偏振光譜的土壤濕度遙感方法實(shí)驗(yàn)研究

葉 松，鄧東鋒，孫曉兵，汪杰君，王新強(qiáng)*

1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004 2.中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031

偏振光譜的土壤濕度遙感方法實(shí)驗(yàn)研究

葉 松1，鄧東鋒1，孫曉兵2，汪杰君1，王新強(qiáng)1*

1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004 2.中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031

偏振探測作為一種新型遙感技術(shù)，是對傳統(tǒng)光譜遙感探測的有益補(bǔ)充，為目標(biāo)遙感探測提供更豐富的信息。用地物偏振光譜儀實(shí)驗(yàn)測量，分析土壤濕度與偏振光譜的相關(guān)性，同時研究不同觀測角下的土壤表面反射光偏振光譜特性。結(jié)果表明：在土壤濕度較高的情況下，偏振光譜與土壤濕度具有一定的相關(guān)性，尤其在500～700 nm波段，濕度與偏振度呈正比關(guān)系； 低濕度的情況下，偏振光譜與土壤濕度相關(guān)性不明顯； 此外，不同觀測角對偏振光譜也有影響，如入射角固定為50°，觀測角在20°～60°區(qū)間測量時，偏振度隨觀測角增大而增大，且觀測角愈大，偏振度隨濕度的變化愈顯著。

土壤濕度； 偏振光譜； 多角度； 偏振遙感

引 言

土壤濕度監(jiān)測在水文學(xué)、氣象學(xué)以及農(nóng)業(yè)科學(xué)研究領(lǐng)域具有重要意義。常規(guī)的土壤濕度監(jiān)測以點(diǎn)測量為主，難以實(shí)現(xiàn)大面積，實(shí)時動態(tài)監(jiān)測。而遙感技術(shù)的發(fā)展為大面積的土壤濕度實(shí)時動態(tài)監(jiān)測提供了可能。傳統(tǒng)的光學(xué)遙感主要基于土壤光譜反射率的變化來反演土壤濕度[1-2]。與傳統(tǒng)方法相比，偏振遙感除可獲取地物光譜輻射強(qiáng)度信息外，還可以獲取地物的偏振參量信息。由于偏振特征對土壤濕度變化的敏感性，使得基于偏振信息的土壤濕度遙感具有更高的反演精度[3-4]。

自20世紀(jì)90年代以來，國外有關(guān)偏振遙感技術(shù)及應(yīng)用分析等方面的研究十分活躍[5-7]。國內(nèi)在土壤濕度的偏振遙感方面，安徽光機(jī)所開展了相關(guān)的研究工作，通過對自然光入射土壤表面的反射光進(jìn)行偏振探測，研究不同濕度的土壤樣品的表面偏振反射特性，利用偏振度來反演土壤濕度[8-9]。東北師范大學(xué)利用完全線偏振光作為光源，通過不同角度，濕度土壤樣品的偏振反射比的測量，研究土壤的偏振反射特性[10-11]。西北工業(yè)大學(xué)提出了偏振度分量的多項式模型來定量化描述土壤的偏振特性并分析了偏振度與觀測角間的關(guān)系[12-13]。我們從土壤可見光的偏振度光譜的遙感探測方法上開展初步的探索，研究土壤濕度與偏振度光譜的對應(yīng)關(guān)系，為基于偏振光譜的土壤濕度遙感提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 測量原理

在遙感探測中通常采用Stokes參量(I，Q，U，V)來描述偏振光的偏振信息。V在遙感測量中一般很小，可忽略為零。入射光經(jīng)理想偏振片后，在任意一個偏振方向α上的透射光強(qiáng)可以由入射光的Stokes參量表示

(1)

α為偏振片透光軸與參考方向的夾角，只要測出三個不同角度的線偏振光的光強(qiáng)I(αi)即可求得I，Q，U三個Stokes參數(shù)，進(jìn)而求出目標(biāo)的線偏振信息。通常取0°，60°，120°三個角度，求解方程可得

(2)

由這三個Stokes參量并利用式(3)可計算出線偏振度P(0

(3)

1.2 儀器

使用的測量儀器為由ISI921VF野外地物光譜輻射計，外加自行研制的前置偏振調(diào)制模塊改造而成的偏振光譜儀，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。偏振調(diào)制模塊主要由光闌、可旋轉(zhuǎn)偏振片、退偏器組成，其光學(xué)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。分別旋轉(zhuǎn)偏振片的角度至0°，60°，120°，即可采集0°，60°和120°三個角度的偏振輻射光譜曲線，通過式(2)和式(3)計算獲得偏振度光譜曲線。

表1 偏振光譜儀主要參數(shù)

