影響土壤偏振亮度溫度的因子分析

劉 宇，趙云升，劉煥軍，盧 珊*

1. 東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130024 2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030

影響土壤偏振亮度溫度的因子分析

劉 宇1，趙云升1，劉煥軍2，盧 珊1*

1. 東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130024 2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030

土壤作為自然界的重要組成部分之一，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的形成和人類的生存均起著絕對(duì)不可忽視的作用，故對(duì)于土壤熱紅外偏振輻射特性的研究，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。而且，關(guān)于土壤在2π空間內(nèi)的偏振熱輻射特性的研究，國內(nèi)外還未見報(bào)道。研究結(jié)果表明： 隨著探測角的改變，土壤的偏振亮度溫度在0°～80°范圍內(nèi)呈現(xiàn)非線性變化，當(dāng)探測角的變化范圍為60°～80°時(shí)，其偏振亮度溫度隨著探測角的增大而呈現(xiàn)明顯的上升趨勢； 不同方位角條件下，土壤的偏振亮度溫度會(huì)發(fā)生改變，在0°～240°范圍內(nèi)，隨著方位角的增大而呈現(xiàn)上升趨勢，在240°～320°范圍內(nèi)，呈現(xiàn)下降趨勢； 波段和偏振角對(duì)于土壤的偏振亮度溫度的變化均具有一定的影響，而且二者的變化曲線的波動(dòng)幅度都較為平緩； 不同土壤類型的偏振輻射亮度溫度不同，呈現(xiàn)草甸黑土>淋溶黑鈣土>典型黑鈣土>草甸風(fēng)沙土的規(guī)律。以上研究為熱紅外偏振遙感基礎(chǔ)理論研究提供重要依據(jù)。

2π空間； 偏振亮度溫度； 探測角； 方位角； 熱輻射； 土壤類型

引 言

黑體為朗伯源，其輻射各向同性，而自然界的絕大部分地物并非絕對(duì)黑體，其發(fā)射輻射不僅具有多角度、多方位的空間分布特征，而且還具有偏振特性[1]。位于8～14 μm的熱紅外通道是重要的大氣窗口之一，主要用于研究地物自身發(fā)射的電磁波輻射特征[2]。位于熱紅外通道的多角度、多波段、偏振信息的結(jié)合是遙感新的研究方向[3-5]。

土壤是自然界的重要組成部分，也是人類賴以生存的基本條件，不同的土壤環(huán)境會(huì)形成不同的生態(tài)系統(tǒng)。因此，對(duì)于土壤特性的研究具有重要的理論價(jià)值和應(yīng)用前景。在對(duì)土壤特性的研究中，國內(nèi)外學(xué)者已取得豐碩成果，但大部分處于反射光譜階段[6-10]，對(duì)其在熱紅外通道的發(fā)射光譜的偏振特性研究還未見報(bào)道[11-12]。

本文從多角度、多波段以及偏振角等方面對(duì)土壤的偏振亮度溫度進(jìn)行測量，并從探測天頂角、探測方位角、波段、偏振角和土壤類型五個(gè)方面對(duì)土壤的偏振熱輻射特性進(jìn)行研究，分析影響土壤的偏振熱輻射特性的因素，為偏振熱紅外土壤遙感提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器

實(shí)驗(yàn)將法國CIMEL電子儀器公司生產(chǎn)的熱紅外波段式儀器—CE312-1b熱紅外輻射計(jì)和NENULGS(the Northeast Normal University Laboratory Goniospectrometer System)測量系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合(見圖1)，使其能夠滿足2π空間范圍內(nèi)，測量樣本的熱輻射的全方位測量。

其中，熱紅外輻射計(jì)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示，其光譜波段的設(shè)置與遙感衛(wèi)星上所搭載的熱紅外傳感器的波段設(shè)置一致； NENULGS測量系統(tǒng)的探測天頂角的范圍為-90°～+90°，探測精度為12′； 探測方位角范圍為0°～360°，探測精度為0.5°。在測量過程中，為儀器配備了熱紅外偏振片(見圖2)，可通過該偏振片的光的波長為3～15 μm，并且該偏振片可在0°～360°范圍內(nèi)的任意旋轉(zhuǎn)，精度為2°，用于測量實(shí)驗(yàn)樣本的偏振熱輻射特性。

圖1 紅外輻射計(jì)(CE312-1b)與NENULGS測量系統(tǒng)

