（地图学与地理信息系统专业论文）黄土致密程度对其偏振反射的影响研究.pdf

摘要 土壤表面的光滑程度可以直接影响土壤的偏振反射。在保持土壤体积不变的 情况下，通过改变土壤的质量来改变土壤的致密程度，进而改变土壤表面的光滑 程度也可以影响土壤的偏振反射。本文以黄土作为代表性土壤，通过对不同粒径， 不同光线入射角黄土反射光谱的分析，我们发现黄土的致密程度对其偏振反射光 谱的影响与黄土自身的含水量以及入射角相关。在进行土壤偏振反射或二向性反 射的定量研究中，应该考虑到土壤致密程度对反射值的影响。 关键词：黄土；致密程度；致密程度 a b s t r a c t i o n t h es m o o t h d e g r e eo fs o i l s u r f a c ec a ni n f l u c n c cd i r e c t l yt h e d e g r e e o f p o l a r i z a t i o n t h es m o o t hd e g r e eo fs o i ls u r f a c ew i l lb ei n f l u e n c e db yk e e p i n gt h e l o e s s sc u b a g eu n c h a n g e da n dc h a n g i n gt h el o e s s i a ld e n s ed e g r e eb yl o e s s i a lw e i g h t ， w h i c hc a ni n f l u e n c ep o l a r i z e dr e f l e c t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e dt h er e f l e c t i o ns p e c t r u m o fl o e s so l ld i f f e r e n tg r a n u l ed i a m e t e r sa n di r r a d i a n ta n g l e s w ef o u n dt h a tt h e i n f l u e n c eo fl o e s s i a ld e n s ed e g r e eo ni t sp o l a r i z e dr e f l e c t i o nc h a n g e da l o n gw i t h l o e s s sm o i s t u r ec o n t e n ta n da n g l eo fi n c i d e n c e i ts u g g e s t e dt h a ti nt h eq u a n t i t a t i v e s t u d yo fp o l a r i z e dr e f l e c t i o no rb i d i r e c t i o n a lr e f l e c t i o no fs o i l s ，t h ei n f l u e n c eo fs o i l s d e n s ed e g r e es h o u l db ec o n s i d e r e d k e yw o r d s ：i d e s , s ：s o i ld e n s ed e g r e e ；p o l a r i z e dr e f l e c t i o n l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东北师范大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：名乏i 兰生 指导教师签名： 日 期：吐丑卒- 日 期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 幽 121 2 彳 第一章引言 一、多角度遥感的发展 遥感是2 0 世纪6 0 年代发展起来的对地观测综合性技术。传统遥感理论应用 于实践的一个基本前提是假设地物表面为郎伯体表面。无论光线的入射方向如 何，当光在这样的表面发生反射时，反射方向是“四面八方”的，也就是把反射 出来的能量分散到各个方向。