基于垂直观测的植被冠层高光谱偏振反射特性研究_吕云峰

第３　３卷，第４期 光谱学与光谱分析Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．４，ｐｐ

１０２８－１０３１２　０　１　３年４月 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ａｎｄ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ａｐ

ｒｉｌ，２０１３　基于垂直观测的植被冠层高光谱偏振反射特性研究

吕云峰

长春师范学院城市与环境科学学院，吉林长春　１３００３２

摘　要　以玉米冠层为研究对象，首先利用偏振反射机理分析了玉米冠层的反射信息中存在偏振现象；随后在抽穗前不同生长时期垂直观测方向对其高光谱偏振信息进行了测量，证明了理论推导，而且发现偏振光在总的反射光中所占的比例可达１０％。这即表明了偏振测量可以为对地遥感提供辅助信息，同时也说明利用偏振信息反演大气参数时应该考虑地表偏振对它的影响。关键词　遥感；高光谱；偏振；植被冠层

中图分类号：ＴＰ７２ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ

．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１３）０４－１０２８－０４　收稿日期：

２０１２－０８－２４，修订日期：２０１２－１０－２５　基金项目：国家自然科学基金项目（

４１２０１３４３），吉林省科技厅青年科研基金项目（２０１１０１１０５），吉林省教育厅“十二五”项目（２０１２２２０）和长春师范学院自然科学基金项目（２０１００２４

）资助　作者简介：吕云峰，１９７７年生，长春师范学院城市与环境科学学院博士研究生 ｅ－ｍａｉｌ：ｑｉｎｇｓｏｎｇ

ｗｅｂ＠１６３．ｃｏｍ引　言

对地遥感技术中偏振测量已经可以反演地表参数提供额

外且有效的辅助信息，同时也会对探测器获得的大气偏振特

性有所影响［

１］

。早期的研究已经表明，可见光波段范围内的偏振测量可

以用来估计植被冠层的粗糙度［

２］

。植被冠层的粗糙度可以从冠层延伸到叶片，因为冠层的粗糙度可以确定植物的生长方向，叶片粗糙度决定了植被冠层对光的偏振能力，同时，叶片越多产生偏振光机会就越大。所以，植被量的多少就可以通过偏振来反映出来

［３］

。镜面反射是在植被冠层较常见的一

种现象，也是产生偏振的主要原因。Ｖａｎｄｅｒｂｉｌｔ［４］

等推导出可以反映植被冠层镜面反射与偏振反射光的模型，该模型基于冠层的形态、物候特征与菲涅尔公式。可以将生长阶段、叶片含水量、某些植被疾病与偏振测量之间建立起关系。