Fig.1 Thermal infrared radiometer (CE312-1b) and the Northeast Normal University Laboratory Goniospectrometer System

表1 熱紅外輻射計(jì)的技術(shù)指標(biāo)

圖2 熱紅外偏振片

1.2 樣本

測量所用樣本共包含四種土壤類型： 草甸土(Meadow Soil，C322)，風(fēng)沙土(Aeolian Soil，G153)，黑鈣土(Chernozem，D111)和淋溶黑鈣土(Leached Chernozem，D112)。這四種土壤類型為松嫩平原主要土壤類型，呈帶狀分布，試驗(yàn)所用樣本均垂直于樣帶采樣，且由西南向東北方向，地勢逐漸升高，其中，風(fēng)沙土的采樣坐標(biāo)為124°18′42.0″E 46°33′10.4″N，黑鈣土的采樣坐標(biāo)為124°59′51.3″E 47°15′23.7″N，淋溶黑鈣土的采樣坐標(biāo)為125°21′26.1″E 47°48′40.5″N，草甸土的采樣坐標(biāo)為125°47′47.4″E 47°13′10.9″N。試驗(yàn)所用樣本均采自農(nóng)田。

土壤水分狀況又稱熵情，當(dāng)土壤的含水量為15%～18.5%時(shí)，稱為適熵，是播種耕作適宜的熵情，因此，測量所選用的土壤含水量均為15%。樣品盒是鋁制品(平均比輻射率為0.03～0.07)，可以盡量減少容器自身輻射對(duì)測量結(jié)果的影響。

1.3 注意事項(xiàng)

(1)將測量樣本放在與測量平臺(tái)相同的高度，使其與測量平臺(tái)的溫度一致，盡量減少測量過程中潛熱或者顯熱等交換過程。

(2)保持熱紅外輻射計(jì)的測量探頭溫度不變，防止探頭溫度的波動(dòng)對(duì)于測量結(jié)果的影響。

(3)測量樣本均放置在NENULGS測量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)位置上，可以有效避免由于樣本放置位置的不同而導(dǎo)致的測量結(jié)果的誤差。

(4)保證室內(nèi)的溫度和濕度衡定，以提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與討論

下面從探測天頂角、探測方位角、波段、偏振角和土壤類型五個(gè)方面對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行分析與討論。

2.1 探測天頂角對(duì)土壤的偏振亮度溫度的影響

在方位角為0°、波段為CH1以及偏振角為0°時(shí)，探測天頂角由0°變到80°(變化步長為20°)，不同土壤類型的偏振亮度溫度隨著探測天頂角(以下簡稱探測角)的變化而呈現(xiàn)出的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 偏振亮度溫度隨探測天頂角的變化曲線圖

圖3顯示，探測角不同，土壤的偏振亮度溫度也發(fā)生相應(yīng)的變化，而且不同土壤類型的偏振亮度溫度隨著探測角的改變而呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。對(duì)于草甸土和風(fēng)沙土來說，二者的偏振亮度溫度在探測角的變化范圍為0°～40°時(shí)，均隨著探測角的增大而呈現(xiàn)降低的趨勢，當(dāng)探測角為40°時(shí)，均達(dá)到最小值，并且可以發(fā)現(xiàn)，草甸土的下降幅度要明顯大于風(fēng)沙土，其后，二者的偏振亮度溫度均隨著探測角的增大而呈現(xiàn)上升趨勢，而且草甸土的變化幅度同樣明顯大于風(fēng)沙土，在探測角為80°時(shí)，二者的偏振亮度溫度均達(dá)到最大值，草甸土的最大差異為0.60 ℃，風(fēng)沙土的最大差異為0.40 ℃。黑鈣土的偏振亮度溫度在探測角為20°時(shí)，達(dá)到最小值，在探測角的變化范圍為20°～80°時(shí)，隨著探測角的增大而呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，在探測角80°時(shí)，達(dá)到最大值，但是在探測角為40°和60°時(shí)，偏振亮度溫度幾乎相等，沒有明顯變化，其最大差異為0.51 ℃。而對(duì)于淋溶黑鈣土來說，其偏振亮度溫度在探測角的變化范圍為0°～60°時(shí)，隨著探測角的增加而減小，在探測角為60°時(shí)，達(dá)到最小值，而在探測角為60°～80°時(shí)，有一個(gè)明顯的上升趨勢，并在探測角為80°時(shí)，達(dá)到最大值，最大差異為0.34 ℃?？梢钥闯觯綔y天頂角的變化對(duì)土壤的偏振亮度溫度產(chǎn)生影響，而且對(duì)于不同的土壤類型，所呈現(xiàn)的非線性變化規(guī)律也不盡相同，但是在探測角的變化范圍為60°～80°，其偏振亮度溫度均隨著探測角的增大而呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。