严格说，对漫反射面，当入射辐射照度一定时，从 任何角度观察反射面，其反射辐射亮度是一个常数设平面的总反射率为p ， 某一方面上的反射因子为p ，则p = 耳p 在这样的假设前提下，识别地物 的主要依据是地物的波谱特性。 但是，遥感技术发展的历史表明，仅仅凭借这一特征，还不能充分利用遥感 图象所包含的信息，使对地物的识别和分类达到令人满意的精度。人们识别物体 不仅凭其颜色，还要视其形状和结构。因为绝大多数地物具有三维空间结构，而 遥感图象仅是其在二维空间的投影。另外，传统遥感对地物表面为郎伯体表面的 假设可能引起重大的错误。这是因为，地物表面的非郎伯体性质是自然界表面的 基本宏观规律。光在入射到地物表面时，漫反射与镜面反射要同时发生，也就是 说实际地物表面在有入射波时，各个方向都有反射能量，但大小不同。在入射辐 射照度相同时，反射辐射亮度的大小既与入射方位角和天顶角有关，也与反射方 向的方位角与天项角有关。1 9 7 2 年，g h s u i t s 在r e m o t es e n s i n go f e n v i r o n m e n t 中的两篇论文 t h ec a l c u l a t i o no ft h ed i r e c t i o n a lr e f l e c t a n c e o fav e g e t a t i o n c a n o p y 。 t h ec a u s eo fa z i m u t h a lv a r i a t i o n si n d i r e c t i o n a lr e f l e c t a n c e ) 中正式提出了入射、探测角度对地物反射光谱值的 影响，从而拉开了多角度遥感研究的序幕。在接下来的一段时问内，大量的对入 射、探测方向的变化而引起的反射能量在2n 空间内分布变化的函数，既二向性 反射分布函数( b r d f ) 被建立“吲。在很长一段时间内，在b r d f 的定义方面存在 着混乱现象。目前比较广泛被接受的b r d f 的定义是n i c o d e m u s 于1 9 7 7 年给出的， 即： b r d f ( i ，柚。些：! 鱼：壁! 型 。( ，x ) c o s o d q 在这个表达式中，l 表示辐射强度，下标i 表示入射光方向，下标r 表示反射光 的方向，九是波长，q 是给定方向的一个立体角，其方向用极坐标的两个角( 0 ， 由) 来表示，其中0 是垂直方向与该方向的夹角，由是该方向水平投影的方位 角。这个定义的物理意义，简而言之，就是从某一给定方向i ，向地物表面点 入射的能量的微小增量与其所引起的r 方向反射的能量的增量之间的比值。 迄今为止，各种各样的的b r d f 模型用于不同地物，如土壤、积雪、农作物、 果树和森林等。从方法而论，大体可分为3 类：辐射传递模型，几何光学模型和 计算机模拟模型。辐射传递模型比较适合于水平方向上均匀的三维空间结构，如 农作物、草原、积雪等。几何光学模型比较适合与空间关系复杂，但以表面反射 为主的地物，如土壤、森林、建筑物等。计算机模拟模型适合与解决多重散射等 更难以求解的问题。 二、偏振光遥感的发展 随着遥感技术的深入研究，人们发现，来自目标的辐射中，除了光谱量值、 方向、相位外，还有一个重要的物理量即物质的偏振性尚未得到足够的重视并加 以利用。在2 0 世纪7 0 年代末，伴随着多角度遥感的深入研究，偏振光遥感逐渐发 展起来。偏振反射是二向性反射的孪生姊妹。凡是能够导致二向性反射的地物， 必然能够导致偏振现象的发生。这是因为在发生二向性反射时，漫反射与镜面反 射要同时发生，而镜面反射可以产生偏振光。偏振光的产生可以用菲涅耳公式加 以解释，并且得到了大量实验的验证。在偏振光遥感方面取得突出成果的还有法 国。法国空间研究中心( c n e s ) 的p i e r r e - y v e s ， m a r el e r o y ，a l a i np o d a i r e 等 一批科学家在2 0 世纪7 0 年代末就一直从事偏振光遥感的机理、仪器设计、模型建 立等方面的工作，于1 9 9 2 年成功研制p o l d e r ( p o l a r i z a t i o na n dd i r e c t i o n a l i t y o ft h ee a r t h sr e f l e c t a n c ei n s t r u m e n t ) 以飞机作为遥感平台对撒哈拉的不 同种裸土和植被类型进行了多次观测实验，并把实测结果与模型推导进行了对比 分析，取得了比较理想的结果。