像玉米、高粱和小麦这样的植被冠层，通常会产生大量的镜面反射光，从而在朝向太阳方向倾斜观测时这些植物会出现白光而不是绿光。植物闪光叶片的镜面反射主要是源于

叶片表皮的蜡质层，而这部分光是偏振光［５］

。Ｖａｎｄｅｒｂｉｌｔ［５］等

对作物冠层的偏振特性做了研究，这对植被冠层对光的散射与偏振作用的理解提供了基本的解释。与此同时，利用偏振测量可以将小麦冠层的反射信息分成镜面反射部分和漫反射

部分，这将有助于发展更完善的植被冠层辐射传输模型［

６］

。为了更好的理解植被散射光中偏振特性，Ｗｏｅｓｓｎｅｒ与Ｈａｐ

ｋｅ［７］

研究了三叶草的偏振特性，在与前面研究结果相同的基础上，他们发现投射光会产生负偏振显现，而这会影响

呈聚集状态叶片对光的偏振能力。在对小麦冠层进行偏振测

量时，Ｇｈｏｓｈ等［８］

在相对太阳入射方位１８０°

，探测天顶角度为６０°，７０°和８０°前向散射方向对小麦冠层进行了偏振测量，并以偏振度为指标说明了偏振测量可以更好的描述小麦抽穗期的开始时间。

在植被偏振测量过程中，研究者们都将注意力集中在了冠层对光的偏振能力及单个叶片的偏振反射特性，Ｇｒａｎｔ

等［９］

在布儒斯特角处对大量不同种类的植物叶片进行了偏振

测量，发现所有叶片对光都具有偏振作用，镜面反射与表面颗粒的散射都会引起偏振光，而且偏振光只在叶片表面产生，叶片内部结构对偏振没有任何影响。

随着对地偏振测量的发展，也由实验测量转变到模型的

建立，Ｂｒｅｏｎ等［１

０］

建立了基于物理理论的分析模型，其中包括植被的偏振反射模型，他们的结果表明，在星载遥感背景下，利用偏振反射监测植被的信息将会非常的弱，但是却对气溶胶遥感有很大帮助。虽然如此，如果气溶胶的偏振反射小于地表的偏振反射，则相对误差就会变的非差大。Ｂｒｅｏｎ

等［１０］

的模型同时也指出最适合气溶胶遥感的情况是地表偏

振反射非常小的探测角度方向。也就是在垂直向下方向进行大气偏振信息的获取，因为这个角度可以认为相对大气偏振

而言地物偏振可以忽略［

１１］

。但是，实际当中由于地面粗糙不平的表面会引起很多的镜面反射，使垂直探测时地表的偏振

作用会很大［

１２］

，出现地面偏振大于大气偏振的机会就会增加。

所以针对以上在对植被冠层的偏振测量过程中大部分研

究都集中在了前向散射方向以及垂直地面对大气偏振观测时将地表偏振忽略的情况下。在冠层可以产生偏振光理论的基础上，以垂直方向在玉米不同生长时期对其冠层的高光谱偏振反射特性进行测量，分析垂直探测方向植物冠层的偏振特性。这对研究利用偏振信息反演地表与气溶胶参数以及太阳

辐射与地表的相互作用过程具有较重要的意义［

１３－１６］。１　地表偏振反射理论

通常光可以以光强于偏振态的形式被表示出来。在大多

数光学遥感应用当中，只测量了不同波段的反射光强，同时根据光强变化来反映地表信息。

当自然光倾斜地入射到物体表面上时，假设地表的偏振反射是由镜面反射产生的，同时在镜面方向会发生反射和折射。设θｓ与θｔ分别为入射角与折射角，则依据菲涅耳反射公式

ｒＶ＝ｔａｎ（θｓ－θｔ）ｔａｎ（θｓ＋θｔ）

（１）ｒＨ＝ｓｉｎ（θｓ－θｔ）ｓｉｎ（θｓ＋θｔ）

（２）式中，ｒＶ和ｒＨ分别为Ｖ分量与Ｈ分量的振幅反射率。不考虑方向时，对两个分量的振幅反射率比较可以得出，当入射光垂直入射时，θｓ＝０°，ｒＶ＝ｒＨ，所以反射光不存在偏振特

性。当入射光为０°＜θｓ＜９０°时，ｒＶ＜ｒＨ

（３） 表明反射光电矢量的平行分量的值总是小于垂直分量。所以当入射光为自然光时，倾斜入射表面反射后，经过单次反射后是偏振光。根据式（４）可以将式（１）和式（２）中的折射角消去。

ｎ１ｓｉｎθｓ＝ｎ２ｓｉｎθｔ（４）式中，ｎ１为空气的折射率１，ｎ２为反射介质的折射率，则由

于镜面反射引起的相互垂直的两个偏振分量（Ｖ，Ｈ）是与介质折射率与入射角度有关的

［１０］

。

反射光中偏振部分可以通过Ｓｔｏｋｅｓ参量计算得到。而在实际测量当中，Ｖ可以忽略不计

［１２］

，其他各个分量表示为

Ｉ＝Ｉ０°＋Ｉ９０°＝Ｉ＋４５°＋Ｉ－

４５°Ｑ＝Ｉ０°－Ｉ９０°Ｕ＝Ｉ＋４５°－Ｉ－烅

烄

烆

４５°（５

）式中，Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ＋４５°，Ｉ－４５°，Ｉｌ和Ｉｒ分别表示在镜面反射情况下，探测器的偏振片透光轴方向在相对入射方向０°，９０°

