反射特性在沙地參數(shù)遙感反演研究中的應(yīng)用

呂云峰

（長(zhǎng)春師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130032）

0 引言

地表時(shí)間與空間屬性的變化對(duì)于研究地表徑流與侵蝕、陸地與大氣能量交換以及最終的氣候模型的建立是至關(guān)重要的信息.但是大部分傳統(tǒng)的土壤分析技術(shù)是直接在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量或者在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行分析，面對(duì)大尺度問(wèn)題的時(shí)候仍然存在很多不確定性［1］.遙感探測(cè)技術(shù)是一種無(wú)損過(guò)程，其中就包括土壤表面反射研究［2］.在光學(xué)領(lǐng)域研究中，一般認(rèn)為土壤表面越粗糙反射系數(shù)就越低［3］，但也會(huì)出現(xiàn)很多不確定性［4］.近期的研究表明，表面粗糙度在垂直方向觀測(cè)的時(shí)候會(huì)對(duì)反射信息有較大的影響［5］.同時(shí)研究者介紹了一個(gè)很好的例子：如何在早期的預(yù)警系統(tǒng)當(dāng)中利用高光譜信息增加對(duì)土壤物理退化評(píng)估的能力［6］.與此同時(shí)，一些研究表明在利用垂直方向獲取的反射信息反演土培物理特征時(shí)，還應(yīng)該注意土壤鹽分以及生化指標(biāo)的影響［7］.多角度觀測(cè)可以表現(xiàn)出土表的各向異性特征，從而為確定土壤表面粗糙度提供了可能［8］.這一想法已經(jīng)被研究者們通過(guò)模擬土表的反射得到了證實(shí)［9］.Chappell等利用侵蝕模型描繪了土壤表面粗糙度，還與方向反射測(cè)量建立了關(guān)系［5，10］，并且證明了在后向散射方向可以更好地反演表面粗糙度［11］.

在相關(guān)研究過(guò)程中，研究者們已經(jīng)開(kāi)始利用遙感技術(shù)反演實(shí)際的土表特征［12］，其中就包括旱區(qū)沙漠表面以及沙漠化地表的反射信息與地表結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系［10，13－16］.由于地表反射特征的方向可以用來(lái)描述地表結(jié)構(gòu)特征，因此研究者們對(duì)不同種類裸土表面的各向異性特性進(jìn)行了測(cè)量［17］.本研究主要測(cè)量了不同粒徑大小沙地表面的雙向反射信息，分析了粒徑大小對(duì)其各向異性反射特征的影響.在假設(shè)沙地表面粗糙度由粒徑大小控制的前提下，將實(shí)際測(cè)量值與兩種模型計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)了這些方法在反演沙地表面粒徑大小上的能力.

1 研究方法介紹

1.1 Okin經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

Okin等基于莫哈維沙漠觀測(cè)站的信息并結(jié)合遙感影像研究了沙地表面紋理結(jié)構(gòu)對(duì)光譜反射的影響［13］.研究中首先確定粒徑大小，使用的方法是標(biāo)準(zhǔn)篩分技術(shù)，隨后，基于輻射傳輸模型證明了粒徑大小變化引起的差異可以通過(guò)野外測(cè)量的表面反射信息來(lái)區(qū)分.具體可以表示為：在1.7μm 附近粒徑每增加1mm 反射降低0.06；而在2.2μm 附近，粒徑每增加1mm，反射降低0.08.將反射信息擴(kuò)大1 000倍之后得到的兩個(gè)波段對(duì)應(yīng)的回歸模型，表示為：

式中：F 表示對(duì)應(yīng)波段的反射系數(shù)，reff表示粒徑大小.

1.2 光譜與表面結(jié)構(gòu)合并方法

土壤表面空間特征可以通過(guò)半變異函數(shù)來(lái)表示［19－20］.其中的球形方法用來(lái)表示半變異函數(shù)，這是由于球形方法適合描述在短距離內(nèi)出現(xiàn)較大變化的數(shù)據(jù)［21］.如果h＞a，γ（h）等于C 與C0的和，C 與C0的和表示基臺(tái)值；如果0＜h≤a，則

式中：C0為塊金值；C 為偏基臺(tái)（或者稱作拱高）；h為滯后距離；a 為變程.在二維坐標(biāo)系統(tǒng)中，半變異函數(shù)γ（h）代表y 軸，h則代表x 軸；其數(shù)學(xué)含義表示：γ（h）隨著h的增加而變大，當(dāng)h 達(dá)到一定值，即h＞a的時(shí)候，γ（h）也達(dá)到一個(gè)定值，這時(shí)候稱這一定值為基臺(tái)值［22－23］.

