遥感教程第13-6页¶
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This, and the next two pages, deal with fundamentals of spectroscopy, that branch of physics that considers the subdivision of the electromagnetic spectrum through dispersion into (continuous or discontinuous, depending on mode of excitation) wavelengths whose intensities vary in a characteristic pattern for each individual kind of material tested. The spectral variations depend on atomic and molecular types and their bonding within a given material. Radiant excitation of the atoms in the atomic structure give rise to emission at various energy levels, each corresponding to a discrete wavelength. Thus, when a substance is strongly heated or subjected to electric energy, its atoms undergo changes in electron energy levels (jump from one orbital shell to another) that upon returning to initial state give off (emit) radiation at characteristic wavelengths distributed discontinuously on a recording medium (such as a photographic plate) after being dispersed by a prism or diffraction grating. Absorption of radiation is another aspect of spectroscopy. Spectral curves that represent a continuous wavelength-dependent response from a material either irradiated (as by sunlight) or emitting because of internal heat content show rises and falls that result from intensity differences (for example, radiance variations that relate to transmittance, reflectance, and absorption). Examples of spectral curves for similar or dissimilar materials are covered on this page, with attention to factors that account for differences between compared curves.
光谱学原理¶
接下来的三页（在讨论阿维里斯之前）的大部分内容都是经过美国地质调查局的罗杰·N·克拉克博士的彻底审查后浓缩和改写的，标题为 岩石矿物光谱学及光谱学原理 ，您可以在 Internet. 我们从该来源获取了本摘要中的大部分插图。）
光谱学是测量与辐射有关的光子能量（波长或频率）的光谱分布的科学，这些辐射在从一种介质（真空或空气）传递到另一种介质（物质物体）时可能被传输、反射、发射或吸收。成像光谱学是一种特殊情况，其中一个变量的光谱特征和变化与两个附加变量（空间尺寸，由x和y位置给出），以生成彩色合成图像（图片）、比率和主要成分图像以及分类图。特别是，可以生成代表诊断吸收带效果的图像，以显示一个或多个此类带离散识别的某些材料特征的特定空间变异性。
当照明（多色的，如阳光，或单色的，如激光束）照射到一种材料上时，电磁辐射很可能分成一个或多个表现不同的部件。有些辐射直接反射。如果材料是透明的，则大部分辐射通过，但根据材料和外部介质（通常是空气或水）之间折射指数的差异，方向发生变化。如果材料是半透明的，或者更常见的是不透明的，辐射的部分（波长变化）可能会穿透。当它穿透时，光线会发生折射，但有些光线最终会反射。在被吸收的部分中，一些转化为热量，使物体的温度上升，导致排放量增加，可检测为热辐射。
如果材料是颗粒状或多晶的，反射的光将照射许多表面（与晶界或晶界有关），以不同的入射角与单个表面相遇，从而使辐射以不同的角度散射。光可能在几个这样的表面上来回反射，最后以散射光的形式离开。如果物体的表面是光滑的（像镜子一样），那么很大一部分反射的角度与入射角有关。但是，大多数表面倾向于某种程度的粗糙度，因此直接反射到观察者（眼睛或仪器）的光的百分比或比例显著降低。被吸收的辐射部分也控制着散射的程度。
|大气中氧气、二氧化碳和水蒸气成分的太阳光相对透射（波长依赖吸收）。|
在可见近红外波段（VNIR）、水冰和干冰（固体CO2 ）给出特征谱曲线，如下所示：
|水冰和二氧化碳（干冰）在可见-近红外光谱范围内的光谱曲线比较。|
在这一范围的大部分，干冰仍然具有很高的反射性，但在两微米左右显示出一组明显的吸收带。水冰的反射波长较短，但其反射比降低超过一微米。请注意，有几个宽的吸收带将反射比降低到非常低的值。液态水在大部分范围内都能很好地吸收，在绿色和蓝色中反射得稍微多一些。
13-18: From the above two curves, beyond the visible what wavelength regions should be avoided in seeking information about the spectral characteristics of materials? `ANSWER <Sect13_answers.html#13-18>`__
