁净水”高得多。同样，水的反射率会随着所含叶绿素浓度的变化而变化。叶绿素浓度的增加会降低蓝波段的反射率而提高绿波段的反射率。利用遥感数据中这种反射率的变化可监测藻类是否存在，并且可估算其浓度。许多有关水的重要特性，如溶解氧浓度、PH值和盐浓度等，并不能直接通过水的反射率来观察到。但是这些参数有时与观察到的反射率有关。总之，水的光谱反射率与这些特性之间存在着复杂的关系。因此，我们必须适当的参考数据去正确的解释水的反射率测定值。植被光谱    地面植物具有明显的光谱反射特征，不同于土壤、水体和其他的典型地物，植被对电磁波的响应是由其化学特征和形态学特征决定的，这种特征与植被的发育、健康状况以及生长条件密切相关。　　在可见光波段内，各种色素是支配植物光谱响应的主要因素，其中叶绿素所起的作用最为重要。在中心波长分别为µm（蓝色）和µm（红色）的两个谱带内，叶绿素吸收大部分的摄入能量，在这两个叶绿素吸收带间，由于吸收作用较小，在µm（绿色）附近行程一个反射峰，因此许多植物看起来是绿色的。除此之外，叶红素和叶黄素在µm（蓝色）附近有一个吸收带，但是由于叶绿素的吸收带也在这个区域内，所以这两种黄色色素光谱响应模式中起主导作用。　　在光谱的近红外波段，植被的光谱特性主要受植物叶子内部构造的控制。健康绿色植物在近红外波段的光谱特征是反射率高（45%-50%），透过率高（45%-50%），吸收率低（<5%）。在可见光波段与近红外波段之间，即大约µm附近，反射率急剧上升，形成“红边”现象，这是植物曲线的最为明显的特征，是研究的重点光谱区域。许多种类的植物在可见光波段差异小，但近红外波段的反射率差异明显。同时，与单片叶子相比，多片叶子能够在光谱的近红外波段产生更高的反射率（高达85%），这是因为附加反射率的原因，因为辐射能量透过最上层的叶子后，将被第二层的叶子反射，结果在形式上增强了第一层叶子的反射能量。　　在光谱的中红外阶段，绿色植物的光谱响应主要被µm、µm和µm附近的水的强烈吸收带所支配。µm处的水吸收带是一个主要的吸收带，它表示水分子的基本振动吸收带。µm，µm，µm处的水吸收带均为倍频和合频带，故强度比谁的基本吸收带弱，而且是依次减弱的。µm和µm处的这两个吸收带是影响叶子的中红外波段光谱响应的主要谱带。µm和µm处的水吸收带对叶子的反射率影响也很大，特别是在多层叶片的情况下。研究表明，植物对入射阳光中的红外波段能量的吸收程度是叶子中总水分含量的函数，即是叶子水分百分含量和叶子厚度的函数。随着叶子水分减少，植物中红外波段的反射率明显增大（Philipetal.,1978）