农作物反射波谱reflectance spectra of crops

表示农作物对电磁波各个谱段反射率大小的图形。通常称为作物的反射波谱特性或反射光谱曲线。所有农作物和其他绿色植物均有相似反射波谱。但由于品种不同，各自内在的差异、生长环境不同、以及生长期不同等，其反射波谱也有明显差别。应用农作物的反射波谱特性，可识别不同品种农作物的遥感信息，估算其产量等。
农作物反射波谱特性 各种农作物反射光谱曲线趋势如图1。在0.38～0.70微米的可见光谱段，作物叶细胞中的色素强烈地吸收光，吸收能力的大小主要取决于叶绿素含量的多少。在0.44微米左右谱段和0.65微米左右的红谱段是叶绿素的强吸收谱段，90%以上的入射能被吸收用于光合作用，故这两个光谱区域的反射和透射都很低；在0.55微米附近的绿谱段，反射率较大，形成一个小的反射峰。随着叶绿素的减少，可见光谱段的反射率逐渐增大，红谱段反射率增大的速率明显大于蓝、绿谱段。在近红外谱段，从0.70微米起，反射率急剧上升，到1.35微米是农作物的高反射低吸收区域。近红外反射率高的原因是由叶片内细胞壁和海绵状叶肉组织细胞空隙之间界面的多次内部反射作用引起的。又因近红外光对叶片有很强的透过率（吸收率低），当农作物的叶面积指数增大时，近红外光射向叶片后，一部分能量被反射，另一部分能量透过第一层叶片，在第二层、第三层叶片上又继续进行透射和反射，最后返回空间。这是近红外反射率高的又一缘故。在1.45微米和1.95微米处是农作物水分的两个最强吸收波长。不同种类的农作物，因各自叶片内部结构、叶绿素含量、株型、群体结构及含水量的不同，其反射波谱有差异。图2是几种农作物的反射波谱曲线。利用它们反射波谱间的差异，可以从记录在胶片或磁带上的信息来识别同一生长期内的不同农作物。

图1 农作物的反射波谱曲线

图2 不同种类的农作物反射光谱曲线

同一种农作物在不同生长时期，其反射波谱有较大的差异。某一农作物在它整个生育期内，由于叶绿素含量在不断变化，0.45微米和0.65微米左右的反射率也随之发生变化；叶片内部结构和叶面积指数的变化，使近红外谱段的反射率发生相应的变化。图3是水稻各个生长期的反射波谱曲线。掌握农作物不同生长期的波谱特性，可用于选择不同时相的遥感资料来识别不同种类的农作物。如8月份的棉花与晚熟品种的水稻在红谱段和近红外谱段的反射波谱就有很大的差别。在多谱段彩色合成的图像上，根据其颜色的深浅，可以区分出这两种农作物。

图3 水稻不同生长期的反射波谱曲线

养分、水分和病虫害对作物波谱的影响 农作物在缺少某种养分时，会影响叶片的颜色、水分含量和叶际结构，使得可见光谱段反射率增大，而近红外谱段的反射率减小；农作物随着缺氧症状的加重，可见光谱段的反射率增大；农作物在受到病、虫的侵害后，光合作用的能力降低，使叶绿素含量减少，可见光谱段，特别是0.65微米左右的红谱段的反射率上升。病虫侵害使得叶片的栅状组织和海绵状叶肉开始衰萎，水分减少，近红外谱段的反射率降低，在1.45和1.95微米波长水分强吸收处，随病症的加重而逐渐消失。将生长正常（健康）的农作物同病症初期（人眼还不能明显察觉）的农作物的反射波谱曲线进行比较(见图4)，可以早期地发现它的病害或营养状况。
农作物反射波谱的测定 农作物反射波谱测定是指用光电探测仪器定量获得农作物按波长分布的反射率数据。通过对不同农作物的光谱测定、对同一种农作物不同生长季节或不同生长条件下的光谱测定，了解其各自的特征，这对设计遥感器、农作物遥感最佳波段的选择、多谱段图像假彩色合成、各种农作物遥感最佳时期的选择、影像分析和图像解译中对农作物的判读、识别、分类都有重要的意义。早在1965年，盖茨(D.M.Gates)等人已详细地在实验室测定了植物的反射、透射和吸收的光谱曲线及叶片在不同时期的反射波谱以及岩石、土壤、水体的反射波谱。依据地物波谱的各自特征，确定了美国陆地卫星-Ⅰ号(Landsat-Ⅰ)多谱段扫描仪(MSS)的工作波段。随着野外光谱辐射计的研制，农作物的反射波谱测定工作由室内转到室外，如美国、日本在20世纪70年代获得了各种农作物地面的反射波谱数据。中国的第一次实地光谱测定工作是1978～1979年在云南省腾冲地区进行的，当时获得了部分农作物的反射波谱曲线。随后，从事遥感工作的教学和科研单位分别对中国小麦、水稻、玉米、大豆、棉花等主要农作物做了专门的地面反射波谱测定，并运用它们的波谱特征与其生物量、产量之间建立了数学模型，用作农作物的长势监测和产量估测。

