Page 127 - 遥感技术在生态环境监测中的应用研究

遥感技术在生态环境监测中的应用研究

数据采集，同时也能为相关研究领域的光谱数据库的建立提供数据源等。它可以对地物的

辐射、辐照度、CIE 颜色、反射和透射进行测定，具有较高的采样间隔和光谱分辨率，采
样速度快，操作简单，存储容量大等特点，在测定过程中会自动优化设定增益和积分时间，
去除暗电流。适合在野外和室内使用，在环境、农业、林业和矿业领域应用广泛。

对土壤的光谱测定在暗室内进行。将风干过筛的土壤样品盛于直径为 20cm 的玻璃器
皿中，表面均匀、光滑、平坦。所用光源功率为 50W 的卤素灯，垂直方向角度为 25°，
距离样品 0.5m。光谱仪探头视场角为 25°，垂直于土壤样品，距离样品 15cm。以白板作

为漫反射标准参照板，在测定时需要及时用来校正。测定样品时，顺时针转动样品 3 次，
每次 90 度，每个方向采集 5 条光谱曲线，这样每个样品采集 20 条光谱曲线，进行算术平
均后作为该土壤样品的反射率数据。

（四）土壤样品热红外发射率光谱测定
1. 热红外发射率测量原理

根据基尔霍夫定律，在热辐射平衡条件下，物体在任何波长的辐射都等于发射和反射
的总和。不透明物体的发射率 εs（λ）和反射率 R（λ）之和为 1，即 εs（λ）=1-R（λ）
由辐射传输理论可知，对于自然地物，由于环境因素的影响，包括大气吸收、大气辐

射以及物体表面对周围物体辐射能量和太阳入射能量的反射。不考虑发射率的方向性，在
样品温度 T 下，传感器探测到的总的辐射信号表达式为：

L S （λ）=B（λ，T S ）ε S （λ）τ+L UWR （λ）+L DWR （λ）（1-ε S （λ））τ+[I sol （λ）
τ sol （1-ε S （λ））τ/π]
L S （λ）为传感器探测到的样品和环境辐射的总和；B（λ，T S ）为黑体辐射出射度，

可以根据普朗克黑体辐射公式求得；τ 为传感器与目标之间的大气透过率；τ sol 太阳与目
标之间的大气透过率；L UWR （λ）为大气上行辐射亮度；L DWR （λ）为大气下行辐射亮度；
Isol（λ）为太阳入射的辐射照度；ε s （λ）为样品的发射率。

在 8 ～ 14μm 的热红外光谱范围内，假定地表为朗伯表面，大气下行热辐射各向同
性，卫星所接收到的光谱辐射则为太阳、大气和地物目标三者光谱辐射相互作用的总贡献
（Hook，1996）。根据 MODTRAN 模式的模拟结果，在 8 ～ 14μm 波段范围内，日标到

传感器距离小于 1m 时，大气的上行辐射 L UWR （λ）小于探测器接收的总辐射能量的 0.5%，
大气透过率 τ 近乎为 1，因此在利用光谱仪进行近地表探测时，可以忽略这两项因

素的影响。Salvaggio 等（Carl，2001）研究了太阳入射能量随波长变化的趋势，太阳的入
射能量随着波长的增加而迅速减小，在 8 ～ 12μm 波段其辐射能量近似等于 0，即太阳的
入射能量相对于自然地物的辐射能量可以忽略。因此，在 T S 时，传感器探测到的光谱辐

射亮度可近似表示为：
L S （λ）=ε s B（λ，T S ）+[（1-ε s （λ）]L DWR （λ）

式中，ε s （λ）为样品的自发射率；B（λ，T S ）为黑体辐射出射度，L DWR （λ）为
120