2.2 探測方位角對(duì)土壤的偏振亮度溫度的影響

在探測天頂角為0°、波段為CH1以及偏振角為0°時(shí)，探測方位角由0°變到320°(變化步長為80°)，不同土壤類型的偏振亮度溫度隨著探測方位角(以下簡稱方位角)的變化而呈現(xiàn)出的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 偏振亮度溫度隨探測方位角的變化曲線圖

圖4顯示，不同土壤類型的偏振亮度溫度隨著方位角的改變而呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律： 即在方位角的變化范圍為0°～240°時(shí)，隨著方位角的增大，偏振亮度溫度均呈現(xiàn)上升的趨勢，在方位角為240°時(shí)，均達(dá)到最大值，而在方位角的變化范圍為240°～320°時(shí)，其偏振亮度溫度均隨著方位角的增大而降低。

2.3 波段對(duì)土壤的偏振亮度溫度的影響

在探測天頂角為60°、方位角為0°以及偏振角為0°時(shí)，波段由CH1變到CH4時(shí)，不同土壤類型的偏振亮度溫度隨著探測波段的變化而呈現(xiàn)出的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 偏振亮度溫度隨波段的變化曲線圖

圖5顯示，不同土壤類型的偏振亮度溫度隨著波段的改變呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。對(duì)于草甸土，在第一通道、第二通道和第三通道處的偏振亮度溫度相差不大，而在第四通道處，其偏振亮度溫度有一個(gè)上升趨勢，其最大差異為0.08 ℃。對(duì)于淋溶黑鈣土，在第三通道處，其偏振亮度溫度達(dá)到最大值，在第二通道和第四通道處的偏振亮度溫度相差不大，而在第一通道處，其偏振亮度溫度為最小值，其最大差異為0.10 ℃。黑鈣土的偏振亮度溫度在第一通道和第三通道處較小，而在第二通道和第四通道處較大，并且在第一通道處其值最小，在第四通道處其值最大，最大差異為0.07 ℃。而風(fēng)沙土的偏振亮度溫度在第二通道處達(dá)到最小值，在第四通道處達(dá)到最大值，而在第一通道和第三通道處幾乎相等，其最大差異為0.05 ℃?？梢钥闯?，探測波段的不同，對(duì)于土壤的偏振亮度溫度的改變有一定的影響，而且探測波段的改變對(duì)于不同土壤類型的偏振亮度溫度變化的影響也不盡相同，偏振亮度溫度表現(xiàn)為草甸土最大，淋溶黑鈣土次之，接著為黑鈣土，風(fēng)沙土最小，且草甸土明顯大于其他三種類型。

2.4 偏振角對(duì)土壤的偏振亮度溫度的影響

在探測天頂角60°、方位角為0°以及波段為CH1時(shí)，偏振角由0°變到120°(變化步長為30°)，不同土壤類型的偏振亮度溫度隨著偏振角的變化而呈現(xiàn)出的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 偏振亮度溫度隨偏振角的變化曲線圖

圖6顯示，土壤類型不同，對(duì)偏振角的變化的敏感程度也不相同。草甸土和風(fēng)沙土的偏振亮度溫度隨著偏振角度的增大均呈現(xiàn)下降的趨勢，但是草甸土的下降幅度明顯大于風(fēng)沙土，其中草甸土的偏振亮度溫度的最大差異為0.18 ℃，風(fēng)沙土的偏振亮度溫度的最大差異為0.06 ℃。對(duì)于淋溶黑鈣土來說，當(dāng)偏振角度為30°，偏振亮度溫度達(dá)到最大值，當(dāng)偏振角度在30°～90°之間時(shí)，偏振亮度溫度隨著偏振角度的增大而減少，當(dāng)偏振角度達(dá)到90°時(shí)，偏振亮度溫度為最小值，其最大差異為0.12 ℃。而對(duì)于黑鈣土來說，當(dāng)偏振角度為30°時(shí)，偏振亮度溫度達(dá)到最大值，在30°～120°的偏振角度內(nèi)，偏振亮度溫度隨著偏振角度的增大而呈現(xiàn)下降趨勢，并且下降趨勢逐漸緩慢，其最大差異達(dá)到0.20 ℃?？梢钥闯?，隨著偏振角度的改變，土壤的偏振亮度溫度也隨之改變，而且不同的土壤類型對(duì)于偏振角度的響應(yīng)程度不同。

