能量与地球表面特征的相互作用

由于地球距太阳远近适中，具有适宜的温度；其形状大小适宜（半径6378公里），使它表面吸引了适量的水和大气并保持一定的压力，造就了地表固态、液态、气态三种形态物质共存并互相转化的复杂形态。 固、液、气三态相互并存、相互作用是地球表层的突出特征。它表现为两个方面的机制：一是界面机制，二是异质机制。从物理意义上看，能量和物质的转换和传输，主要是通过界面来进行的；从化学意义上讲，吸附作用、吸收作用也是首先通过界面来实现的。界面面积的大小与物质能量的循环、交换、传输的程度和复杂性是正相关的，界面的存在和表面积的扩大，促进了地球表层的物质进步和能量传输，而来自地球内部的能量和来自地球外部的能量不断地促进地球三相界面总面积的扩大，彼此形成了正反馈的过程，这种相互促进不可逆转的发展过程，造成了地球表层的高速进化。异质机制是指气体、液体、固体三相之间物质组成和结构功能之间明显差异所产生的特殊效应。异质有利于调节和促进物质和能量的流动和转换。地表三相共存，形成了海洋、陆地、冰川、沙漠、湖泊、沼泽等大小等级不同的异质系统，从而造成了不同规模的水分、空气循环，实现物质和能量的循环运动和转换。 人类的出现使地球表层发生了质的变化，也构成了区别于其他层圈的突出特征。人类改变大气圈，造成温室效应、热岛效应，甚至控制局部环流；人类改变水循环、创造人工地形，从根本上改变了生物界的面貌等等。现在几乎找不到一块没有人类影响的禁地，人类的作用和影响在地球上已经连成一片，形成了名副其实的智慧圈、文化圈，地球表层渐渐成了人及其生活环境相互有机联系的新的系统。

北师大版生物八下23.3生态系统的结构和功能——物质循环伴随能量流动

2.1.3.1 能量的组成及其关系

当电磁波入射到特定的地表特征时，与地表之间可能会发生3种能量相互作用，这在图2.4中可以用一个单位体积的水体加以说明。入射到水体上的电磁辐射能量以不同的比例关系分别被反射、吸收或透射。根据能量守恒原理，可以将这3种能量之间的关系表述为式中:E_I为入射能量;E_R为反射能量;E_A为吸收能量;E_T为透射能量。式(2.1)中所有能量的组成部分都是波长λ的函数。

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图2.4 电磁能量和地球表面特征之间的基本相互作用

式(2.1)的能量平衡方程表达了反射、吸收和透射这三种机制之间的相互关系。关于能量之间的这种相互关系，有两点需要注意。首先，能量被反射、吸收和透射的比例会随地物类型和条件的不同而变化，这种差异性使人们可以区分图像上不同的地物特征。其次，波长的依赖性是指，即使是同一地物类型，反射、吸收和透射能量之间的比例也将会随着波长的变化而变化。因此，两个不同的地表特征在一个光谱波段内可能无法区分，而在另一个光谱波段内却表现出明显的不同。在光谱的可见光部分，这种光谱变化的视觉效果被称为色彩。例如，当物体强烈反射光谱中的蓝色部分时，就称物体是“蓝色”的，强烈反射绿色光谱区间时，就称物体为“绿色”的。因此，眼睛就是利用在光谱反射能量上的变化来辨别不同的物体的。

由于许多遥感系统是在反射能量占主导的波长区域工作的，所以地表特征的反射特性具有非常重要的意义。因此，通常以下面的形式来表达式(2.1)中的能量平衡关系:

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也就是说，反射能量等于入射到特定的地表特征上的能量减去地表吸收与透射的能量。

物体反射能量的几何特性也是一个需要重点考虑的因素。这个因素是物体表面粗糙度的函数。平坦的表面会发生镜面反射，反射角等于入射角。粗糙的表面会产生漫反射，即向空间所有方向均匀反射。自然界中大部分地球表面既不是完全镜面反射体，也不是完全漫反射体，往往介于二者之间。

地表的反射特征可以通过反射能占入射能的比例，即反射率的测定而定量化。反射率是波长的函数，故称为光谱反射率ρ_λ，以百分数表示:

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根据物体反射率与波长之间的函数关系而绘制成的曲线图称为反射光谱曲线。反射光谱曲线有助于人们对物体的光谱反射特性的深刻理解，并且会对人们选择某个特定应用所需要的遥感数据所在的波段产生非常重要的影响。

2.1.3.2 植被、土壤及水体的光谱反射率

图2.5显示了3种基本地表覆盖类型的典型反射光谱曲线:健康的绿色植被、干裸土(灰褐色壤土)以及清澈的湖水。图2.5中的曲线是实测大量地物样品后绘制的平均反射率曲线，对于每种地表特征其反射光谱曲线具有明显不同的特征。通常，这些曲线的形状反映了各地表特征的类型及其性质与状态。尽管各个地物的反射率会与平均反射率有很大出入，但是这些曲线能够反映光谱反射的一些基本特点。

图2.5 植被、土壤及水体的典型反射光谱曲线(据Swain等，1978)

