光譜反應曲線

光線具有穿透（Transmission）、反射（Reflection）、散射（Scattering）與吸收

（Absorption）等作用，如圖 2-1 所示。當光線照在陸地和海洋表面上時，大氣物 質如：空氣、濕度和雲，會讓進來的光分成三種能量變化反應模式：

(1) 反射：物體對入射能量反射之能力以反射率（ρ）表示。其值為反射能量 與入射能量之比值。

(2) 吸收：物體對入射能量吸收之能力以吸收率（α）表示。其值為吸收能量 與入射能量之比值。

(3) 穿透：物體對入射能量穿透之能力以穿透率（τ）表示。其值為穿透能量與 入射能量之比值。

因為彼此間存在比例關係，所以這三個參數是介在0 與 1 之間的數值，但通常 用百分比表示之，根據能量不滅定律（Law of Conservation of Energy）τ + α + ρ = 1。

圖2-1 光線之穿透、反射、散射與吸收作用之示意圖（Short, 2007）

大氣中存有許多微小物質，其會使大氣與能量進行交互作用，最顯著為大氣吸 收作用與大氣散射作用，說明如下：

大氣之吸收作用

照亮物體的主要能量來自太陽，到達地球的太陽光線波長主要介在 200 nm 和3,400 nm 之間，而輸入的最大能量接近於 480 nm，這是屬於可見光中綠光的 範圍，當太陽光線到達地球時，大氣層會吸收部分光線，並傳遞剩餘的部分，如 圖2-2 所示。大氣中的水蒸氣、二氧化碳和臭氧等分子，對於特定波長範圍的太 陽輻射能具有吸收作用，亦會降低其穿透到地表的能量。

圖2-2 大氣窗示意圖（Short, 2007）

大氣之散射作用

大氣含有許多微粒分子（Particle），會散射部分太陽輻射能，減少其入射到 地表的能量。大氣散射能力的強度，依照大氣中分子的直徑而異，可分為三種散 射作用（Lillesand et al., 2004）：

A. Rayleigh：

當大氣粒子的直徑遠小於和它交互作用的輻射能之波長時，以短波長的 散射能力較強。在晴朗的白天，由於藍光波長較短，經散射後天空會呈現藍 色，到黃昏時，散射改由紅光波長，則天空呈現紅橙色，即是這原理。

B. Mie：

當大氣粒子的直徑相等於和它交互作用的輻射能之波長時，而空氣中的 水蒸氣和塵埃是最主要因子。

C. Nonselective：

當大氣粒子的直徑遠大於和它交互作用的輻射能之波長時，會將接近可 見光和近紅外光波長範圍的輻射能，散射到大氣中，所以大氣中的霧和雲層 會呈現白色，即是因為大氣中的水滴(波長介於 5～100 µm) ，散射相等量的 藍光、綠光和紅光。

在1666 年，牛頓是第一個完成可見光實驗的人，顯示出可見光是眼睛可以看 見不同顏色的連續波長，實驗流程是將白光穿透玻璃菱鏡而得到這結果的，如圖 2-3 所示。這折射原理支持這結果，就是當光線從一介質到另一個介質會產生彎曲 現象。這常跟波長有關，以致於彎曲角度的變化會循序的從紅（長波長、低頻率）