此后，又进行了多方论证，并于1 9 9 6 年2 月在日 本的a d e o s 卫星平台上发射成功。由于偏振光具有很大的应用和发展潜力，除法 国外，美国、英国、加拿大等国的很多大学和研究机构都在从事这方面的研究和 探索“。但与二向性反射的研究比较起来，偏振反射遥感的研究还比较少。目 前国外偏振光遥感的热点一方面集中在模型的建立，另一方面则集中在偏振光遥 感数据的获取手段上“”。表面上看来，国外的偏振光遥感已经发展到一个很深 入的阶段模型建立的阶段。但实际上，由于偏振遥感是在二向性反射遥感的 研究基础上展开的，很多偏振遥感的基础理论并未给予足够的研究。偏振光遥感 的平台明显要少于普通遥感平台，从而使偏振光遥感数据的获取成为问题。 在国内，偏振遥感的研究起步较晚。目前主要进行这方面的研究为安徽光机 所和东北师范大学。安徽光机所主要利用自己研制的c c d 成像仪进行偏振光影响 方面的研究。乔延利等主要研究了偏振遥感信息在表达暗目标( 或低照度) 和人工 建筑目标方面有更丰富的内涵；曹汉军等基于实验型偏振c c d 相机，在自然光照 2 条件下，进行了自然目标和人工目标的偏振图像获取实验。结果显示偏振探测的 特殊性质使其在军事侦察及伪装检测等方面有着广阔的应用前景“”1 。东北师范 大学的研究主要集中在偏振光谱方向。利用中国科学院长春光学精密机械研究所 研制的二向性反射光谱仪对植物单叶、土壤、液体等典型地面目标的偏振反射特 性进行了研究，分析了影响目标偏振反射的主要因素2 “。总体来看，国内的偏 振光遥感研究主要以机理研究为主。 三、土壤偏振光遥感 早期土壤反射光谱遥感的研究主要是将土壤看作郎伯体，进行垂直对地观测 采集数据。大量实验表明土壤的含水量，有机物含量，氧化铁含量，粘土、粉砂 和砂的相对百分含量，都会对土壤的光谱反射率产生显著的影响。对于土壤二 向性反射来说，除以上几个因素外，土壤表面的光滑程度、光线入射天顶角、入 射方位角、探测天顶角、探测方位角也会对其光谱反射率造成一定的影响。这些 因素也会对偏振光遥感造成影响啪删。赵云升等人的研究证明，光线入射天顶角、 入射方位角、探测天顶角、探测方位角会对土壤光谱反射率造成一定的影响。1 。 徐希孺认为土壤含水量与土壤反射光偏振度之间存在着关系，既含水量越大偏振 度越高，这可解释为液态水充满土壤空隙，使界面变得光滑；土壤颗粒尺度与偏 振度之间存在关系，尺度越小，表面越光滑，偏振度越大f m b r e o n 等通 过对p o l d e r 所获取的裸土偏振数据进行分析，也验证了这些因素对土壤偏振反 射的影响“”。 从以上的研究结果表明，土壤表面的光滑程度直接影响着土壤的偏振度，那 么当土壤的致密程度改变时，也会改变土壤表面的光滑程度，从而影响土壤的偏 振度。当土壤的含水量改变时，土壤的致密程度会发生变化，进而影响土壤偏振 反射，这一方面前人已做了一定的研究；本文着重从在不同含水量条件下，保持 黄土体积不变，而通过改变黄土的质量来改变黄土的致密程度这一方面来研究土 壤的致密程度对土壤偏振反射的影响。 第二章数理基础 一、偏振反射的物理基础 偏振是各种矢量波的一种基本性质，是指用一矢量波来描述空间某一固定点 所观测到的矢量波随时间变化的特征。电磁波实质上也是矢量波，光的偏振狭义 上是指光波在垂直于其传播方向的平面内的不同方向上的振幅不变的现象。通常 用s t o k e s 参数来表示：多角度偏振遥感是利用地球表面和大气中的目标地物， 在反射、散射和透射电磁辐射的过程中，产生特征偏振信息，作为偏振化二向性 反射的遥感信息源。其理论依据是定量描述偏振信息的s t o k e s 矢量法脚州。对 于来自被探测目标的任一准单色平面波，其偏振状态可以用4 个s t o k e s 参数， 日，玑睐表征。 