本文基于Crofr的方法［22－23］，首先假設(shè)每個(gè)粒徑的大小相同，而且近似為球形；其次，粒徑的排列假設(shè)在表面處為均勻分布.對(duì)于不同粒徑大?。ㄖ睆綖镽）的沙子來(lái)說(shuō)，由于只考慮表層的粒徑對(duì)反射有所影響，其基底相同，所以塊金值C0在這里假設(shè)為1，那么偏基臺(tái)值C 為上面兩層粒徑的厚度，等于等邊三角形中線與直徑R 之和；對(duì)于不同粒徑的沙地表面，探測(cè)時(shí)滯后距離h將會(huì)始終大于變程a，因此，平整的不同粒徑的沙地表面基臺(tái)值為C 與C0的和.

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)樣品來(lái)自科爾沁左翼中旗附近，采樣點(diǎn)的地理位置為45°02′50″N，121°49′12″E，采集時(shí)均選擇地表的沙子.將采集到的沙子樣品經(jīng)過(guò)土壤篩對(duì)其粒徑進(jìn)行篩選，如0.9mm 粒徑等級(jí)的沙子在篩選過(guò)程中利用兩個(gè)孔徑為0.9mm 的篩子得到；其余的粒徑等級(jí)（0.45，0.3 mm）使用相同的方法得到.其中，對(duì)0.45～0.9，0.3～0.45及0.3mm 以下3個(gè)粒徑等級(jí)取平均值，將它們的粒徑大小確定為0.625，0.375和0.15mm.篩選粒徑之后，將樣品裝入直徑為15cm，高度為10cm 的圓柱形容器當(dāng)中.在準(zhǔn)備測(cè)量樣品時(shí)，只是輕微晃動(dòng)容器，沒(méi)有進(jìn)行任何人為方式的壓按.

2.2 反射系數(shù)測(cè)量

使用ASD FS3系列光譜儀并結(jié)合角度測(cè)量系統(tǒng)（NENULGS，東北師范大學(xué)）對(duì)沙地表面的反射信息進(jìn)行測(cè)量［24］.由于儀器自身結(jié)構(gòu)限制，不能在完全后向散射方向進(jìn)行測(cè)量，因此，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一共在150個(gè)方向?qū)Σ煌降纳车乇砻孢M(jìn)行了測(cè)量.沙地表面的反射比值（r）可以表示為

式中：θs表示入射角度，θo表示探測(cè)角度；φ 表示方位角；dL′為測(cè)量目標(biāo)的輻射亮度，dL 為相同探測(cè)、入射條件下標(biāo)準(zhǔn)白板的輻射亮度.在測(cè)量過(guò)程中保持目標(biāo)與白板被探測(cè)的面積相同，當(dāng)入射角度θs不變時(shí)，改變測(cè)量的天頂角，最后得到沙地表面各個(gè)方向的反射系數(shù).

3 測(cè)量結(jié)果與分析

3.1 粒徑大小對(duì)沙地表面反射特性的影響

圖1 入射天頂角為45°，垂直方向探測(cè)的不同粒徑沙地 表面在865nm 處的雙向反射光譜

本文選擇了3個(gè)粒徑等級(jí)沙地表面的反射光譜用于分析粒徑大小對(duì)反射的影響，結(jié)果如圖1所示.該結(jié)果是在垂直方向觀測(cè)得到的，表示的是直徑分別為0.9，0.45及0.3mm 沙粒的反射光譜曲線.結(jié)果表明，隨著粒徑的增加，反射光譜曲線逐漸降低；而且隨著波長(zhǎng)的增加，粒徑大小對(duì)反射影響越明顯，其中在近紅外波段范圍的影響較可見(jiàn)光明顯.

3.2 沙地表面反射特性的分布

圖2、圖3為不同粒徑沙地表面的雙向反射分布圖，圖中從左到右依次表示粒徑為0.9，0.45 和0.3mm沙粒的反射分布特征.其中，0°方位對(duì)應(yīng)的是后向散射方向，180°方位為前向散射方向，探測(cè)天頂角以中心位置0°起始，一直變化到60°.從圖2、圖3可以發(fā)現(xiàn)，粒徑大小影響著沙地表面的雙向反射分布：隨著粒徑的增加，反射呈降低趨勢(shì)；而且粒徑越小，后向散射方向出現(xiàn)的反射峰值越大.完全后向散射方向使用本研究中的角度測(cè)量裝置是不能實(shí)現(xiàn)的，因此，使用改進(jìn)的Hapke［2，19］模型計(jì)算值作為數(shù)據(jù)補(bǔ)充.

圖2 沙地表面在670nm 處，入射天頂角為45°時(shí)的雙向反射分布圖

圖3 沙地表面在1 589nm 處，入射天頂角為45°時(shí)的雙向反射分布圖

4 反射信息與粒徑之間的關(guān)系

4.1 基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牧脚c反射信息之間的關(guān)系

本研究使用與Okin等［13］對(duì)應(yīng)的波段1 723與2 169nm 作為參考，利用垂直方向獲取的反射信息直接與粒徑大小建立線性回歸關(guān)系.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，粒徑變化1mm，1 723nm 處的反射信息會(huì)變化0.109；而2 169nm處的反射信息變化0.127，這一結(jié)果與Okin等［13］的研究結(jié)果相似.本研究當(dāng)中考慮的波段不包括波段1 723nm 與2 169nm，只研究了1 589nm 處反射信息與粒徑大小之間的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示.從圖4可以發(fā)現(xiàn)，在垂直方向獲取的反射信息與粒徑大小之間的線性相關(guān)性很高，這表明，粒徑大小可以通過(guò)反射信息直接反演得到.