圖1 偏振光譜儀結(jié)構(gòu)圖

1.3 樣品制備

土壤樣品取自廣西桂林地區(qū)常見的紅土壤。將土壤烘干，研磨用篩網(wǎng)過濾，得到孔徑0.3 mm的土壤顆?；蚍勰偌铀涑刹煌瑵穸鹊臉颖?。將干土裝入樣本盒中稱重，然后向土壤樣本中加入純凈水?dāng)嚢杈鶆?，把土壤樣本表面刮、壓平整，使不同濕度的土壤表面粗糙度盡量一致。土壤濕度可通過加水量計算。本次實(shí)驗(yàn)制備了0%，5%，10%，15%，16%，17%，18%，19%，20%，21%，22%，23%，24%，25%，26%，15種不同濕度的土壤樣品。由于采用的土壤在濕度超過26%后出現(xiàn)飽和滲水，故不再制備更高濕度的土壤樣本。

1.4 方法

模擬探測實(shí)驗(yàn)選擇在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)測量方法如圖2所示，光源選擇接近自然光的溴鎢燈，入射角和反射角分別為θi和θr。通過旋轉(zhuǎn)偏振光譜儀的偏振片角度，分別采集0°，60°和120°三個角度的偏振輻射光譜曲線，并通過這三個角度的光譜曲線計算獲取偏振度光譜曲線。本實(shí)驗(yàn)測量取入射角為50°，反射角為20°～60°，變化間隔為10°。

圖2 實(shí)驗(yàn)測量示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同濕度土壤的偏振度分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，入射角為50°，圖3(a)—(e)分別為探測角等于60°，50°，40°，30°，20°時測量的偏振光譜曲線。從圖3(a)—(e)上可看到，土壤偏振度與土壤濕度存在一定的相關(guān)性。在500～700 nm波段區(qū)間，土壤偏振度曲線與土壤濕度的相關(guān)性較為明顯，土壤濕度越大，偏振度越大。

當(dāng)土壤濕度較低(<15%)時，偏振特性較弱，偏振度隨濕度的變化不明顯。這是由于濕度較低時土壤顆粒疏松, 土壤表面粗糙, 當(dāng)光入射到土壤表面時, 土壤表面的反射光以漫反射為主, 反射光的偏振度較低。

當(dāng)土壤濕度較大(>15%)時，偏振特性較強(qiáng)，偏振度隨濕度的變化明顯。由于土壤的表面相對復(fù)雜，通常認(rèn)為土壤表面由許多微小的面元組成，微觀上每個微面元的法線朝向隨機(jī)，宏觀上微面元的法線朝向具有一定的統(tǒng)計分布規(guī)律。土壤加水后, 土壤表面顆粒粘性增加, 土壤顆粒結(jié)合較緊密，土壤表面變得較為平整、光滑，可以發(fā)生部分鏡面反射, 這使得土壤的微面元法向量更趨近于宏觀法向量，因而反射光具有較強(qiáng)的偏振特性，濕度越大，鏡面反射占的比例越大，偏振特性越明顯, 偏振度越大。

此外，偏振度還與探測角有一定關(guān)系，通過對比五個探測角下的偏振光譜曲線可以發(fā)現(xiàn)，偏振度和探測角度也存在偏振度隨著探測角的增大而增大。探測角為60°時，偏振度較大，隨著角度的減小，探測角為20°時，偏振度最小，且濕度和偏振度的相關(guān)性較弱。

500～700 nm波段區(qū)間，土壤偏振度與土壤濕度相關(guān)性較好，取600.51 nm的數(shù)據(jù)，分析土壤濕度與偏振度的相關(guān)性。圖4為600.51 nm波段五個探測角下土壤濕度與偏振度測量曲線。土壤濕度為0%～15%時，偏振度的變化不大，偏振度與濕度、探測角變化關(guān)系不顯著。因而選取16%～26%的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，線性擬合結(jié)果如表2所示。

圖3 不同土壤濕度的偏振度光譜

圖4 600.51 nm波段的偏振度曲線

表2 偏振度與土壤濕度關(guān)系模型

通過表2可以看到，在探測角為30°～60°時，預(yù)測模型的相關(guān)指數(shù)R2在0.9左右，具有較好的穩(wěn)定性。擬合曲線的均方差RMSE基本都在0.05以內(nèi)，具有較高的精度。在探測角為20°時，R2為0.4，模型的穩(wěn)定性較差。此外，探測角越大，擬合曲線的斜率越大，即偏振度隨濕度的變化越顯著。

