刘 宇，赵云升，刘焕军，卢 珊*

1. 东北师范大学地理科学学院，吉林 长春 130024 2. 东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030

影响土壤偏振亮度温度的因子分析

刘 宇1，赵云升1，刘焕军2，卢 珊1*

1. 东北师范大学地理科学学院，吉林 长春 130024 2. 东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030

土壤作为自然界的重要组成部分之一，对生态系统的形成和人类的生存均起着绝对不可忽视的作用，故对于土壤热红外偏振辐射特性的研究，具有十分重要的现实意义。而且，关于土壤在2π空间内的偏振热辐射特性的研究，国内外还未见报道。研究结果表明： 随着探测角的改变，土壤的偏振亮度温度在0°～80°范围内呈现非线性变化，当探测角的变化范围为60°～80°时，其偏振亮度温度随着探测角的增大而呈现明显的上升趋势； 不同方位角条件下，土壤的偏振亮度温度会发生改变，在0°～240°范围内，随着方位角的增大而呈现上升趋势，在240°～320°范围内，呈现下降趋势； 波段和偏振角对于土壤的偏振亮度温度的变化均具有一定的影响，而且二者的变化曲线的波动幅度都较为平缓； 不同土壤类型的偏振辐射亮度温度不同，呈现草甸黑土>淋溶黑钙土>典型黑钙土>草甸风沙土的规律。以上研究为热红外偏振遥感基础理论研究提供重要依据。

2π空间； 偏振亮度温度； 探测角； 方位角； 热辐射； 土壤类型

引 言

黑体为朗伯源，其辐射各向同性，而自然界的绝大部分地物并非绝对黑体，其发射辐射不仅具有多角度、多方位的空间分布特征，而且还具有偏振特性[1]。位于8～14 μm的热红外通道是重要的大气窗口之一，主要用于研究地物自身发射的电磁波辐射特征[2]。位于热红外通道的多角度、多波段、偏振信息的结合是遥感新的研究方向[3-5]。

土壤是自然界的重要组成部分，也是人类赖以生存的基本条件，不同的土壤环境会形成不同的生态系统。因此，对于土壤特性的研究具有重要的理论价值和应用前景。在对土壤特性的研究中，国内外学者已取得丰硕成果，但大部分处于反射光谱阶段[6-10]，对其在热红外通道的发射光谱的偏振特性研究还未见报道[11-12]。

本文从多角度、多波段以及偏振角等方面对土壤的偏振亮度温度进行测量，并从探测天顶角、探测方位角、波段、偏振角和土壤类型五个方面对土壤的偏振热辐射特性进行研究，分析影响土壤的偏振热辐射特性的因素，为偏振热红外土壤遥感提供科学依据。

1 实验部分

1.1 仪器

实验将法国CIMEL电子仪器公司生产的热红外波段式仪器—CE312-1b热红外辐射计和NENULGS(the Northeast Normal University Laboratory Goniospectrometer System)测量系统进行结合(见图1)，使其能够满足2π空间范围内，测量样本的热辐射的全方位测量。

其中，热红外辐射计的技术指标如表1所示，其光谱波段的设置与遥感卫星上所搭载的热红外传感器的波段设置一致； NENULGS测量系统的探测天顶角的范围为-90°～+90°，探测精度为12′； 探测方位角范围为0°～360°，探测精度为0.5°。在测量过程中，为仪器配备了热红外偏振片(见图2)，可通过该偏振片的光的波长为3～15 μm，并且该偏振片可在0°～360°范围内的任意旋转，精度为2°，用于测量实验样本的偏振热辐射特性。

图1 红外辐射计(CE312-1b)与NENULGS测量系统

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

表1 热红外辐射计的技术指标

图2 热红外偏振片

1.2 样本

测量所用样本共包含四种土壤类型： 草甸土(Meadow Soil，C322)，风沙土(Aeolian Soil，G153)，黑钙土(Chernozem，D111)和淋溶黑钙土(Leached Chernozem，D112)。这四种土壤类型为松嫩平原主要土壤类型，呈带状分布，试验所用样本均垂直于样带采样，且由西南向东北方向，地势逐渐升高，其中，风沙土的采样坐标为124°18′42.0″E 46°33′10.4″N，黑钙土的采样坐标为124°59′51.3″E 47°15′23.7″N，淋溶黑钙土的采样坐标为125°21′26.1″E 47°48′40.5″N，草甸土的采样坐标为125°47′47.4″E 47°13′10.9″N。试验所用样本均采自农田。

