偏振光谱的土壤湿度遥感方法实验研究

叶 松，邓东锋，孙晓兵，汪杰君，王新强*

1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004 2.中国科学院安徽光学精密机械研究所，通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031

偏振光谱的土壤湿度遥感方法实验研究

叶 松1，邓东锋1，孙晓兵2，汪杰君1，王新强1*

1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004 2.中国科学院安徽光学精密机械研究所，通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031

偏振探测作为一种新型遥感技术，是对传统光谱遥感探测的有益补充，为目标遥感探测提供更丰富的信息。用地物偏振光谱仪实验测量，分析土壤湿度与偏振光谱的相关性，同时研究不同观测角下的土壤表面反射光偏振光谱特性。结果表明：在土壤湿度较高的情况下，偏振光谱与土壤湿度具有一定的相关性，尤其在500～700 nm波段，湿度与偏振度呈正比关系； 低湿度的情况下，偏振光谱与土壤湿度相关性不明显； 此外，不同观测角对偏振光谱也有影响，如入射角固定为50°，观测角在20°～60°区间测量时，偏振度随观测角增大而增大，且观测角愈大，偏振度随湿度的变化愈显著。

土壤湿度； 偏振光谱； 多角度； 偏振遥感

引 言

土壤湿度监测在水文学、气象学以及农业科学研究领域具有重要意义。常规的土壤湿度监测以点测量为主，难以实现大面积，实时动态监测。而遥感技术的发展为大面积的土壤湿度实时动态监测提供了可能。传统的光学遥感主要基于土壤光谱反射率的变化来反演土壤湿度[1-2]。与传统方法相比，偏振遥感除可获取地物光谱辐射强度信息外，还可以获取地物的偏振参量信息。由于偏振特征对土壤湿度变化的敏感性，使得基于偏振信息的土壤湿度遥感具有更高的反演精度[3-4]。

自20世纪90年代以来，国外有关偏振遥感技术及应用分析等方面的研究十分活跃[5-7]。国内在土壤湿度的偏振遥感方面，安徽光机所开展了相关的研究工作，通过对自然光入射土壤表面的反射光进行偏振探测，研究不同湿度的土壤样品的表面偏振反射特性，利用偏振度来反演土壤湿度[8-9]。东北师范大学利用完全线偏振光作为光源，通过不同角度，湿度土壤样品的偏振反射比的测量，研究土壤的偏振反射特性[10-11]。西北工业大学提出了偏振度分量的多项式模型来定量化描述土壤的偏振特性并分析了偏振度与观测角间的关系[12-13]。我们从土壤可见光的偏振度光谱的遥感探测方法上开展初步的探索，研究土壤湿度与偏振度光谱的对应关系，为基于偏振光谱的土壤湿度遥感提供参考。

1 实验部分

1.1 测量原理

在遥感探测中通常采用Stokes参量(I，Q，U，V)来描述偏振光的偏振信息。V在遥感测量中一般很小，可忽略为零。入射光经理想偏振片后，在任意一个偏振方向α上的透射光强可以由入射光的Stokes参量表示

(1)

α为偏振片透光轴与参考方向的夹角，只要测出三个不同角度的线偏振光的光强I(αi)即可求得I，Q，U三个Stokes参数，进而求出目标的线偏振信息。通常取0°，60°，120°三个角度，求解方程可得

(2)

由这三个Stokes参量并利用式(3)可计算出线偏振度P(0

(3)

1.2 仪器

使用的测量仪器为由ISI921VF野外地物光谱辐射计，外加自行研制的前置偏振调制模块改造而成的偏振光谱仪，其主要技术指标如表1所示。偏振调制模块主要由光阑、可旋转偏振片、退偏器组成，其光学结构图如图1所示。分别旋转偏振片的角度至0°，60°，120°，即可采集0°，60°和120°三个角度的偏振辐射光谱曲线，通过式(2)和式(3)计算获得偏振度光谱曲线。

表1 偏振光谱仪主要参数

图1 偏振光谱仪结构图

1.3 样品制备

土壤样品取自广西桂林地区常见的红土壤。将土壤烘干，研磨用筛网过滤，得到孔径0.3 mm的土壤颗粒或粉末，再加水配成不同湿度的样本。将干土装入样本盒中称重，然后向土壤样本中加入纯净水搅拌均匀，把土壤样本表面刮、压平整，使不同湿度的土壤表面粗糙度尽量一致。土壤湿度可通过加水量计算。本次实验制备了0%，5%，10%，15%，16%，17%，18%，19%，20%，21%，22%，23%，24%，25%，26%，15种不同湿度的土壤样品。由于采用的土壤在湿度超过26%后出现饱和渗水，故不再制备更高湿度的土壤样本。

1.4 方法

模拟探测实验选择在实验室内进行，实验测量方法如图2所示，光源选择接近自然光的溴钨灯，入射角和反射角分别为θi和θr。通过旋转偏振光谱仪的偏振片角度，分别采集0°，60°和120°三个角度的偏振辐射光谱曲线，并通过这三个角度的光谱曲线计算获取偏振度光谱曲线。本实验测量取入射角为50°，反射角为20°～60°，变化间隔为10°。