到藍（短波長、高頻率）。在白光中分離各組成的顏色的過程被稱之為散射。這現 象也適用於可見光以外波長的光線。

圖2-3 光線經玻璃菱鏡折射之示意圖（Short, 2007）

一般可見光的範圍為400～700 nm 之間，如圖 2-4 所示，這間距是人類眼睛可 觀看的範圍，所以被稱為可見光，人類的眼睛話說可以仔細區分數千種不同的顏色

（估計可以區分20,000 色調）。

圖2-4 可見光之範圍（Short，2007）

在這些具體區分的電磁波譜間距內，對於波長單位有不同名稱的，如表2-1 所 示。波長單位名稱是採用公制單位。

表2-1 電磁波譜於不同波長單位之名稱

Type of Electromagnetic Wave Typical Unit of Measure

radio

meter (m) centimeter (cm)=0.01 m microwave (radar) millimeter (mm)=0.001 m

infrared micrometer (μm)=10^-6 m visible nanometer (nm)=10^-9 m;10^-3 μm

ultraviolet angstrom (Α^° )=10^-10 m

近紅外光譜是指物質在波長780～2,526 nm 之間的吸收光譜，近紅外光（NIR）

是介於可見光（VIS）和中紅外光（MIR）之間的電磁波，是人類最早發現的非可 見光區域，各種光波分佈，如圖2-5 所示。

圖2-5 光譜分佈圖（Li et al., 2008）

在這些不同之電磁波譜中，常見的波段有不同之特性，各有其用途，如表2-2 所示。

表2-2 常見的波段之不同特性

波段 波長 特性

可見光 0.4～0.7 μm 肉眼可以感知；可以使用攝影方法，也可以用掃描方式取像，是遙測 最常用的波段。

紅外光 0.7～1,000 μm 有很多部份被大氣層中的水分子、二氧化碳、臭氧等吸收，只留下幾 個窗口可供遙測使用。

近紅外光 0.7～1.1 μm

是植生反射最強的部分，可使紅外光底片感光，故可用攝影方式取 像，因此又稱為攝影紅外光；亦可使用掃描方式取像，常與可見光波 段一起使用。

短紅外光 1.1～3 μm 遙測使用的波段有1.1～1.3 μm、1.5～1.7 μm、2.0～2.5 μm 等。

中紅外光 3～5 μm 不能用攝影方式取像，只能用掃描方式，應用於計測較高溫的物體溫 度。

遠紅外光 5～15 μm

遙測使用8～14 μm，是地物在常溫下自行輻射，其能量最大的波段；

與中紅外光一樣，只能用掃描方式取像，應用於計測常溫物體的溫 度，與中紅外光合稱為熱紅外光。

微波 0.1～30 cm 對大氣層有很強的穿透力，可穿過雲霧雨等大顆粒的物體；地表物體 只輻射極為微弱的微波能量。

雷達 ≧ 30 cm 為單頻的人造電磁波，是經由天線向地面發射電磁波，而後接收回射 波的能量，故稱為主動遙測系統。

當太陽光線照射到物質時，物質會有反射、吸收、傳送或是隨波長變化散發輻 射線的現象。從來自物質的輻射線可以繪製出波長的變化範圍，這些相關的點產生 一條曲線被稱為光譜反應曲線，如圖2-6 所示。

圖2-6 樹葉之光譜反應曲線（Short, 2007）

由圖2-6 之為樹葉光譜反應曲線中，發現在可見光部分樹葉對於綠光有顯著之 反射率，所以樹葉相對於人眼是呈現綠色，但在人眼看不見的近紅外光範圍內，其 反射率更大，這是一個很重要的特性關係，藉由個別光譜信號的特性，可以判釋不 同物質或是類別加以區分。

由圖2-7 中發現在一些波長中，沙的反射能量比綠色植物多，但在其他波長中，

吸收能量卻比較多。原則上，藉由這些不同的反射比，可以識別各種表面物質和區 分彼此的形式，能以適當的方法來量測，像是用波長的函數或是強度的函數等。利 用反射比的不同，在信號上面，可以區別四個常見的表面物質（GL = grasslands 綠 地；PW = pinewoods 松林；RS = red sand 紅沙；SW = silty water 淤泥水）。

圖2-7 不同物體之光譜反應曲線（Short, 2007）

衛星之感測器就如同人眼一樣，藉由太陽光照射物體，可接收物體反射與散射 大氣中之電磁輻射能量（Electromagnetic Radiation Energy），並記錄電磁輻射能量 之強度變化來展現地表不同的資源訊息，進而分析其光譜資料格式、不同光譜資料 類別之地面解析度、光譜組合波段與衛星光譜影像等（楊龍士等，2000）。一般而 言，光線在可見光區與近紅外短波區大多會進行反射過程，如此可用來判釋物質之 特性，如表2-3 所示：

表2-3 不同光譜波長之用途特性

波段 用途

可見光之藍光區（400～500 nm） 可穿透純淨水面約達40 m，並可運用於區分土 壤和植生。

可見光之綠光區（500～600 nm） 可運用於區分純淨水體和混濁水體，輔助描繪 油污染的擴散範圍，以及健康植物的辨識。

可見光之紅光區（600～700 nm） 可運用於辨識植物種類及植物的健康狀況之 差異。

近紅外短波光區（780～1,100 nm） 可適用於植生的分析、海岸線的繪製、礦物和 岩石的檢測等。