图4 健康农作物与病害农作物反射波谱曲线比较

实验室的光谱工作是农作物光谱研究中的重要组成部分。野外光谱工作中受到的干扰因素比较多，重复性较差，为了正确分析野外光谱数据，仔细地研究农作物各个部分，叶片不同时期反射、透射和吸收的光谱，必须进行实验室内的光谱研究。图5是叶片反射率、透射率和吸收率之间的关系。三者之和等于总入射能。实验室的光谱测定是将采摘的样品低温冷冻保鲜，并及时测定。用带积分球的光度计测量农作物样品的反射比，即测出总反射功率与总入射功率之比。或者采用比较法，在放样品的位置上，第一次放农作物样品，第二次放已知反射比的标准反射板，利用公式计算出样品的反射率：

式中 I_样品、I_标准板分别为样品、标准反射板在仪器上的读数，ρ_标准板为标准反射板的反射比。

图5 叶片反射率、透射率和吸收率的关系

为了使实验室测量光谱更加符合实际情况，一些国家建立了大型的模拟实验室。中国科学院长春光学精密机械研究所也建了这样的实验室，其光源为人造太阳。这种大型模拟实验室特别适合研究农作物光谱的规律性，如反射光谱的角分布；各种因素(营养状况、不同生育期、病虫害、含水量和入射光的角度、光强度变化等)对反射光谱的影响。实验室光谱工作的另一个目的是选择地物最佳遥感波段，0.40～1.10微米是农业遥感的最佳波段。
实验室光谱工作决不能代替野外的光谱工作。野外光谱测定获得的是农作物群体对光的综合响应，并包含了农作物周围自然景观的影响，它与航空、航天遥感技术中摄影、扫描所获得的地面信息有很好的内在联系，其光谱数据更具有实用价值。
野外光谱工作中使用的光谱辐射计可分为两大类：一类是连续扫描型，它可以连续地测量所需要的波长范围内的光谱反射率；另一类是非连续型，通常用几块干涉滤光片，可将每块滤光片分别制成透过某一波长区域内的光与陆地卫星多谱段扫描仪(MSS)的四个工作谱段相一致，或与专题成像仪(TM)的各个工作谱段相一致。这样，读出的光谱反射率可以与陆地卫星上多谱段扫描仪或专题成像仪等仪器获得的数据进行相互比较。
农作物的冠层对光的反射并非镜面反射（符合反射定律的反射），也非理想的漫反射（反射光强均匀地分布整个空间），而是介于两者之间有一定角分布的反射。野外光谱测定时，光谱辐射仪接收的是某一立体角内农作物的反射能量。农作物对光反射的角分布除受农作物本身的冠层状态影响外，太阳的高度角（即入射光的角度）的变化也对它有一定的影响。所以，野外光谱测定常用方向反射因子（或称双向反射因子）来描述农作物反射光谱的空间分布。仪器测量的方向反射因子与入射光的天顶角θ_i、方位角φ_i，反射光的天顶角θ_r、方位角φ_r四个参数有关(见图6)。

图6 方向反射因子中各参量的关系

对于单光路的野外光谱辐射计，测量方向反射因子时常用比较法进行计算。