偏振度为 偏振方位角为 s i j q u y l 口+ l l 一l 口 ，+ 一，“ i t i l p 雯亚 ， 口。! a z c 纽n ( u o ) 2 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 式中，为非偏振光强，口、分别代表两个方向上的线偏振光强，昧表圆偏 振光强，_ 矿、厶、厶，、厶n 五和五分别表示置放在光传播路径上一理想偏振 片在0 。、9 0 0 、+ 4 5 。、- - 4 5 。方向上的线偏振光以及左旋( j ) 和右旋( ，) 圆偏振 光强。 当光倾斜地入射到地物表面上时，一部分将发生反射；另一部分将折射入地 物内部。设a 为入射角，卢为折射角，则包括入射光、反射光、折射光的平面 构成入射面。不管入射光本身的振动方向怎样，它的电矢量总可以分解为垂直于 入射面的分量最。和平行于入射面的分量后。，设相应的反射光电矢量的分量为 占7 - o 上和f7 相应的折射光电矢量的分矢量为昂和e k 。 当一束自然光在两种介质界面上反射和折射时，反射光和折射光的传播方向 虽由反射和折射定律决定，但这两束光的振动取向，即偏振态，则须根据光的电 4 磁理论，由电磁场的边界条件来决定。由菲涅耳公式， 分量的振幅反射强度分别为： e 。一嚣焉m 一端 如果不考虑方向，则有： 电矢量的平行分量和垂直 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 塾t g ( a - 卢) 鱼c o s ( a + p ) ( 2 6 ) 点l “喀( a + 声) 局。上c o s ( a - p ) 当q = o o 时，可得： 垒。鱼 ( 2 7 ) e o _易0 1 我们已经知道压。= 正k ，因此上式表明反射光中电矢量的平行分量e7 。值 和垂直分量f 7 。值相等。但这两个分量是不相干的，合成后的反射光仍然是自 然光。所以当入射光垂直入射到地物时，其反射光不存在偏振性。 当0 0 q 9 0 。时均有i c o s q + 卢l t 。，故反射光在两种土样的5 0 6 、6 0 。探测角方向的偏振度值也存在显著 差异。又因为在各个探测角都有霄- t 。， 偏振度值存在显著差异，但j - 牙：，所以在黄土含水量为2 0 时，反射光的偏 振度随黄土致密程度的增大而减少。 图4 - 85 0 。入射角粒径小于0 0 6 3 含水量为 2 0 质量为4 7 7 9 的黄土反射光谱曲线 图4 - 95 0 。入射角粒径小于0 0 6 3 加含水量为 2 0 质量为5 6 0 9 的黄土反射光谱曲线 表4 2 含水量为2 傩时，不同致密程度黄土偏振度差异显著性检验 探测致密程 偏振度均偏振度方差 f f o 。 t t o 角度值 4 0 。 程度1 o 1 1 2o 0 0 0 2 l o1 0 3 4 5 3 92 5 0 72 1 4 5 程度2 o 0 9 4 0 0 0 0 2 0 3 5 0 。 程度l0 1 4 70 0 0 0 1 0 71 1 0 35 3 93 5 7 1 2 1 4 5 程度20 1 4 3o o o 0 0 9 7 6 0 。 程度1 0 1 8 90 0 0 0 1 0 11 6 3 4 5 3 93 1 8 0 2 1 4 5 程度2 o 1 8 00 0 0 0 1 6 5 当土样含水量为2 5 时，土样的粘性极大，当加土样5 0 o g 添满盒盖后无法 再继续压缩土样，增加士样的质量，这时的黄土反射波谱曲线见图4 一l o ，4 0 。、 5 0 。、6 0 。探测角方向发生偏振反射。加偏振片，由八次测得的0 。与9 0 。偏振 反射比值得出4 0 。、5 0 6 、6 0 。探测角的1 8 0 。探测方位角方向的偏振度分别为 0 1 0 9 、0 2 2 9 、0 1 1 6 。 当土样含水量为3 0 时，加土样4 8 7 9 添满盒盖后无法再继续压缩土样，增 加土样的质量，这时的土样波谱曲线见图4 - 1 l ，5 0 。、6 0 。探测角方向发生偏 振。加偏振片，由八次测得的0 9 与9 0 。偏振反射比值得出5 0 。、6 0 。探测角 的1 8 0 。探测方位角方向的偏振度分别为0 2 5 1 、0 0 9 8 。 图4 - 1 05 0 。入射角粒径小于o 0 6 3 m 含水量为 2 5 质量为5 0 o g 的黄土反射光谱曲线 图4 - 1 15 0 入射角粒径小于0 0 6 3 棚舍水量为 3 喁质量为4 8 7 9 的黄土反射光谱曲线 二、数据分析 通过分析以上实测数据，我们认为： ( 1 ) 干燥的或含水量很低的黄土，增大它的致密程度不会对偏振反射造成 影响。