光譜分析

1. 光譜分析 台大空間資訊研究中心主任 朱子豪教授 2007/03/09

2. 電磁訊息 宇宙訊息穿梭勤 電磁交錯承載運 波動頻率長譜展 幅散反射探索進 可見光譜斑斕欣 紅外微波神秘隱 電子感應現真相 現代神通了天心

3. 本講大綱 • 生活化的光譜知識與應用 • 能量來源及輻射理論 • 大氣中能量的反應 • 顏色描述系統 • 地物反射率

4. 一、生活化的光譜知識與應用 • 色彩的描述方式（濃淡（深淺），明暗，顏色） 圖2-1  色表

5. 一、生活化的光譜知識與應用（續） • 現象顏色變化的解釋 （太陽的一日變化，彩虹，彩霞，植物的季節變色，幼嫩綠（粉嫩綠）變蒼老，臉色白裡透紅與蒼白 • 星球的顏色 （紅色星，白色星） • 為何可見光是目前的光段（太陽的最強輻射）

6. 一、生活化的光譜知識與應用（續） • 衣服顏色的物理暖熱與心理暖熱 （反射與吸收，經驗直覺） • 生物氣場的電磁波記錄（人的氣場顏色與光暈） • 五行與五色（金木水火土，白綠黑紅黃）

7. 圖2-2不同身體狀況下之氣場顏色

8. 100％ 0％ 一、生活化的光譜知識與應用（續） • 為何地面溫度可以透過熱紅外線偵測（大氣窗與地球輻射特性） • 大氣窗 • 太陽之電磁波在穿透大氣時，由不同之大氣分子以不同之吸收率干擾此電磁波，造成只有部分光段形成有效之光源，此些波段即為大氣窗。亦即是我們可以用於以太陽為光源的被動遙測的波段 圖2-3 各波長之大氣穿透率

9. 二、能量來源及輻射理論 • 電磁波是窄義遙測偵測能量的主要對象。是原子的電場伴隨磁場的場力大小震盪而形成的訊息波動。 • 偵測地質反射或輻射的電磁波以判斷物質的類別與特定物理狀態或特性。 • 由於電磁波亦會與大氣中之物質互動而造成干擾（散射、吸收、輻射等），故造成了此種偵測的複雜性。

10. 二、能量來源及輻射理論（續） • 光譜(電磁波) • 電磁波是由不同波長之正弦形的電波與磁波組合且相互垂直於行走方向。 圖2-4 電磁波構造，包含了正弧狀電波（E）及相似而正交的磁波（M）

11. 二、能量來源及輻射理論（續） • 光譜(電磁波) • 電磁波是由不同的物質輻射產生，此物質子為電磁波源。物質的粒子震動與能階的變化，便會產生不同的電磁頻率的電磁波。而不同的物質的粒子亦會與不同波長的電磁波互動（吸收、穿透、反射、再輻射等），而改變其狀況。

12. 二、能量來源及輻射理論 • 光譜(電磁波) • 光速（C） = 頻率（f）＊ 波長（λ） • 光速為定速，故頻率（f）與波長互補，即波長大則頻率低，反之亦然。不同之物質對不同波長之電磁波有不同之反應（穿透、反射、吸收、再輻射），而不同溫度之物體造成不同之頻率輻射分佈與輻射光能，溫度愈高則輻射高頻率的電磁波的比率會愈高，其中不同之頻率光子具不同之能量，頻率愈高則能量愈大。

13. 二、能量來源及輻射理論（續） • 光譜(電磁波) • 電磁波之描述或命名 • 依波長或頻率大小來描述或命名 • 例： 短波、長波、或高頻、低頻等 • 依特定波段命名 • 例：可見光（0.4～0.7μm）、紅外光約（0.7μm～1mm）、微波約（1mm～1km）等（見下頁圖）。

14. 圖2-5 電磁波譜

15. 二、能量來源及輻射理論（續） • 光譜(電磁波) • 電磁波之描述或命名 • 可見光之光的顏色 • 依頻率粗分為彩虹的紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七光段，但由於人類眼睛的三種錐狀體基本感應器的感應範圍，正好對應紅、綠、藍三原光，故三原光可組合成各種人類可以感覺的顏色。可見光是可以由傳統光化學的底片加以偵測與紀錄，亦可由光電子之感應器來記錄。以下為三原光之頻段範圍： •      藍---0.4～0.5μm • 綠---0.5～0.6μm • 紅---0.6～0.7μm