，＋４５°，－４５°方向获得的线偏光。偏振度Ｐ可以由下式计算出来

Ｐ＝Ｑ２＋Ｕ

槡

２

Ｉ

（６

） 偏振度在本研究中作为一种对比的指标。同时结合双向反射系数来分析不同冰的反射信息。

对于地表反射的光强，可以通过双向反射系数来描述，同时也可以表示出地物的反射特征，它的定义是在相同入射条件下，目标物的反射光与一个理想的浪波反射体之间比值。

Ｒ＝

Ｌ′（θｓ，φ；θ′，φ

′）Ｌθｓφθ′φ

′（７

）式中，θｓ与φ表示入射辐射的天顶角与方位角，在反射辐射方向θ′与φ′获得反射辐射Ｌ′。Ｌ表示的是在相同条件下标

准白板的反射辐射值。

２　垂直观测植被冠层偏振反射过程

２．１　测量地点与测量环境

实验分别于２０１２年７月６日与７月１７日进行，天空晴朗无云，微风，测量时间为１１：５０—１２：４５。测量地点为长春师范学院内玉米试验田。坐标位置为：４３°５４′３７．１３″Ｎ，１２５°２３′４８．７７″Ｅ，海拔高度约为２００ｍ。测量日期均在抽穗前期，因为在研究小麦冠层偏振时发现麦穗的出现之后会减小冠层对光的偏振能力，从而很难建立偏振信息与小麦长势之间的

关系［

５］

。同样，抽穗期玉米顶端的雄蕾对玉米冠层的影响与小麦穗对小麦冠层的影响相似。

２．２　角度测量装置与光谱测量仪器

在野外测量过程中，利用中科院长春光机所北方液晶公司制造的测量系统，其中有手动角度调节器，同时结合ＡＳＤ地物光谱仪与偏振片对玉米冠层的高光谱偏振反射信息进行测量。

其中，角度调节器在测量过程中主要是用来变换探测角度，该仪器主要由三部分组成：测量支架、底座、手机械装置。测量支架前端为一圆筒，固定探测器光纤部分，同时可以将偏振片安装进行偏振测量，也具有改变探测视场角的能力（视场角范围最小可以确定在８°）；支架可以在相对天顶方向±９０°范围旋转，可控制精度为１．５°；而且可以在０．２～１．５ｍ范围自由上升与下降，从而在探测方向视场角不变的情况下，可以对不同面积地物进行测量。

角度测量仪器在所有探测角度都是对同一点进行测量的，测量点变换范围在２ｃｍ范围内。由于测量中心点的变化在对测量玉米冠层的影响中可以忽略。为了保证对玉米冠层进行测量，在玉米的不同生长时期通过调整底座高度来实现这一目标，同时利用水平仪为参照，调整探测器底座使其水平。且每次测量保证探测器探头与玉米冠层之间的距离一致（１ｍ），视场角一致（１０°）。实验中的偏振片为线偏振片，可以透过的波长范围是３００～１　０００ｎｍ；ＡＳＤ的光谱范围为３５０～１　

０００ｎｍ，可以结合起来对玉米冠层进行测量，在测量反射信息与偏振信息之后，又利用ＳＰＡＤ－５０２叶绿素仪进行了现场测量，得到的是ＳＰＡＤ值，值越高表明叶绿素含量越高。

２．３　反射系数与偏振度计算

在对玉米冠层偏振反射信息进行测量之前，参照式（７）所描述的定义，在垂直获取了其反射辐射，并对双向反射系数进行了计算。随后安装偏振片，利用在太阳入射面为参考面偏振片在０°，９０°，＋４５°，－４５°方向获得的线偏光，通过式（６

）计算植被冠层反射光中的偏振度。９

２０１第４期 光谱学与光谱分析