此时由于含水量太低，黄土颗粒无法紧密的结合，因而表面粗糙，黄土为 郎伯体，不会起偏； ( 2 ) 随着含水量的增加，黄土致密程度的改变会对它的偏振反射造成影响。 在密度较低时，黄土颗粒之间空隙大，不会发生偏振现象；由于有少量的水存在， 1 2 土壤颗粒之间有了一定的粘性，因而随着致密程度的增大，黄土颗粒结合得紧密， 表面变得光滑了，所以可发生偏振现象。然而，此时反射光仍以漫反射为主，带 有少量的偏振反射，其在本实验中的表现为当光以5 0 。天顶角入射时，0 。6 0 。7 个探测通道皆有反射光强值，但4 0 。、5 0 。、6 0 。探测通道在1 8 0 。探测方 位角有较小的峰值： ( 3 ) 当含水量迸一步增加，并到达某一值时，黄土可以在任何致密程度条 件下发生偏振反射，且随着致密程度的增大反射光偏振度增大。这种现象也可以 理解为随密度的增大黄土颗粒结合得更加紧密，表面更光滑。黄土对光线所造成 的起偏作用使本实验中当光以5 0 。天顶角入射时，4 0 。、5 0 。、6 0 。探测通道 在1 8 0 。探测方位角都有峰值： ( 4 ) 当含水量再进一步增大时，黄土致密程度的增加反而使反射光的偏振 度降低。我们认为此时由于含水量很大，土样表面已经很光滑，继续增加黄土使 土样表面单位面积内黄土分子数量相对增加，从而导致反射光谱中黄土的信息相 对增加，而黄土的偏振度一定要比水的偏振度低，故而导致了反射光偏振度整体 的降低： ( 5 ) 当黄土含水量增至极大时，黄土粘性很大，黄土颗粒之间结合极为紧 密，已经很难在保持体积不变的情况下通过增加黄土质量来增大它的致密程度 了。这时黄土的光谱曲线也与含水量较低时的光谱曲线有较大的差异。在本实验 中，2 5 含水量的黄土以5 0 。天顶角入射时，虽然4 0 。、5 0 。、6 0 。探测通道在 1 8 0 。探测方位角都有峰值，但5 0 。探测角的反射光比值明显要高于4 0 。和6 0 。；在3 0 含水量时，5 0 。探测通道在1 8 0 。探测方位角上的峰值更大，而4 0 。、 6 0 6 探测通道在1 8 0 。探测方位角上的峰值则减小。测完土样后我们观察到，在 土样表层已经有了一层薄薄的水膜，再结合光谱曲线我们可以认为此时光线的偏 振反射主要是由黄土中的自由水分子造成的，此时黄土的偏振反射光谱曲线呈现 出水体反射光谱曲线的特征。 第五章对分析结论的验证 一、相同入射角不同粒径的验证 为了验证上面的分析结论及密度对黄土偏振反射的影响规律，我们又选取粒 径为0 1 2 5 - 0 2 5 r a m 的黄土进行相似的实验，这两种粒径的黄土皆采自同一地区， 再经筛取获得。 分别取含水量为0 的黄土3 1 5 9 和3 7 2 9 ，其波谱曲线见图5 - 1 、5 2 由图 可知此时光照射到黄土表面没有发生偏振反射 图5 - i5 0 入射角粒径小于o 1 2 5 - - o _ 7 5 m m 含水 量为o 质量为3 1 5 9 的黄土反射光谱曲线 圈5 - 25 0 。入射角粒径小于o 1 2 5 - 0 2 5 m m 含水 量为o 质量为3 7 2 9 的黄土反射光谱曲线 当黄土含水量为1 0 时，分别取3 0 5 9 和4 0 3 9 土样，其光谱曲线见图5 3 、 5 - 4 。由图可知光照到3 0 5 9 的土样没有发生偏振反射，而照到4 0 3 9 的士样上 则发生了偏振反射，与粒径小于0 0 6 5 m 的土样规律相同。 图5 - 35 0 。入射角粒径小于0 1 2 5 - 0 ，2 5 m r n 含水 量为1 0 质量为3 0 j 5 9 的黄土反射光谱曲线 图5 45 0 入射角粒径小于0 1 2 5 - - 0 2 5 m m 含水 量为1 0 质量为4 0 o g 的黄土反射光谱曲线 当黄土含水量为1 5 时，分别取3 6 3 9 和4 4 0 9 土样，其光谱曲线见图5 5 、 5 - 6 。其中，3 6 3 9 土样在4 0 。、5 0 。、6 0 。探测通道的1 8 0 。探测方位角上的 偏振度分别为0 0 3 5 ，0 0 5 2 ，0 0 7 8 。4 4 o g 土样在4 0 。