4.2 基于半變異函數(shù)描述沙地表面

表1為不同粒徑沙地表面在1 589nm 波段，前向散射方向與后向散射方向的反射系數(shù)，以及各向異性測(cè)量系數(shù)（M）.其中

式中r＋40°與r－40°分別為沙地在入射主平面后向散射方向40°與前向散射方向40°的反射系數(shù).

將各向異性測(cè)量系數(shù)（M）與基臺(tái)值建立回歸關(guān)系，得出的結(jié)果如圖5所示.通過(guò)兩者之間的相關(guān)性可以發(fā)現(xiàn)，利用各向異性測(cè)量值可以很好地表示地表粗糙度.

表1 沙地表面前向與后向散射的反射系數(shù)以及各向異性測(cè)量系數(shù)

5 結(jié)論

以上對(duì)6個(gè)粒徑等級(jí)沙地表面雙向反射信息的測(cè)量結(jié)果表明，粒徑大小對(duì)沙地表面的雙向反射特性有影響，表現(xiàn)為沙地的粒徑越大對(duì)應(yīng)的反射光譜曲線越低，其中近紅外波段反射信息隨粒徑增加而降低的趨勢(shì)比可見(jiàn)光波段更明顯.沙地表面的雙向反射分布也受到粒徑大小的影響，其中主要的兩個(gè)方向?yàn)榍跋蛏⑸浞较蚝秃笙蛏⑸浞较?

本研究不僅分析了粒徑大小對(duì)沙地表面反射特性的影響，同時(shí)擴(kuò)展到了利用反射信息反演粒徑大小的研究.反演粒徑大小經(jīng)常使用了兩種方法：一種是利用反射信息直接建立與粒徑大小之間的關(guān)系；另外一種方法是基于地學(xué)統(tǒng)計(jì)規(guī)律描述不同粒徑的沙地表面，隨后與各向異性反射測(cè)量值建立關(guān)系.這也進(jìn)一步證明了Okin等［13］提出的直接回歸方法可以用于監(jiān)測(cè)沙地表面的粒徑大小.將各向異性測(cè)量系數(shù)（M）與基臺(tái)值之間的關(guān)系，與反射系數(shù)與粒徑之間的關(guān)系進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種方法均可以很好地反映出沙地粒徑的大小.但是前者的M 與基臺(tái)值之間的相關(guān)性要略微高一些；同時(shí)，M 是一個(gè)比值，與垂直方向測(cè)量的反射系數(shù)比較，受到環(huán)境影響因素的干擾要小得多.通過(guò)結(jié)果分析可以得出：各向異性反射測(cè)量值與基臺(tái)值之間的關(guān)系可以更好地反映出沙地粒徑的大??；此外，由于各向異性不僅可以利用多角度探測(cè)裝置直接獲取，同時(shí)也可以反映出沙地表面反射特性的分布特征.

本研究不僅分析了粒徑大小對(duì)沙地表面雙向反射的影響，也提出了可以利用反射信息計(jì)算出沙地表面粒徑的方法，為沙地表面粒徑大小的反演提供了依據(jù).由于實(shí)際工作中沙地表面的粒徑是隨機(jī)分布的，而且會(huì)有植被覆蓋，因此需要更多的補(bǔ)充以逐漸完善這種基于回歸分析的方法來(lái)確定沙地粒徑大小的研究方法.

除此之外，多角度高光譜信息不僅可以在遙感研究當(dāng)中發(fā)揮作用，從土壤科學(xué)研究角度來(lái)看，沙地表面的反射信息可以成為實(shí)驗(yàn)室或者野外現(xiàn)場(chǎng)快速判斷粒徑大小的有效方法.其中，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，不僅可以控制入射光源的方向，而且可以對(duì)測(cè)量樣品進(jìn)行處理，使其表面變得平滑，與本研究的測(cè)量目標(biāo)相似，獲取反射信息之后便可以利用經(jīng)驗(yàn)回歸模型直接判斷沙地的粒徑大小.在野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量過(guò)程中，只需要在垂直方向?qū)⑻綔y(cè)器固定好，在天氣變化顯著的情況下，可確保在短時(shí)間內(nèi)測(cè)量不同沙地表面的反射信息，較容易地計(jì)算出粒徑大?。蝗绻谇缋薀o(wú)云的天氣，則可在20min之內(nèi)完成測(cè)量，以較高的精度計(jì)算出沙地的粒徑大小.總之，反射特性在沙地參數(shù)反演研究過(guò)程中不僅會(huì)起到重要作用，而且會(huì)成為未來(lái)的研究重點(diǎn).

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