2.2 偏振度與反射率對比分析

與傳統(tǒng)的土壤濕度高光譜遙感方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比分析，即測量不同土壤濕度的光譜反射率。去掉偏振調(diào)制模塊，直接采用地物光譜輻射計測量土壤的反射光譜，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)參考板反射光譜數(shù)據(jù)計算不同濕度土壤的反射率光譜。圖5為入射角為50°，探測角為30°時不同土壤濕度測量的偏振度與反射率的對比結(jié)果。

通過圖5(a)和(b)可以看到，濕度較大時偏振度和反射率都隨著土壤濕度的增大而增大。通過圖5(c)和(d)可看到，濕度較小時偏振度隨濕度的變化規(guī)律不明顯； 反射率隨著濕度的增大而減小。由于土壤濕度較低時，水是以附著水的方式分布于土壤顆粒間隙中，入射光要受到水分層吸收和散射的衰減，土壤的反射率隨著濕度的增加而減小。當(dāng)濕度較大時, 水分在顆粒表面形成水膜, 鏡面反射增強(qiáng)，反射率增強(qiáng)。因而反射率的隨濕度呈現(xiàn)先減小后增大的特性。

圖5 不同土壤濕度的偏振度光譜與反射率光譜對比

圖6 600.51 nm波段的偏振度與反射率對比

圖6為600.51nm的偏振度和反射率數(shù)據(jù)，偏振度隨土壤濕度的增大而增大，而反射率隨濕度的變化則隨濕度的變化呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，濕度16%時達(dá)到最小值。利用16%～26%濕度的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析得到偏振度、反射率與濕度的擬合模型如表3所示。通過兩種模型的對比，可見偏振度模型的穩(wěn)定性和精度略高于反射率模型。但偏振度不適用于濕度較低的土壤，反射率具有隨著濕度先減小后增大的二值特性，因而通過偏振光譜測量與反射率測量兩種方法的結(jié)合，可提高土壤濕度遙感的精度。

表3 偏振度-土壤濕度與反射率-土壤濕度關(guān)系模型對比

3 結(jié) 論

通過對不同濕度土壤表面反射光的偏振光譜實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)土壤表面反射光的偏振度與土壤濕度具有一定的相關(guān)性。此外，土壤表面反射光的偏振度還與探測角度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明土壤濕度的偏振光譜遙感探測方法具有一定的可行性，可作為傳統(tǒng)高光譜遙感探測方法的有益補(bǔ)充。但由于實(shí)際環(huán)境中土壤表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，偏振光譜受土壤種類、土壤粗糙度、測量環(huán)境等諸多因素的影響，精確描述土壤偏振度與其濕度的變化關(guān)系還有待進(jìn)一步的深入研究。

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(Received Aug.12, 2014; accepted Dec.8, 2014)

*Corresponding author

Experimental Study on Soil Moisture Remote Sensing Based on Polarization Spectrum

YE Song1，DENG Dong-feng1，SUN Xiao-bing2，WANG Jie-jun1，WANG Xin-qiang1*

1.School of Electronic Engineering and Automation, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, 2.Key Laboratory of General Optical Calibration and Characterization, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China

As a novel remote sensing technique, polarimetric detecting technology is a useful supplement to traditional hyperspectral remote sensing technology, which provides more information for remote sensing.By taking advantage of the polarization characteristics of the surface reflecting light of soil with different moisture, the polarization spectral method is applied to measure soil moisture.The spectropolarimeter was used to measure the polarized reflectance spectrum of different soil moisture.The correlation between soil moisture and polarization spectrum was analyzed.The polarization characteristics of soil surface reflecting light in different viewing angles were surveyed by experiments.The experimental results show that: in the higher soil moisture conditions, the polarization spectrum and soil moisture have a certain connection, especially in the 500～700 nm band and soil moisture is directly proportional to the degree of polarization; but in low soil moisture conditions, the correlation of polarization spectrum and soil moisture is not obvious; in addition, the polarization spectrum are influenced by viewing angles, for example, when the incident angle of source light is fixed at 50°, while the viewing angle of instrument is between 20° and 60°, the degree of polarization increases with the viewing angle.When the viewing angle becomes wider,, the degree of polarization changed more significantly with the soil moisture.

Soil moisture； Polarization spectrum； Multi-angle； Polarization remote sensing

2014-08-12，

2014-12-08

國家自然科學(xué)基金項目(40971196)，廣西自然科學(xué)基金項目(2012GXNSFBA053170)，廣西教育廳重點(diǎn)項目(ZD2014053)，廣西自動檢測技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項目(YQ14108，YQ14101)，桂林電子科技大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊項目資助

葉 松，1979年生，桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院研究員 e-mail: yesongmail@sina.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: xqwang2006@126.com

O436.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)05-1434-06