、5 0 。、6 0 。探测通道 的1 8 0 。探测方位角上的偏振度分别为0 0 5 8 ，0 0 9 7 ，0 。1 3 6 。与粒径小于0 0 6 5 r a m 的土样规律相同，在1 5 含水量时，土样反射光的偏振度随黄土致密程度的增加 而增大。 图5 - 55 0 入射角粒径小于0 1 2 5 - 0 2 5 m m 害水留5 65 0 。入射角拉径小于d 1 2 5 - o 2 5 m m 曹水 量为1 5 质量为3 6 3 9 的黄土反射光谱曲线量为1 5 质量为4 4 咄的黄土反射光谱曲线 当黄土含水量为2 0 时，分别取4 4 o g 和4 9 2 9 土样，其光谱曲线见图5 7 、 5 8 。其中，4 4 0 9 土样在4 0 。、5 0 。、6 0 。探测通道的1 8 0 。探测方位角上的 偏振度分别为0 1 2 3 ，0 1 8 2 ，0 2 2 7 。4 9 2 9 土样在4 0 。、5 0 。、6 0 。探测通道 的1 8 0 。探测方位角上的偏振度分别为0 1 2 0 ，0 1 7 9 ，0 2 0 1 。与粒径小于0 0 6 5 m 的土样规律相同，在2 0 9 6 含水量时，黄土反射光的偏振度随黄土致密程度增加而 减小。 圈5 - 75 0 。入射角粒径小于o 1 2 5 - o 巧m m 台水 量为2 0 质量为4 4 0 售的黄土反射光谱曲线 圈5 - 8 卯入射角粒径小于0 1 2 5 - o 2 5 m m 含水 量为撕质量为4 9 ，2 9 的黄土反射光谱曲线 当黄土含水量为2 5 、3 0 时，取盒盖所能装载的最大土样重量5 2 o g 、5 1 1 9 ， 其光谱曲线见图5 - 9 、5 - 1 0 。此时5 0 。探测通道的1 8 0 4 探测方位角上的偏振反 射比值大于4 0 。、6 0 。探测通道的1 8 0 。探测方位角上的偏振反射比值，呈现出 水的偏振反射状态，与粒径小于0 0 6 5 m 的土样在大含水量时的规律相同。 图5 - 95 0 。入射角粒径小于0 1 2 5 - 0 2 5 m m 含水 量为2 5 质量为5 2 o g 的黄土反射光谱曲线 图5 - 1 05 0 入射角粒径小于o 1 2 5 - - 0 2 5 m m 吉水 量为撕质量为5 1 1 9 的黄土反射光谱曲线 二、不同入射角相同粒径黄土的验证 我们再次选取粒径为小于0 0 6 3 r m 的黄土进行验证，但此次实验的入射角分 别为1 0 。和3 0 。 当黄土含水量为0 时，分别对3 1 5 9 和3 6 o g 土样进行入射角为1 0 。的反射 光谱测量，所得光谱曲线为图5 一1 1 、5 - 1 2 。由图可知此时没有发生偏振反射。 再以3 0 。入射角进行光谱测量，所得光谱曲线见图5 1 3 、5 - 1 4 ，也没有发生偏 振反射。 图5 1 1l o 入射角粒径小于0 0 6 3 r a m 含水量为 o 质量为3 1 5 9 的黄土反射光谱曲线 圈5 1 21 0 入射角粒径小于0 0 6 3 r a m 含水量为 o 质量为3 6 0 8 的黄土反射光谱曲线 图5 - 1 33 0 。入射角粒径小于o 0 6 3 r a m 含水量为用5 1 43 0 。入射角粒径小于o 0 6 3 m m 吉水量为 o 质量为3 1 s g 的黄土反射光谱曲线o 质量为3 6 o g 的黄土反射光谱曲线 当土样含水量为l0 9 6 时，分别测量质量为2 5 2 9 和3 8 6 9 的土样。光线以1 0 。入射时其反射光谱如图5 一1 5 、5 一1 6 ；再以3 0 。入射，其反射光谱见图5 1 7 、 5 一1 8 由图可知在光线以1 0 。入射时，增大黄土的致密程度并没有使光照射到 土样后发生偏振反射。而当光线以3 0 。入射时，虽然在图5 - 1 8 中表现出微弱发 生偏振的迹象，但再加偏振片后，在1 8 0 。方位角已经没有峰值，故偏振度极低， 我们也可以认为它没有偏振现象产生。 1 6 图5 1 51 0 。入射角粒径小于0 0 6 3 n m i 含水量为 l o 质量为2 5 2 9 的黄土反射光谱曲线 图5 1 61 0 。入射角粒径小于0 0 6 3 m m 含水量为 1 0 质量为3 8 6 9 的黄土反射光谱曲线 图5 1 7 入射角粒径小于0 0 6 3 r a m 含水量为圈5 - 1 8 。