第二节 地物的光谱特性
自然界中任何地物都具有其自身的电磁辐射规律，如具有反射，吸收外来的紫外线、可见光、红外线和微波的某些波段的特性；它们又都具有发射某些红外线、微波的特性；少数地物还具有透射电磁波的特性，这种特性称为地物的光谱特性。
一、地物的反射光谱特性
当电磁辐射能量入射到地物表面上，将会出现三种过程：一部分入射能量被地物反射；一部分入射能量被地物吸收，成为地物本身内能或部分再发射出来，一部分入射能量被地物透射。根据能量守恒定律可得：Pο=Pρ+Pα+Pτ （2-2）
式中：Pο为入射的总能量；Pρ为地物的反射能量；Pα为地物的吸收能量；Pτ为地物的透射能量。
（2-2）式两端同除以Pο，得1 = Pρ/Pο+Pα/Pο+Pτ/Pο （2 - 3）
令Pρ/Pο×100%=ρ（反射率）即地物反射能量与入射总能量的百分率。
Pα/Pο×100%=α（吸收率）即地物吸收能量与入射总能量的百分率。
Pτ/Pο×100%=τ（透射率）即地物透射的能量与入射总能量的百分率。
则（2-3）式可写成：ρ+α+τ=1 （2-4）
对于不透明的地物，τ=0，（2-4）式可写成：ρ+α=1 （2-5）
（2-5）式表明，对于某一波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。地物的反射率可以测定，而吸收率则可通过（2-5）式求出，即α=1-ρ。
（一）地物的反射率
不同地物对入射电磁波的反射能力是不一样的，通常采用反射率（或反射系数、或亮度系数）来表示。它是地物对某一波段电磁波的反射能量与入射的总能量之比，其数值用百分率表示。地物的反射率随入射波长而变化。地物反射率的大小，与入射电磁波的波长、入射角的大小以及地物表面颜色和粗糙度等有关。一般地说，当入射电磁波波长一定时，反射能力强的地物，反射率大，在黑白遥感图像上呈现的色调就浅。反之，反射入射光能力弱的地物，反射率小，在黑白遥感图像上呈现的色调就深。在遥感图像上色调的差异是判读遥感图像的重要标志。
（二）地物的反射光谱
地物的反射率随入射波长变化的规律，叫做地物反射光谱。按地物反射率与波长之间关系绘成的曲线（横坐标为波长值，纵坐标为反射率）称为地物反射光谱曲线（图2-5）。不同地物由于物质组成和结构不同具有不同的反射光谱特性。因而可以根据遥感传感器所接收到的电磁波光谱特征的差异
来识别不同的地物，这就是遥感的基本出发点。图2-5 绘出了四种地物反射光谱曲线。
雪 雪的反射光谱和太阳光谱很相似，在0.4—0.6μm 波段有一个很强
的反射峰，反射率几乎接近100%，因而看上去是白色，随着波长的增加，反
射率逐渐降低，进入近红外波段吸收逐渐增强，而变成了吸收体。雪的这种
反射特性在这些地物中是独一无二的。
沙漠 在橙光波段0.6μm 附近有一个强反射峰，因而呈现出橙黄色，在
波长达到0.8μm 以上的长波范围，其反射率比雪还强。
湿地 潮湿地在整个波长范围内的反射率均较低，当含水量增加时，其
反射率就会下降，尤其在水的各个吸收带处，反射率下降更为明显。因而，
在黑白像片上，其色调常呈深暗色调。
小麦 其反射光谱曲线主要反映了小麦叶子的反射率，在蓝光波段（中
心波长为0.45μm）和红光波段（中心波段为0.65μm）上有两个吸收带，其
反射率较低，在两个吸收带之间，即在0.55μm 附近有一个反射峰，这个反
射峰的位置正好处于可见光的绿光波段，故而叶子的天然色调呈现绿色。大
约在0.7μm 附近，由于绿色叶子很少吸收该波段的辐射能，其反射率骤然上
升，至1.1μm 近红外波段范围内反射率达到高峰。小麦反射率的这一特性主
要受到叶子内部构造的控制。这种反射光谱曲线是含有叶绿素植物的共同特
点（即叶绿素陡坡反射特征）。
根据上述可知，不同地物在不同波段反射率存在着差异。如从图2-5 中，
反映出雪、沙漠、小麦和湿地在不同波段反射率。因此，在不同波段的遥感
图像上即呈现出不同的色调。这就是判读识别各种地物的基础和依据。设计
遥感传感器探测波段的波长范围，是通过分析比较地物光谱数据而选择设置
的，如美国陆地卫星多光谱扫描仪（Multi-Spectral Scanner，简称MSS）
最初所选择的四个波段分别为：MSS1：（0.5—0.6μm），MSS2：（0.6—0.7
μm），MSS3：（0.7—0.8μm），MSS4：（0.8—1.1μm），主要针对植被、
土壤、水体以及含氧化铁岩矿石分类的识别需要而设置的。
同类地物的反射光谱是相似的，但随着该地物的内在差异而有所变化。
这种变化是由于多种因素造成的，如物质成分、内部结构、表面光滑程度、
颗粒大小、几何形状、风化程度、表面含水量及色泽等差别。例如，对植被
来说，不同类型植物之间反射光谱特性曲线存在着一定的差异，如图 2-6（a）
（b）所示，这种差异可用来识别不同的植物类型。即使是同类植物，随着叶
子的新老、稀密、土壤、水分含量和有机质含量的不同，或者受到大气污染
和病虫害等的影响，它们在各个波段的反射率也是不同的。从图2-7 中可清
楚看出，健康的松树在可见光波长范围反射率稍低于有病害的松树，特别是
在叶绿素吸收带，健康的比有病害的反射率明显小。而在近红外波段健康松
树的反射率则明显高于有病害松树。有病害的松树随着病害的加重，在近红
外波段反射率明显降低。反映出病害植被的特征。这种现象在近红外波段像
片上反映很清楚，故而可把健康的和病害的植被区别开来。
研究地物的光谱特性，还应考虑其时间特性和空间特性的变化。
时间特性是指同一位置上的同一地物，由于时间的推移，该地物在一段
时间内光谱特性的变化。例如，图2-8 表示不同时间，白橡树叶子的反射光
谱曲线变化情况。空间特性是指同一类地物，由于其所处的地理位置不同，
光谱特性可能存在的一些差异和变化。遥感图像上集中反映出各种地物或现象的光谱特性，并体现出其光谱特性的空间特性和时间特性的变化。因此，
在以遥感图像中识别地物和现象的属性及其研究它们之间的关系和演化变化
规律时，必须首先了解和掌握地物的光谱特性，以及它们空间和时间特性的变化。地物光谱特性是进行判读、识别的基础和出发点。
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