定量遥感的基础是二向性反射模型。由于岩石表面的特殊形状，传统几何很难对其进行描述，所以岩石的反射光谱二向性模型鲜有研究报道。利用光谱进行岩性识别还远未达到实际应用的精度要求。本文引入多重分形的概念来描述岩石结构，探索使用多重分形特征参数来描述并区分岩石表面特征，并试图建立表面特征与岩石光谱二向性之间的关系。岩石结构是地质学中岩石分类的一个重要依据。本文从花岗岩入手，研究了多重分形谱作为花岗岩表面描述的数学模型的可行性。利用多重分形谱，对卫星遥感图像、航空DEM、手标本照片和显微镜下照片等四个不同尺度图像，对不同类型和结构的岩石图像的进行了研究和分析，证明了分形几何的方法能够有效地区分各种尺度上不同岩性的图像的纹理和结构特征。通过研究不同特征纹理的同尺度图像的多重分形谱差异，找到不同频率的纹理特征与其多重分形谱的对应关系，发现多重分形谱顶点对应光滑度指数的大小可以区分不同结晶程度的岩石，而多重分形谱的形态可以用来区分岩石的结构类型。在此基础上，进一步讨论了多重分形谱在不同区间取值的物理意义，证明了多重分形谱可以定量描述岩石表面的结构信息，为岩石反射光谱二向性研究提供切实有效的表面描述方法。为了准确的研究岩石光谱的二向性特征，文章依托项目研制的光谱二向性测量系统，设计了精确的二向性测量实验，对9个不同结构的岩石样品开展了系统反射光谱二向性的测量实验，获得了11405条有效光谱。通过数据分析和研究，得到以下认识：（1）岩石切面的二向性反射与波长的相关性不大，且随入射光天顶角变大而减弱；（2）矿物晶体造成的表面起伏会影响其反射光谱形态，矿物颗粒越小对较长波段影响越大，颗粒越大对可见光射影响越大，而大尺度的起伏不影响光谱的形态；（3）通过6个样品的4个波段的二向性特征分析，改进了花岗岩切面的反射二向性分布模拟公式。（4）细粒的花岗岩的自然面容易产生强烈的后向散射，而平滑凸起的中粗粒花岗岩能产生前向散射现象，并且改变前向的角度；（5）大尺度上平坦的中粗粒花岗岩，其晶体尺度的突起对二向性的影响不大，但当大尺度和晶体尺度都有较大突起时，花岗岩表面的二向性分布特征与漫反射相似，有较弱的后向散射特征。本文探究了岩石光谱二向性模型的新的研究思路，将多重分形谱引入岩石结构描述，为进一步研究精确的反射光谱二向性物理模型提供了切实可行的方法。