图2 实验测量示意图

2 结果与讨论

2.1 不同湿度土壤的偏振度分析

实验结果如图3所示，入射角为50°，图3(a)—(e)分别为探测角等于60°，50°，40°，30°，20°时测量的偏振光谱曲线。从图3(a)—(e)上可看到，土壤偏振度与土壤湿度存在一定的相关性。在500～700 nm波段区间，土壤偏振度曲线与土壤湿度的相关性较为明显，土壤湿度越大，偏振度越大。

当土壤湿度较低(<15%)时，偏振特性较弱，偏振度随湿度的变化不明显。这是由于湿度较低时土壤颗粒疏松, 土壤表面粗糙, 当光入射到土壤表面时, 土壤表面的反射光以漫反射为主, 反射光的偏振度较低。

当土壤湿度较大(>15%)时，偏振特性较强，偏振度随湿度的变化明显。由于土壤的表面相对复杂，通常认为土壤表面由许多微小的面元组成，微观上每个微面元的法线朝向随机，宏观上微面元的法线朝向具有一定的统计分布规律。土壤加水后, 土壤表面颗粒粘性增加, 土壤颗粒结合较紧密，土壤表面变得较为平整、光滑，可以发生部分镜面反射, 这使得土壤的微面元法向量更趋近于宏观法向量，因而反射光具有较强的偏振特性，湿度越大，镜面反射占的比例越大，偏振特性越明显, 偏振度越大。

此外，偏振度还与探测角有一定关系，通过对比五个探测角下的偏振光谱曲线可以发现，偏振度和探测角度也存在偏振度随着探测角的增大而增大。探测角为60°时，偏振度较大，随着角度的减小，探测角为20°时，偏振度最小，且湿度和偏振度的相关性较弱。

500～700 nm波段区间，土壤偏振度与土壤湿度相关性较好，取600.51 nm的数据，分析土壤湿度与偏振度的相关性。图4为600.51 nm波段五个探测角下土壤湿度与偏振度测量曲线。土壤湿度为0%～15%时，偏振度的变化不大，偏振度与湿度、探测角变化关系不显著。因而选取16%～26%的数据进行建模分析，线性拟合结果如表2所示。

图3 不同土壤湿度的偏振度光谱

图4 600.51 nm波段的偏振度曲线

表2 偏振度与土壤湿度关系模型

通过表2可以看到，在探测角为30°～60°时，预测模型的相关指数R2在0.9左右，具有较好的稳定性。拟合曲线的均方差RMSE基本都在0.05以内，具有较高的精度。在探测角为20°时，R2为0.4，模型的稳定性较差。此外，探测角越大，拟合曲线的斜率越大，即偏振度随湿度的变化越显著。

2.2 偏振度与反射率对比分析

与传统的土壤湿度高光谱遥感方法进行实验对比分析，即测量不同土壤湿度的光谱反射率。去掉偏振调制模块，直接采用地物光谱辐射计测量土壤的反射光谱，并结合标准参考板反射光谱数据计算不同湿度土壤的反射率光谱。图5为入射角为50°，探测角为30°时不同土壤湿度测量的偏振度与反射率的对比结果。

通过图5(a)和(b)可以看到，湿度较大时偏振度和反射率都随着土壤湿度的增大而增大。通过图5(c)和(d)可看到，湿度较小时偏振度随湿度的变化规律不明显； 反射率随着湿度的增大而减小。由于土壤湿度较低时，水是以附着水的方式分布于土壤颗粒间隙中，入射光要受到水分层吸收和散射的衰减，土壤的反射率随着湿度的增加而减小。当湿度较大时, 水分在颗粒表面形成水膜, 镜面反射增强，反射率增强。因而反射率的随湿度呈现先减小后增大的特性。

图5 不同土壤湿度的偏振度光谱与反射率光谱对比

图6 600.51 nm波段的偏振度与反射率对比

图6为600.51nm的偏振度和反射率数据，偏振度随土壤湿度的增大而增大，而反射率随湿度的变化则随湿度的变化呈现先减小后增大的趋势，湿度16%时达到最小值。利用16%～26%湿度的数据进行建模分析得到偏振度、反射率与湿度的拟合模型如表3所示。通过两种模型的对比，可见偏振度模型的稳定性和精度略高于反射率模型。但偏振度不适用于湿度较低的土壤，反射率具有随着湿度先减小后增大的二值特性，因而通过偏振光谱测量与反射率测量两种方法的结合，可提高土壤湿度遥感的精度。

表3 偏振度-土壤湿度与反射率-土壤湿度关系模型对比

3 结 论

通过对不同湿度土壤表面反射光的偏振光谱实验研究，发现土壤表面反射光的偏振度与土壤湿度具有一定的相关性。此外，土壤表面反射光的偏振度还与探测角度有关。实验结果表明土壤湿度的偏振光谱遥感探测方法具有一定的可行性，可作为传统高光谱遥感探测方法的有益补充。但由于实际环境中土壤表面结构复杂，偏振光谱受土壤种类、土壤粗糙度、测量环境等诸多因素的影响，精确描述土壤偏振度与其湿度的变化关系还有待进一步的深入研究。

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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

国家自然科学基金项目(40971196)，广西自然科学基金项目(2012GXNSFBA053170)，广西教育厅重点项目(ZD2014053)，广西自动检测技术与仪器重点实验室基金项目(YQ14108，YQ14101)，桂林电子科技大学创新团队项目资助

叶 松，1979年生，桂林电子科技大学电子工程与自动化学院研究员 e-mail: yesongmail@sina.com *通讯联系人 e-mail: xqwang2006@126.com

O436.3

A

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