3 結(jié) 論

(1)探測天頂角的變化對(duì)土壤偏振亮度溫度產(chǎn)生影響，對(duì)于不同的土壤類型，所呈現(xiàn)的非線性變化規(guī)律也不盡相同，但是在探測角的變化范圍為60°～80°，其偏振亮度溫度均隨著探測角的增大而呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。

(2)方位角的變化會(huì)引起土壤的偏振亮度溫度的改變，然而不同土壤類型的偏振亮度溫度隨著方位角的改變呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，在方位角的變化范圍為0°～240°時(shí)，隨著方位角的增大，偏振亮度溫度呈現(xiàn)上升的趨勢，而在方位角的變化范圍為240°～320°時(shí)，其偏振亮度溫度呈現(xiàn)相反趨勢。

(3)波段的變化對(duì)土壤的偏振亮度溫度有一定的影響，而且探測波段的改變對(duì)于不同土壤類型的偏振亮度溫度變化的影響也不盡相同，但是變化曲線的波動(dòng)幅度均比較平緩，偏振亮度溫度表現(xiàn)為草甸土最大，淋溶黑鈣土次之，黑鈣土、風(fēng)沙土為最小，且草甸土與其他三種類型有明顯差異。

(4)當(dāng)偏振角變化時(shí)，土壤的偏振亮度溫度曲線波動(dòng)不明顯，但不同的土壤類型對(duì)于偏振角的變化響應(yīng)程度明顯不同。

(5)土壤類型的變化會(huì)導(dǎo)致土壤的偏振輻射亮度溫度發(fā)生改變，總體呈現(xiàn)出草甸土>淋溶黑鈣土>黑鈣土>風(fēng)沙土的規(guī)律，而且草甸土的偏振亮度溫度明顯大于其他三種類型土壤。

本試驗(yàn)對(duì)熱紅外遙感理論研究具有重要參考價(jià)值，且對(duì)土壤的分類識(shí)別有廣泛應(yīng)用前景，但是對(duì)影響土壤偏振熱輻射特性的因素僅僅進(jìn)行了初步探討，有待今后作更深入的研究。

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(Received Feb. 16, 2015; accepted May 28, 2015)

*Corresponding author

Analysis on Impact Factors of Thermal Polarized Radiation Characteristics of the Soil

LIU Yu1，ZHAO Yun-sheng1，LIU Huan-jun2，LU Shan1*

1. School of Geographical Sciences, Northeast Normal University, Changchun 130024, China 2. College of Resources and Environment, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China

As an important content of the nature, soil has great influence on the formation of ecological system and human life. Therefore, the study of soil’s polarized thermal radiation characteristics has great practical significance. There have been few reports about the study of the polarized radiation characteristics of the soil in 2π space. The results showed that the polarized brightness temperature performed nonlinearly as the change of detection angles between 0° to 80°. However, polarized brightness temperature increased greatly when the detection angle changed from 60° to 80°. It also changed under different azimuth angles. The polarized brightness temperature increased as the growth of the azimuth angles in the range of 0° to 240°, but its tendency was opposite in the range between 240° and 320°. The channels and polarized angles both influenced the polarized brightness temperature. Their amplitudes of fluctuation of their own curves were gentle and the temperatures of different agrotype were various. The order was Meadow Soil>Leached Chernozem>Chernozem>Aeolian Soil. These results provide significant foundation to the study about the basic theory of thermal infrared polarization remote sensing.

2π space； Polarized brightness temperature； Detection angle； Azimuth angle； Thermal radiation； Agrotype

2015-02-16，

2015-05-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271350，41001258)和吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究規(guī)劃項(xiàng)目資助

劉 宇，女，1993年生，東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院碩士研究生 e-mail： Liuy212@nenu.edu.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail： Lus123 @nenu.edu.cn

TP72

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1813-05