入射角粒径小于0 0 6 3 r a m 吉水量为 1 0 质量为2 5 2 9 的黄土反射光谱曲线l o 质量为3 8 6 9 的黄土反射光谱曲线 当土样含水量为1 5 时，分别测量质量为3 2 o g 和4 0 3 9 的土样。光线以1 0 。入射时其反射光谱如图5 1 9 、5 - 2 0 ；以3 0 。入射时其反射光谱如图5 2 1 、5 _ 2 2 。 由图可知在光线以l o 。入射时，增大黄土的致密程度并没有使光照射到土样后 发生偏振反射。而当光线以3 0 。入射时，增大黄土的致密程度反射光的偏振反 射比也随之增大了，加偏振片后量测并计算得两土样在3 0 。探测角方向的偏振 度为0 0 2 2 、0 0 2 0 ，在拥有最大偏振度的6 0 。探测角方向的偏振度为0 0 6 4 ， 0 0 6 2 。但它们的t 值分别为1 1 5 5 、2 0 5 2 ，故无法说明是土样致密程度的改变 导致了偏振度的改变。 图5 1 91 0 。入射角粒径小于0 0 6 3 r a m 含水量为 1 5 质量为3 2 o g 的黄土反射光谱曲线 1 7 图5 2 01 0 入射角粒径小于0 0 6 3 r a m 含水量为 1 5 质量为4 0 3 8 的黄土反射光谱曲线 雷5 - 2 13 0 入射角粒径小于0 0 6 3 r a m 吉水量为田5 - 2 23 0 入射角粒径小于0 0 6 3 r a m 含水量为 1 0 质量为3 2 0 9 的黄土反射光谱曲线 1 0 质量为柏j 喀的黄土反射光谱曲线 当土样含水量为2 0 时，分别测量质量为4 7 7 9 和5 6 o g 的土样光线以1 0 。入射时其反射光谱如图5 - 2 3 、5 - 2 4 ；以3 0 。入射时其反射光谱如图5 - 2 5 、5 - 2 6 。 由图可知在光线分别以1 0 。、3 0 。入射时，增大黄土的致密程度并没有使反射 光的最大偏振反射比发生明显的变化，同样也就不会使其偏振度发生显著的变 化。 图5 驾1 0 。入射角粒径小于0 0 6 3 m m m 含水量为 2 0 质量为4 7 7 9 的黄土反射光谱曲线 图5 - 2 41 0 入射角粒径小于o 0 6 3 玎c u m 含水量为 2 0 质量为5 6 咄的黄土反射光谱曲线 图5 - 2 53 0 。入射角粒径小于0 0 6 3 r a m 含水量为图5 2 63 0 入射角粒径小于o 0 6 3 m m 吉水量为 2 0 质量为4 7 , 7 9 的黄土反射光谱曲线2 0 质量为5 6 ，0 9 的黄土反射光谱曲线 当土样含水量为2 5 时，取土样5 0 o g ，其在l o 。、3 0 。探测角方向所得光 谱曲线如图5 2 7 、5 2 8 。由图象可知，此时的黄土反射光谱特征已表现出水体 的特征，在与入射光相对应的探测角度偏振度最大，加偏振片后得1 0 。、3 0 。 探测角方向的偏振度分别为0 2 2 5 ，0 1 4 9 。当土样含水量为3 0 时，反射光谱表 1 8 现出更为明显的水体特征，偏振度进一步增大。 图5 - 2 71 0 。入射角粒径小于o 0 6 3 m m 含水量为 2 5 质量为5 0 0 9 的黄土反射光谱曲线 凰5 - 2 83 0 。入射角粒径小于o 0 6 3 m m 含水量为 2 5 质量为5 0 o g 的黄土反射光谱曲线 三、对验证实验结果的分析 从上面的验证实验可以看出，在相同入射角的前提下，黄土的致密程度对两 种不同粒径的黄土所造成的影响规律基本上是一致的。入射角不同，则致密程度 对偏振反射的影响作用效果强弱也就不同。在本实验中，当光线以1 0 。入射， 含水量为1 0 、1 5 时，无论怎样增大土样的致密程度都不会使反射光发生偏振； 在含水量为2 0 9 6 时，土样致密程度的增大不能够使偏振度发生显著性的改变。光 线以3 0 。入射，当含水量为1 0 时，土样致密程度的增大也不会使反射光发生明 显的偏振；当含水量为1 5 、2 0 时，土样致密程度的增大不会使偏振度发生显 著性的改变；但当含水量很大时( 本实验中为2 5 、3 0 ) 无论入射角是多少， 黄土的反射光谱都会表现出水体反射光谱的特征，既最大偏振度出现在与入射角 相对应的探测角度上。