什么是地物波谱?

[拼音]：diwu bopu

[外文]：ground-object spectrum

地物辐射和反射的电磁波能量在电磁波谱范围内随波长的分布。地球上温度高于0K的物体都能自发地发射电磁波，这一物理现象称为热辐射。它是组成物体的大量粒子无规则热运动的结果。地物热辐射强度按波长的分布称为地物辐射波谱。它与物体的温度及其他物理和化学特性有关。各种物体对入射的电磁波能产生反射、透射和吸收效应。反射强度或反射率按波长的分布称为地物反射波谱。它也与物体的某些性质有关。地物波谱特性是遥感技术的物理基础。

根据热平衡原理，物体在热辐射的同时也在吸收电磁波。辐射能力强的物体吸收能力也强。能完全吸收入射的电磁波而不产生反射和透射的物体称为黑体。它是一种理想的吸收效率最高的吸收体，因而也是辐射效率最高的辐射体。物体的热辐射效率用发射率ε表示，黑体的发射率定为1，一般物体的发射率都小于1。

根据量子统计力学上的普朗克辐射定律，黑体的辐射强度与绝对温度的关系以及按波长的分布，可表示为

式中 h为普朗克常数；k为玻耳兹曼常数；c为光速；λ为波长;T为绝对温度。这个定律表示一个黑体在某一方向的单位投影表面，在单位时间、单位波长和单位立体角内所辐射的能量。这种辐射强度称为黑体的谱辐射亮度。

当绝对温度一定时，黑体的波谱有一峰值（图1），对应峰值的波长称为辐射峰值波长 λm，λm与T 成反比，即随着温度升高，峰值波长向较短波长方向移动。常温(300K)黑体的峰值波长约为10微米。太阳可看成为近似的黑体，其峰值波长约为0.5微米。

一般物体的辐射效率低于黑体的辐射效率（ε＜1），所以一般物体的辐射亮度 L小于同温度的黑体的谱辐射亮度Lb，两者的关系可表示为

L(λ，T )＝ε(λ)Lb(λ，T )

物体的辐射强度也常用亮度温度（简称亮温）Ta表示，当温度为Tb的黑体的辐射亮度等于温度为T的物体的辐射亮度时，黑体的温度Tb就称为该物体的亮度温度。一般物体的亮温Tb总是小于它的实际温度T 。在微波波段，常温物体的亮度温度Tb与实际温度T有以下简单关系

Tb＝εT

因此，在常温范围内物体的亮温Tb决定于绝对温度T及其发射率ε，而ε则与波长、物体的介电特性和表面的粗糙度等因素有关，以土壤为例，湿度越大，亮温越低；表面越粗糙，亮温越高（图2）。

在可见光和红外波段，地物辐射特性用红外辐射计、可见光辐射计、双光束干涉仪、多光束干涉仪等光谱仪器来测量。在微波波段，地面辐射计经参考辐射源（标准噪声源或等效负载）校准后，可测定地物的微波亮度温度。

地物反射电磁波的强度决定于物体本身的物理和化学特性，并与入射电磁波的波长、极化和入射方向有关。在电磁波谱的0.3～2.5微米波段内，地物主要反射太阳辐射的电磁波，地物本身的热辐射可以忽略不计。在波长大于 6微米的波段则主要是地物的热辐射，而太阳辐射的影响却很小。在2.5～6微米波段内太阳辐射和地物热辐射均应考虑。

地物反射波谱用谱反射率ρ（λ）表示，它是某一波长上反射功率与入射功率之比。地物反射率是其介电特性、粗糙度以及入射电磁波的波长、极化和入射角的函数。光滑表面(起伏小于λ/8)产生镜面反射，入射角等于反射角，反射率的大小可用菲涅耳公式计算；粗糙表面具有无方向性的漫反射或散射，反射波的振幅和相位无规则变化。实际表面既非完全光滑又非完全粗糙，镜面反射和漫反射同时存在。地物反射率可用分光光度计或多光谱扫描仪通过与已知样板的比较而测量出来。土壤反射率对土壤质地、腐殖质和矿物质以及含水量比较敏感。含水量越大，土壤对太阳辐射的反射率越低。各种植物的反射率与波长以及植物种类、生长状况和生长条件等因素有明显的依从关系（图3）。

图中在波长为0.55微米处，植物有一小的反射峰，植物的“绿色”就是由它决定的;在波长为 0.68微米处，植物有一吸收峰。在波长为0.7～1.4微米的近红外波段，植物的反射率高达 50％～70％，这是正常植物的特征。在波长为1.4和1.9微米附近，植物有两个吸收峰。对于有病虫害的植物，几个反射率谷峰随病虫害的加重而逐渐消失。红外波段的反射率下降。因此，利用多光谱扫描仪所得到的物体反射率波谱特性可以区分各种物体，并反映植物病虫害程度、生长状况和土壤湿度等。

当有源微波遥感器发射的电磁波照射到地物时，遥感器在照射方向上接收的电磁波信号称为回波。雷达天线波束所照射到的地面或海面物体（如土壤、植被、海水等），包含大量的散射单元。对这种扩散型地物的回波或散射特性不能用单个离散目标的雷达散射截面积来表示，而要用后向散射系数σ0，即单位面积的平均雷达散射截面来表示。σ0＝σ/A，式中A、σ分别为雷达天线波束所照射到的地物面积和雷达有效散射截面积。散射系数一般用σ0


＝10 logσ0(dB)表示。σ0是地物介电特性、粗糙度以及电磁波的波长、极化和入射角的函数。对于给定的雷达，平均回波功率随σ0而变化，雷达图像的灰度也正比于σ0。地面微波散射计经标准散射体（如龙伯球）校准后可用来测量各种地物的散射系数。图4为海面σ0与风速的关系曲线。海面σ0随风速提高而增加，并且随电磁波的波长和入射角的减小而增加；接近垂直入射时，σ0为最大值。土壤的散射系数σ0随湿度增大而增加。各种地物σ0的测试结果和微波遥感的试验证明，通过有源微波遥感观测海面的σ0可以测出海面风速；用工作在4～5吉赫波段的侧视雷达，入射角选在10～20°测量土壤的σ0，可测出土壤的含水量。地物的散射系数σ0是有源微波遥感技术的物理基础。

参考书目

Fawwaz T.Ulaby，Richard K.Moore，Adrian K.Fung，Microwave Remote Sensing，Active and Passive，Addison-Wesley Publ.Co.，Reading，1981～1982.Robert N.Colwell，Manual of Remote Sensing，2nded.，American Society of Photogrammetry， Fallschurch， 1983.