土壤水分状况又称熵情，当土壤的含水量为15%～18.5%时，称为适熵，是播种耕作适宜的熵情，因此，测量所选用的土壤含水量均为15%。样品盒是铝制品(平均比辐射率为0.03～0.07)，可以尽量减少容器自身辐射对测量结果的影响。

1.3 注意事项

(1)将测量样本放在与测量平台相同的高度，使其与测量平台的温度一致，尽量减少测量过程中潜热或者显热等交换过程。

(2)保持热红外辐射计的测量探头温度不变，防止探头温度的波动对于测量结果的影响。

(3)测量样本均放置在NENULGS测量系统的标准位置上，可以有效避免由于样本放置位置的不同而导致的测量结果的误差。

(4)保证室内的温度和湿度衡定，以提高测量结果的准确性。

2 结果与讨论

下面从探测天顶角、探测方位角、波段、偏振角和土壤类型五个方面对测量结果进行分析与讨论。

2.1 探测天顶角对土壤的偏振亮度温度的影响

在方位角为0°、波段为CH1以及偏振角为0°时，探测天顶角由0°变到80°(变化步长为20°)，不同土壤类型的偏振亮度温度随着探测天顶角(以下简称探测角)的变化而呈现出的变化规律如图3所示。

图3 偏振亮度温度随探测天顶角的变化曲线图

图3显示，探测角不同，土壤的偏振亮度温度也发生相应的变化，而且不同土壤类型的偏振亮度温度随着探测角的改变而呈现出不同的变化规律。对于草甸土和风沙土来说，二者的偏振亮度温度在探测角的变化范围为0°～40°时，均随着探测角的增大而呈现降低的趋势，当探测角为40°时，均达到最小值，并且可以发现，草甸土的下降幅度要明显大于风沙土，其后，二者的偏振亮度温度均随着探测角的增大而呈现上升趋势，而且草甸土的变化幅度同样明显大于风沙土，在探测角为80°时，二者的偏振亮度温度均达到最大值，草甸土的最大差异为0.60 ℃，风沙土的最大差异为0.40 ℃。黑钙土的偏振亮度温度在探测角为20°时，达到最小值，在探测角的变化范围为20°～80°时，随着探测角的增大而呈现明显的增加趋势，在探测角80°时，达到最大值，但是在探测角为40°和60°时，偏振亮度温度几乎相等，没有明显变化，其最大差异为0.51 ℃。而对于淋溶黑钙土来说，其偏振亮度温度在探测角的变化范围为0°～60°时，随着探测角的增加而减小，在探测角为60°时，达到最小值，而在探测角为60°～80°时，有一个明显的上升趋势，并在探测角为80°时，达到最大值，最大差异为0.34 ℃。可以看出，探测天顶角的变化对土壤的偏振亮度温度产生影响，而且对于不同的土壤类型，所呈现的非线性变化规律也不尽相同，但是在探测角的变化范围为60°～80°，其偏振亮度温度均随着探测角的增大而呈现明显的上升趋势。

2.2 探测方位角对土壤的偏振亮度温度的影响

在探测天顶角为0°、波段为CH1以及偏振角为0°时，探测方位角由0°变到320°(变化步长为80°)，不同土壤类型的偏振亮度温度随着探测方位角(以下简称方位角)的变化而呈现出的变化规律如图4所示。

图4 偏振亮度温度随探测方位角的变化曲线图

图4显示，不同土壤类型的偏振亮度温度随着方位角的改变而呈现出相同的变化规律： 即在方位角的变化范围为0°～240°时，随着方位角的增大，偏振亮度温度均呈现上升的趋势，在方位角为240°时，均达到最大值，而在方位角的变化范围为240°～320°时，其偏振亮度温度均随着方位角的增大而降低。