16. 二、能量來源及輻射理論（續） • 光譜(電磁波) • 電磁波之描述或命名 • 紅外光之分類 • 較可見光中的紅光段長一些之光段，常用的紅外光段有近紅外光 (0.72~ 1.30μm)、中紅外光 (1.30~3.00μm)、遠紅外光 (7.0~ 15μm)。有些傳統的光化學性底片或光電子的數位照相機可以對紅外光感光，但遠紅外光則多需以光電子感應設備來偵測，如熱紅外輻射計。 • 微波 • 微波能量較低需以較大之天線來接收，但其波長較大故不同頻率之微波可透過大氣中之雲與水氣、部分植物及表層大地。

17. 二、能量來源及輻射理論（續） • 能量 • 物質的平均能量反應在溫度上，影響到其輻射電磁波頻率的強度分佈 • 光子之能量與頻率成正比 E = h ＊ f E：光子的能量 h：Planck’s constant（伯朗克常數） 6.626×10-34瓦秒 f：頻率

18. 二、能量來源及輻射理論（續） • 物體輻射光能 W =σT4 W：每平方米輻射總能量 σ：Stefan-Boltzmann constant(史蒂芬-波茲曼常數)， 5.6697×10-8瓦 m-2 °K-4 T：絕對溫度（K） • 物體最大輻射能量之波長 λm = A / T λm：最大輻射波長 A ：2898μmk T ：絕對溫度（K）

19. 圖2-6 光譜輻射強度分佈與黑體溫度之關連圖

20. 二、能量來源及輻射理論（續） • 光源不同會影響到影像的光譜記錄 • 主動光源 • 自行發射光源 • 被動光源 • 運用環境中的光源 • 不同之光源會影響地物之不同頻段的入射強度與反射強度。

21. 三、大氣中能量的反應 • 反應變數 • 波行路長(Path Length)、波長(Wave Length)、大氣狀況(散射Scattering，吸收Absorption)。 • 散射 • Rayleigh scatter（分子大小的干擾），(haze) Mie scatter（粉塵大小的干擾），nonselective scatter（無選擇性散射）。散射與波長有關，波長與干擾的粒子大小愈接近則散射干擾愈大，可見光中的短波的散射程度較長波為高，故天光呈現偏藍的顏色，而太陽在地平線附近時多呈現偏紅色（藍光散射多、留下的紅光比例較高）

22. 三、大氣中能量的反應(續) • 吸收 • 電磁波被大氣分子吸納而為反射或穿透而轉化為分子內位能或動能。 • 反射 • 電磁波被大氣分子部分吸收，部分折回。 • 輻射 • 大氣物質吸收能量後，再放射不同波長之電磁波。

23. 散射 反射 吸收 穿透 圖2-7 散射、反射、吸收、穿透等光線干擾示意圖

24. 圖2-8 散射曲線圖

25. 四、顏色描述系統 • RGB • 三原光系統，由R、G、B三種光線組成各種顏色。三原光的組合為光的輻射加成系統，三光組合能量相加，合成白光。3原光適用於光的輻射顏色組合。 圖2-9 增色的三原光系統

26. 四、顏色描述系統（續） • 三原色系統，是由三原光的補色組（Y,C,M)，是以顏料的混色來加成，顏色相混時不同的顏料會增加光線的吸收，故反射的光會減少，三原色相混是反射能量減低，會變成黑色。 • 三原色適用於顏料或印刷的顏色組合。但由於混色難達成真的黑色,故需有四色（Y,C,M,B） 來進行印刷。 圖2-10 減色的三原色(顏料)系統

27. 眼睛錐狀體與三原光 圖2-11 人眼中負責感彩色光(RGB)的錐狀細胞，和感明暗的桿狀細胞。 (圖片來源：AGFA) 圖2-12 人眼錐狀細胞和桿狀細胞之感應曲線

28. 四、顏色描述系統（續） • HSI • 色相、彩度(濃度)、亮度系統，以一般描述顏色之自然語彙較相近。 例 : 如淡紅色、亮紅色、粉紅色。

29. RGB轉HSI 圖2-13 原RGB影像 圖2-14 轉換後之HSI影像

30. 色卡 圖2-15 單一色相-紅色之彩度與亮度（明度）

31. HSI色立體圖及色環 圖2-16 色相、明度、彩度(濃度)立體圖之一 圖2-17 色相、明度、彩度(濃度)立體圖之二 圖2-18 色相及彩度(濃度)環

32. RGB與HSI間的轉換案例 RGB及HIS之間轉換的值 • RGB＝（100,100,0)，HSI=(60,100,26) （中亮度，最高濃度的黃色） • RGB= （200,200,0)，HSI=(60,100,52)（Y 濃度不變，亮度上升） • RGB= （200,200,100)，HSI=(60,40,65) (Y 濃度變淡，亮度上升） 註：以上R、G、B的值介於0~255之間；H的值是以角度來表示，介於0°~360°之間；S及I的值則以百分比來表示，介於0~100％之間。此處是以第三講中的轉換公式計算而得。