健康的绿色植被的反射光谱曲线几乎总是表现为图2.5中所示的“峰和谷”交替变化的形状。光谱可见光部分的反射低谷是由植物叶子中的色素引起的。例如，叶绿素强烈地吸收波谱段中心约在0.45μm和0.67μm的能量(通常将这个谱带称为“叶绿素吸收带”)。因此，由于蓝光和红光波段的能量被植物叶片强吸收以及绿光波段的高反射，从而使健康的植被呈绿色。如果植物受到外界的胁迫而导致正常生长和发育的中断，就有可能降低甚至停止叶绿素的合成。结果导致叶绿素在蓝光和红光波段的低吸收，而红光波段的反射率却会增加，以至于人们所看到的植物变为枯黄色(绿光与红光的合成色)。

从可见光谱区到大约0.7μm的近红外光谱区，可以看到健康植被的反射率急剧上升。在0.7～1.3μm的光谱区间内，植物叶片能够将入射到其表面能量的40%～50%反射出去。由于这一光谱范围内的能量很少能够被吸收(小于5%)，所以其余的能量大部分透射过去。植物在0.7～1.3μm间的高反射主要是由植物叶片的内部结构引起的，由于不同种类的植物之间内部结构差别很大，所以通过对这一波段反射率的测定就可以区分不同的植物种类，即使它们在可见光波段具有相似的光谱反射特征。同样地，许多植物由于受到外界的胁迫而改变了在这一波段区间内的反射率。因此，人们常用工作在该光谱区的传感器来探测植物状况。植物冠层的多层叶片结构能够增加电磁波的透射与反射的机会。因此，近红外反射率随着冠层叶片层数的增加而增大，在叶片达到8层时反射率达到最大值(Bauer等，1986)。

在波长大于1.3μm的光谱区间，入射到植被上的能量基本都被吸收或反射，仅有很少的机会可以发生透射。在1.4μm、1.9μm和2.7μm处，反射率出现明显下降，这是由于叶片组织里的水分对这些波段的强烈吸收造成的。因此，这些光谱区间被称为水分吸收波段。而在吸收波段之间大约1.6μm和2.2μm处则会出现反射率的峰值。在波长大于1.3μm的整个光谱区间内，叶片反射率和叶片中的含水量大致成反比关系。因此，总反射率可以表示为叶片厚度及其含水量的函数。

图2.5中土壤的反射光谱曲线显示土壤反射率的峰、谷变化较为平缓，这是因为影响土壤反射率的因素较少作用在固定的波段范围。影响土壤反射率的因素主要包括土壤含水量、土壤结构(砂、粉砂及黏土三者之间的比例关系)、表面粗糙度、铁氧化物的存在以及有机物的含量等，而且这些因素是复杂的、可变的、彼此相关的。例如，土壤水分的存在将会降低反射率。而对于植被，这种影响在大约1.4μm、1.9μm和2.7μm处水的吸收波段上最为明显。土壤含水量与土壤结构之间存在密切的联系:粗粒的砂质土壤通常排水性好，因而含水量较低，反射率相对较高;排水性差的细粒结构的土壤通常具有较低的反射率。然而，如果没有水分的存在，那么土壤本身的反射率将会呈现相反的变化趋势:粗粒结构的土壤由于反射率较低而在亮度上比细粒结构的土壤更加灰暗。因此，一种土壤的反射光谱特性仅在一定的条件范围内才具有一致性。另外两个降低土壤反射率的因素为表面粗糙度和有机物含量。而土壤中含有铁的氧化物至少会在可见光波段明显降低土壤的反射率。

关于水的光谱反射率，最有代表性的特征就是近红外及其更长波段的能量被水体所吸收。简而言之，不论是水体本身(如湖泊、河流)，也不论其以何种形式存在于植物与土壤中，水分对这些波段能量的吸收永远都是存在的。水体的这种吸收特性，使利用近红外波段的遥感数据来定位和描绘水体变得非常容易。尽管如此，水体的其他各种特征主要还是通过可见光波段来反映。在这些波段区间内的电磁辐射能量与物质间的相互作用是非常复杂的，并依赖于若干相互联系的因素。例如，水体的反射辐射可以来自于水体表面(镜面反射)、水中悬浮物，或者水体底部。即使是在深水中，其底部的影响可以忽略，但是决定水体光谱反射特性的因素不仅是水体本身，还有悬浮在水体中的各种物质。

清澈的水体对于波长小于0.6μm的波段吸收很少，这些波段对于水体具有很强的透射性，其中尤以光谱中的蓝－绿波段的透射性最强。尽管如此，随着水体混浊度的变化(由于有机物或无机物的存在)，会引起透射率继而引起反射率的急剧变化。例如，因土壤侵蚀而含有大量悬浮沉积物的水体，其可见光的反射率一般比相同自然地理区域的清澈水体高得多。同样，水体的反射率也会随着所含叶绿素浓度的变化而变化。叶绿素浓度的增加导致水体在蓝光波段的反射率降低，而在绿光波段的反射率增加。这种变化规律已经被应用于通过遥感数据监测藻类的分布并估算其浓度。此外，反射率数据也可以用来测定低地沼泽植物中有无丹宁酸以及探测如石油和某些工业废物之类的污染物含量。

水体的许多重要特性，例如溶解氧浓度、pH值以及可溶盐的浓度等，并不能通过水体反射率的变化来直接观测。但是，有时候这些参数与观测到的反射率存在某种相关性。总之，水体的光谱反射率与这些特性之间存在着复杂的相关关系，必须用适当的参考数据来对所测得的水体反射率进行正确的解译。