2.3 波段对土壤的偏振亮度温度的影响

在探测天顶角为60°、方位角为0°以及偏振角为0°时，波段由CH1变到CH4时，不同土壤类型的偏振亮度温度随着探测波段的变化而呈现出的变化规律如图5所示。

图5 偏振亮度温度随波段的变化曲线图

图5显示，不同土壤类型的偏振亮度温度随着波段的改变呈现出不同的变化规律。对于草甸土，在第一通道、第二通道和第三通道处的偏振亮度温度相差不大，而在第四通道处，其偏振亮度温度有一个上升趋势，其最大差异为0.08 ℃。对于淋溶黑钙土，在第三通道处，其偏振亮度温度达到最大值，在第二通道和第四通道处的偏振亮度温度相差不大，而在第一通道处，其偏振亮度温度为最小值，其最大差异为0.10 ℃。黑钙土的偏振亮度温度在第一通道和第三通道处较小，而在第二通道和第四通道处较大，并且在第一通道处其值最小，在第四通道处其值最大，最大差异为0.07 ℃。而风沙土的偏振亮度温度在第二通道处达到最小值，在第四通道处达到最大值，而在第一通道和第三通道处几乎相等，其最大差异为0.05 ℃。可以看出，探测波段的不同，对于土壤的偏振亮度温度的改变有一定的影响，而且探测波段的改变对于不同土壤类型的偏振亮度温度变化的影响也不尽相同，偏振亮度温度表现为草甸土最大，淋溶黑钙土次之，接着为黑钙土，风沙土最小，且草甸土明显大于其他三种类型。

2.4 偏振角对土壤的偏振亮度温度的影响

在探测天顶角60°、方位角为0°以及波段为CH1时，偏振角由0°变到120°(变化步长为30°)，不同土壤类型的偏振亮度温度随着偏振角的变化而呈现出的变化规律如图6所示。

图6 偏振亮度温度随偏振角的变化曲线图

图6显示，土壤类型不同，对偏振角的变化的敏感程度也不相同。草甸土和风沙土的偏振亮度温度随着偏振角度的增大均呈现下降的趋势，但是草甸土的下降幅度明显大于风沙土，其中草甸土的偏振亮度温度的最大差异为0.18 ℃，风沙土的偏振亮度温度的最大差异为0.06 ℃。对于淋溶黑钙土来说，当偏振角度为30°，偏振亮度温度达到最大值，当偏振角度在30°～90°之间时，偏振亮度温度随着偏振角度的增大而减少，当偏振角度达到90°时，偏振亮度温度为最小值，其最大差异为0.12 ℃。而对于黑钙土来说，当偏振角度为30°时，偏振亮度温度达到最大值，在30°～120°的偏振角度内，偏振亮度温度随着偏振角度的增大而呈现下降趋势，并且下降趋势逐渐缓慢，其最大差异达到0.20 ℃。可以看出，随着偏振角度的改变，土壤的偏振亮度温度也随之改变，而且不同的土壤类型对于偏振角度的响应程度不同。

3 结 论

(1)探测天顶角的变化对土壤偏振亮度温度产生影响，对于不同的土壤类型，所呈现的非线性变化规律也不尽相同，但是在探测角的变化范围为60°～80°，其偏振亮度温度均随着探测角的增大而呈现明显的上升趋势。

(2)方位角的变化会引起土壤的偏振亮度温度的改变，然而不同土壤类型的偏振亮度温度随着方位角的改变呈现相同的变化规律，在方位角的变化范围为0°～240°时，随着方位角的增大，偏振亮度温度呈现上升的趋势，而在方位角的变化范围为240°～320°时，其偏振亮度温度呈现相反趋势。

(3)波段的变化对土壤的偏振亮度温度有一定的影响，而且探测波段的改变对于不同土壤类型的偏振亮度温度变化的影响也不尽相同，但是变化曲线的波动幅度均比较平缓，偏振亮度温度表现为草甸土最大，淋溶黑钙土次之，黑钙土、风沙土为最小，且草甸土与其他三种类型有明显差异。

(4)当偏振角变化时，土壤的偏振亮度温度曲线波动不明显，但不同的土壤类型对于偏振角的变化响应程度明显不同。

(5)土壤类型的变化会导致土壤的偏振辐射亮度温度发生改变，总体呈现出草甸土>淋溶黑钙土>黑钙土>风沙土的规律，而且草甸土的偏振亮度温度明显大于其他三种类型土壤。

本试验对热红外遥感理论研究具有重要参考价值，且对土壤的分类识别有广泛应用前景，但是对影响土壤偏振热辐射特性的因素仅仅进行了初步探讨，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

国家自然科学基金项目(41271350，41001258)和吉林省教育厅“十二五”科学技术研究规划项目资助

刘 宇，女，1993年生，东北师范大学地理科学学院硕士研究生 e-mail： Liuy212@nenu.edu.cn *通讯联系人 e-mail： Lus123 @nenu.edu.cn

TP72

A

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