Verschiedene Oberflächenmerkmale reflektieren und absorbieren die elektromagnetische Strahlung der Sonne auf unterschiedliche Weise. Die Reflexionseigenschaften eines Objekts hängen vom Material und seinem physikalischen und chemischen Zustand, der Oberflächenrauhigkeit sowie dem Winkel des Sonnenlichts ab. Das Reflexionsvermögen eines Materials variiert auch mit der Wellenlänge der elektromagnetischen Energie. Der Betrag der Reflexion von einer Oberfläche kann als Funktion der Wellenlänge gemessen werden, dies wird als spektrale Reflexion bezeichnet. Der spektrale Reflexionsgrad ist ein Maß dafür, wie viel Energie (in Prozent) eine Oberfläche bei einer bestimmten Wellenlänge reflektiert. Viele Oberflächen reflektieren unterschiedliche Energiemengen in verschiedenen Teilen des Spektrums. Diese Unterschiede im Reflexionsgrad ermöglichen es, verschiedene Erdoberflächenmerkmale oder -materialien zu identifizieren, indem ihre spektralen Reflexionssignaturen analysiert werden. Spektrale Reflexionskurven zeichnen die Reflexion (in Prozent) von Objekten als Funktion der Wellenlängen auf.

Spektrale Reflexion von Erdoberflächenmerkmalen

Vegetation

Im Allgemeinen ist gesunde Vegetation ein sehr guter Absorber elektromagnetischer Energie im sichtbaren Bereich. Chlorophyll absorbiert stark Licht bei Wellenlängen um 0,45 (blau) und 0,67 µm (rot) und reflektiert stark in grünem Licht, daher nehmen unsere Augen gesunde Vegetation als grün wahr. Gesunde Pflanzen haben ein hohes Reflexionsvermögen im nahen Infrarot zwischen 0,7 und 1,3 µm. Dies ist in erster Linie auf die gesunde innere Struktur der Pflanzenblätter zurückzuführen. Da diese innere Struktur zwischen verschiedenen Pflanzenarten variiert, können die Wellenlängen des nahen Infrarots verwendet werden, um zwischen verschiedenen Pflanzenarten zu unterscheiden.

Wasser

In seinem flüssigen Zustand hat Wasser ein relativ geringes Reflexionsvermögen, wobei klares Wasser das größte Reflexionsvermögen im blauen Teil des sichtbaren Teils des Spektrums aufweist. Wasser hat eine hohe Absorption und praktisch keine Reflexion im nahen Infrarot-Wellenlängenbereich und darüber hinaus. Trübes Wasser hat im sichtbaren Bereich ein höheres Reflexionsvermögen als klares Wasser. Dies gilt auch für Gewässer mit hohen Chlorophyllkonzentrationen.

Eis und Schnee

Eis und Schnee haben im Allgemeinen ein hohes Reflexionsvermögen über alle sichtbaren Wellenlängen, daher ihr helles weißes Aussehen. Die Reflexion nimmt im nahen Infrarotbereich ab und im SWIR (kurzwelliges Infrarot) ist die Reflexion sehr gering. Die geringe Reflexion von Eis und Schnee im SWIR hängt mit ihrem mikroskopischen Gehalt an flüssigem Wasser zusammen. Der Reflexionsgrad von Schnee und Eis hängt von der tatsächlichen Zusammensetzung des Materials ab, einschließlich Verunreinigungen und Korngröße.

Spektrale Reflexionskurven von blankem Gletschereis, grobkörnigem Schnee und feinkörnigem Schnee. Spektralbänder ausgewählter Sensoren auf erdumlaufenden Satelliten sind grau dargestellt. Die Zahlen in den grauen Feldern beziehen sich auf die zugehörigen Bandnummern jedes Sensors. Bildnachweis: USGS

Boden

Kahler Boden weist im Allgemeinen ein zunehmendes Reflexionsvermögen auf, wobei das Reflexionsvermögen im nahen Infrarot und im kurzwelligen Infrarot größer ist. Einige der Faktoren, die die Bodenreflexion beeinflussen, sind:

• Feuchtigkeitsgehalt
• Bodentextur (Anteil von Sand, Schlick und Ton)
• Oberflächenrauheit
• Vorhandensein von Eisenoxid
• Gehalt an organischer Substanz

Messung des spektralen Reflexionsvermögens

Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, das spektrale Reflexionsmuster eines Objekts oder einer Oberfläche zu erfassen.Reflexionsmessungen können im Labor, im Feld mit einem Feldspektrometer oder von anderen Fernsensoren, einschließlich solcher, die an Flugzeugen und Satelliten montiert sind, erfasst werden.

Sammlung von spektralen Feldreflexionsmessungen für die USGS Spectral Library. Bildnachweis: USGS

Der Detaillierungsgrad der Reflexionskurve (Anzahl der gesammelten Datenpunkte) hängt von der spektralen Auflösung des Sensors ab. Labor- und Feldspektrometer sammeln typischerweise Hunderte von Datenpunkten und messen den prozentualen Reflexionsgrad eines Materials bei Hunderten von Wellenlängen. Der Landsat 8 OLI (Operational Land Imager) misst nur die Reflexion bei neun verschiedenen Bändern (oder spezifischen Wellenlängen) zwischen 400 und 2500 Nanometern, während fortschrittliche Hyperspektralsensoren wie das Airborne Visible / Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS) 224 Bänder im gleichen Wellenlängenbereich messen.

Vergleich der spektralen Reflexionskurven für Alunite von vier Sensoren (Landsat TM, MODIS, AVIRIS und Laborsensor) mit unterschiedlichen spektralen Auflösungen. Bildnachweis: USGS

Im obigen Bild hat der Landsat Thematic Mapper (TM) nur sechs Bänder im sichtbaren bis kurzwelligen Infrarotspektrum, was keine ausreichende Auflösung darstellt, um Absorptionen zu erkennen, die für Mineralien typisch sind. AVIRIS verfügt jedoch über einen ausreichenden Spektralbereich und eine ausreichende Auflösung, um viele übliche Absorptionsbanden aufzulösen, die in einer Vielzahl von Mineralien und anderen Verbindungen vorkommen.

U.S. Geological Survey Digital Spectral Library

Das Ziel der U.S. Die Spektralbibliothek des Geological Survey (USGS) soll Referenzspektren von Mineralien und anderen Materialien bereitstellen, die in der Natur vorkommen könnten und in Fernerkundungsdaten unterschieden werden müssen. Die Spektralbibliothek ist als wichtige Referenzbibliothek in kommerziellen spektralen Bildverarbeitungssoftwarepaketen einschließlich ENVI enthalten.

Entdecken Sie die USGS-Spektralbibliothek“

Interaktives spektrales Reflexionsdiagramm

Verwenden Sie das folgende interaktive Diagramm, um die Spektralprofile gängiger Oberflächenmaterialien zu betrachten. Daten aus der USGS Spectral Library.

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