以上结果可以理解为：反射率随入射天顶角的增大而增加。 在入射天顶角较小时，由于反射总能量相对较少，从而反射偏振光的能量也较小， 则黄土致密程度的改变对偏振度的影响也较小。因此我们认为，黄土致密程度对 偏振反射的影响随入射角的增大而增强。 1 9 结论 黄土致密程度对其偏振反射的影响是随黄土自身含水量及入射角的变化而 变化的。只有在入射角度较大时，黄土的致密程度才对其偏振反射造成较显著的 影响。其影响规律为： ( 1 ) 当黄土含水量很低时，无论黄土致密程度如何变化，入射光在它表面 反射后都不会发生偏振反射： ( 2 ) 当含水量增大到一定量时，本来不发生偏振反射的黄土会由于自身致 密程度的增大而使反射光起偏； ( 3 ) 当黄土含水量再继续增大到一定量时，反射光的偏振度会随黄土致密 程度的增大而增大； ( 4 ) 继续加大黄土的含水量，此时黄土致密程度的增大会导致黄土偏振反 射信息的相对增加，从而使偏振度降低； ( 5 ) 再进一步加大含水量，以致黄土致密程度已经不能在体积不变的情况 下增大。 这种情况我们也可以从另一个角度认为是黄土致密程度的变化无法影响反 射光的偏振。综上所分析，我们认为当黄土自身的含水量很小或很大时，黄土致 密程度的变化对反射光偏振的影响比较小，而在黄土自身含水量适中时，黄土致 密程度的变化会对反射偏振光造成较大的影响。 本篇虽然仅以黄土为例进行分析研究，但地理工作者未来在对其它土壤进行 实际的偏振光遥感测量时，也应考虑土壤致密程度对反射偏振光的影响。比如经 常有人走过的裸露土壤表面要比它周围的土壤致密程度大，从而可能导致它与周 围土壤的偏振反射光谱存在差异。再比如下过雨后，被车轮压过的土路的偏振反 射可能要比压之前强。更为重要的是，通过本篇的研究，我们认为在进行土壤偏 振反射或二向性反射的定量研究中，应该考虑到土壤致密程度对反射值的影响。 本篇只是做了黄土致密程度对其偏振反射影响的初步研究，还有许多地方尚 待改进。最为突出的是本篇测定偏振反射比值所用的波段过宽，这虽然会保证可 以探测到充足的反射光能量值，但同时也会掩盖特定土壤的特征光谱值。未来可 用高光谱做进一步的研究。 2 0 参考文献 1 1 6 0 e 1 n s m o d e lo f v e g e t a t i o nc a n o p yr e f l e c t a n c ea n d t h e i ru s e i ne s t i m a t i o n o f b i o p h y s i c a l p a r a m e t e r sf r o mr e f l e c t a n c ed a t a 阅r e m o t es e n s i n gr e v i e w t1 9 8 8 ( 4 ) ：1 - 1 2 2 l jx i a o w e n ，s t r a h l e r ，ah g e o m e t r i co p t i c a lm o d e l i n go fuc o l l i f e r o u sf o r e s tc a n o p y 们i e e e t r a n s g e o s dr e m o t es e n s i n g ，1 9 8 5 ( 2 3 ) ：2 0 7 - 2 2 1 3 h a p k eb b i d i r e c t i o n a lr e f l e c t a n c es p e c t r o s c o p y 阿j o u r g e er e s ，1 9 8 1 ( 8 6 ) ：3 0 3 9 - 3 5 0 4 4 r o b e r t j d an e wa p p r o a c ht ot h er e t r i e v a lo fs u r f a c ep r o p e r t i e sf r o me a l t h s h i n e m e a s u r e m e n t s 【j 】j o u r n a lo f q u a n t i t a t i v es p e c t r o s c o p y r a d i a t i v e t r a n s f e r ，2 0 0 4 ( 8 3 ) ：1 5 - 4 6 i s 李小文，朱启疆等地