虽然在图像中需要中等到高的反射来产生光色调，但波长相关的吸收带是光谱图中的特征，通常有助于识别具有以特定波长为中心的带（窄到宽）的材料。在可见光区域，反射波长控制观察到的颜色。因此，不透明材料的亮绿色意味着绿色波长下的强反射和红色和蓝色的接近总吸收率。相反，如果还存在明显的红色反射，则会导致橙色变黄。根据啤酒定律，吸收介质会影响入射辐射强度：
I = I:sub:`0`e:sup:`-kx` ，
我在哪里 0 是入射辐射的强度，e是自然对数基（2.71828…），k是一个常数，取决于吸收，作为复杂折射率的函数（考虑了消光系数的作用，k），x是穿透深度。任何给定吸收的带宽和深度取决于许多因素，其中之一是照明的光谱组成。
为了说明我们如何使用吸收带加反射水平来区分化学上类似的材料，我们现在看两种矿物的光谱：赤铁矿（Fe:Sub:2`o3 ）针铁矿（Feooh）。在实验室环境中用分光计获得的第一条光谱曲线覆盖了0.3到1.0μm（可见和近红外为VNIR）和1.0到2.5μm（短波红外为Swir）之间的光谱间隔（范围）。
|在实验室环境中从光谱仪获得的赤铁矿和针铁矿的光谱曲线图。|
氧化物）和针铁矿（其组成中含有OH离子的近亲）的光谱范围，包括遥感中使用的部分热红外光谱。|
这里没有偏移，因此赤铁矿的总反射率更大。请注意，赤铁矿的双窄吸收带约为3μm。6μm附近的针铁矿的成对吸收带与7μm处的赤铁矿的单带不同。在较长波长下，包括热传感器可用的8-14μm间隔中的两个，赤铁矿显示几个浅吸收带（有时称为“槽”），作为对立面。特德到“山峰”）。我们将在后面的几个例子中看到，这些mir光谱在区分材料类别和材料类别中可以包含各种各样的、明确的吸收特征，具有相当大的实用性。不幸的是，还没有人开发出像Aviris这样的高分辨率仪器（工作在0.4到2.5微米之间），用于空中/空间平台。
` <>`__13-19: Disregarding possible atmospheric interactions, what narrow wavelength band is best for separating and mutually identifying goethite from hematite? `ANSWER <Sect13_answers.html#13-19>`__
另一个例子强调了详细光谱在鉴别类似材料方面的作用。我们提出了在粘土的高岭石家族的几种矿物中，覆盖部分swir范围的偏移曲线。
wxl表示结晶良好，pxl表示结晶不良。尽管四个样品的吸收特征的总体表现非常相似，但在2.2μm附近的吸收带的轻微移动和其他细微曲线移动表明，在特殊情况下，我们可以区分这一粘土组的成员，但只有Aviris很难区分。
吸收带在确定植被等有机物的光谱曲线中起着关键作用。考虑到这条描绘健康橡树叶VNIR光谱的一般曲线（较浅的线条宽度）。
|用实验室分光计检查橡树叶片光谱响应（反射）的变化，由于含水量不同。γ
在较长的波长下，它的色素和细胞物质吸收光。水带也有显著的效果。叶绿素吸收在可见光区域占主导地位，去除了红色和蓝色的反射，留下绿色作为主要的光谱波范围。在0.7微米处，反射比急剧上升，持续超过1.1微米，这在很大程度上是多个电池壁反射光的结果。第二条曲线以较重的线重表示，它描述了橡木叶的光谱，橡木叶现在已干燥并呈棕色。
下一幅图显示了四条光谱曲线，每一条都对应于特定的植被类型，上三条中的每一条都与下面的一条偏移了0.05个单位。这些样本来自科罗拉多州Summitville的高光谱图像，显示在 page 13-10 . 一般来说，这些图几乎是相同的，变化主要是在个别吸收带的深度。
|具有相似有机成分的植物材料的四条光谱曲线；这些曲线以微小偏移（0.05 mm）绘制，通过分离显示曲线结构的相似性，但由于植物形状不同，反射系数差异较小。|
虽然眼睛很难检测和区分，但在允许我们分离的等效吸收带上存在真正的差异。0.7微米处的吸收带是一个很好的例子。我们需要使用特殊的处理方法来找出细微的差异。
` <>`__13-20: If the spectral curves for these four vegetation types are so similar, how can we hope to distinguish them in the field? `ANSWER <Sect13_answers.html#13-20>`__
有助于区分的程序是 continuum-removal . 连续体由所谓的“背景吸收”组成，本质上是对一般曲线基线的外推（将平滑曲线拟合到一般趋势，从而延伸到吸收带的底部）。这种局部约简规定了连续性，并通过一个减法过程对吸收系数进行数学处理来确定。
吸收带的深度d是：
d＝1—r b /R：子：“C”
其中R b 是波段底部（波谷中心点）和R的反射率c 是连续统的基础。
上述四个植被区（以及其他几种作物类型）的结果是一组连续的去除曲线，这些曲线在以0.68微米为中心的最小值上显示出相对反射率的轻微到中度差异。这些作物中至少有四种可以通过其在0.56到0.66微米间隔内的分离来区分。
这项技术在为晶体结构非常相似但在用一种化学元素（通常是离子）代替另一种化学元素方面存在差异的矿物选择诊断带方面尤其有效。普通矿物方解石（Caco:Sub:3）和白云石（Ca，MgCo:Sub:3）在2.3μm附近有一个显著的吸收带，在每个物种的光谱中达到了大致相同的深度。两者的连续去除图显示白云石以略低的波长到达其波谷点。
|这个连续的去除图表明，方解石（碳酸钙）与白云石（碳酸钙镁）在光谱的2.3毫米部分的主要吸收带低点的波长略有不同。|
这种吸收带分析方法被证明是增强和分离微小但通常显著差异的有力工具，使我们能够正确识别材料（属于相关组的材料和不相关但与吸收带趋向一致的材料）。
13-21: Thematic Mapper Band 7 covers the spectral range 2.08 - 2.35 µm. Any chance that dolostone (main mineral is dolomite) can be distinguished from limestone (calcite)? `ANSWER <Sect13_answers.html#13-21>`__