33. 五、地物反射率 • 電磁波與地物間的互動以反射、穿透、吸收為主。 • 一般地物極少輻射可見光與近紅外光，故此些光段的反射現象為主要的地物偵測對象。 • 不同之地物或物質會針對不同之波段有一特定之反射比率。 • 此一特質被用為以光譜判釋地物物質類別之基礎。 • 地物各光譜之反射比率的連線即為反射率曲線。 • 遙測感應器偵測到的為反射強度，其受入射強度、反射率、反射角度、大氣穿透率及穿透長度有關，還原物質之反射率是一重要而不易之工作。

34. 五、地物反射率（續） • 反射強度 • 反射的電磁波能量的強度即為反射強度，其與入射能量及物體之反射率有關，入射能量一部分被吸收了，一部分穿透了，其餘則為反射能量(見下頁圖)。

35. 五、地物反射率（續） 圖2-19 入射能量與反射能量的關聯

36. 地物反射率（續） • 反射能量隨入射能量變化而變化，天陰與天晴同一地物的反射強度則不同。 • 大多數地物的可見光的反射決定了其顏色，而不同光段的吸收與穿透率亦決定了反射率的大小。而透明物的反射強度則會受物體的厚度的影響，愈厚則其由物體內部的吸收會愈多。 • 例：水體愈深則可見光的長波被吸收的愈多，則會由白色變為綠色、再變為藍色，此即為海是藍色、潭為綠色、淺水池為白色的原理。

37. 地物反射率（續） • 反射面特性 • 反射行為亦與反射表面有關，若反射面為平滑鏡面則會有鏡面反射。表面愈(均勻)粗糙則愈接近理想漫射現象(及各方向反射大致相仿)。 圖2-20 不同平滑度之表面，造成由鏡面反射到全漫射的不同反射

38. 地物反射率（續） • 不同光段之反射強度 • 不同地物在同一光源下會有不同之各光段反射強度，但在不同之光源下，這些反射強度數值會變化。 圖2-21 G、R、IR三光段對不同地物之反射強度

39. 五、地物反射率（續） • 反射率 • 反射率是反射能量與入射能量的比值 • 只要同一地物的物化狀況相同則其反射率相同，此一現象為判釋地物之基礎，而各地物之各光段的反射率則為遙測判釋中之理想作業。

40. 地物反射率（續） • 不同狀態之物質的不同反射率曲線 • 不同物質在不同之光段有自己特有之反射率，其連線即反射曲線。 • 同一物質在不同之物化狀況則可能會有不同之反射曲線，故這具特徵之反射曲線便可用以判釋地物類別或推算其物性狀況(如含水量)。 圖2-22 典型的植生、土壤及水的反射曲線

41. 五、地物反射率 • 感應器接收反射能量的組合 圖2-23 感應器接收反射能量的組合圖

42. 地物反射率（續） • 反射率偵測 • 光譜輻射計以光電子之方式偵測物體之反射強度，與標準白板之反射強度比對後，將已知之白板反射率代入，便可算知入射強度，而可計算在同一光源下各測量物之反射率

43. A. B. 圖2-24 A.可攜式光譜輻射計微處理器、LCD、資料記錄及光纖；B.在現地操作光譜輻射計

44. 地物反射率（續） • 反射強度紀錄 • 掃瞄器及照像機所紀錄者為反射強度而不是反射率，需知道入射強度才能推測反射率 • 在入射強度相同之假設下，兩光段之反射強度相除，可相當於反射率相除 。 圖2-25 面狀成像掃瞄影像（反射強度）---小角度傾斜側拍航空照片

45. 地物反射率（續） • 不同角度反射面之反射效應 • 單位面積上照射之光的能量是與其入射角度有關，角度愈小(愈近垂直)則單位入射能量愈大。 圖2-26 不同地物面對同一光源時，因入射角不同而有不同之反射強度