【摘 要】土壤熱紅外發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取是相關(guān)實(shí)驗(yàn)得以進(jìn)一步準(zhǔn)確分析的基本前提。文章介紹了采用FLUKE576紅外測(cè)溫儀和102F型傅里葉變換紅外光譜儀觀測(cè)漫反射金板和土壤表面的溫度、輻亮度，進(jìn)而使用黑體擬合法和光譜平滑迭代溫度/發(fā)射率分離算法的原理對(duì)測(cè)量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到精度較高的土壤表面的熱紅外發(fā)射率光譜的步驟和注意事項(xiàng)。文章可為土壤熱紅外發(fā)射率的相關(guān)測(cè)量提供參考。

【關(guān)鍵詞】土壤；熱紅外；發(fā)射率光譜

一、原始數(shù)據(jù)的測(cè)量

實(shí)驗(yàn)的溫度測(cè)量采用由福祿克公司生產(chǎn)的FLUKE576型紅外測(cè)溫儀。該測(cè)溫儀可以使用TC-K型探針接觸測(cè)量物體的表面溫度，常溫下的測(cè)量精度為讀數(shù)的±0.75%或±2℃（取大值），顯示分辨率為0.1℃。實(shí)驗(yàn)的光譜測(cè)量采用美國DesignPrototypes公司生產(chǎn)的102F型便攜式傅里葉變換熱紅外光譜儀及其配套的漫反射金板，光譜儀光譜測(cè)量范圍為2-16μm，光譜分辨率設(shè)置為4cm-1，工作環(huán)境溫度為15-35℃。

（一）測(cè)量環(huán)境

熱紅外發(fā)射率光譜的測(cè)量應(yīng)選擇晴朗無云的天氣，且入夜后至晚上九點(diǎn)的時(shí)間段內(nèi)獲得的數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定，這是因?yàn)檫@段時(shí)間土壤表面不受光照的影響，且大氣輻射的影響也開始逐漸減弱，信噪比更高。

（二）測(cè)量流程

開始測(cè)量之前，要提前像杜瓦瓶?jī)?nèi)加滿液氮，同時(shí)開機(jī)預(yù)熱。測(cè)量時(shí)，首先要根據(jù)測(cè)量環(huán)境給設(shè)定黑體溫度定標(biāo)，一般設(shè)定一個(gè)低溫和一個(gè)高溫兩個(gè)溫度進(jìn)行，并稱低溫時(shí)的黑體為冷黑體，高溫時(shí)的黑體為熱黑體，實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)實(shí)際情況一般設(shè)定低溫為10℃，高溫為30～40℃；這樣設(shè)置是為了在大氣溫度定標(biāo)和樣品溫度定標(biāo)之間取得一個(gè)平衡，因?yàn)闇y(cè)量過程中大氣的溫度一般高于10℃，而土壤樣品的溫度一般在15～40℃，冷熱黑體的溫度設(shè)定可借助FLUKE576型紅外測(cè)溫儀對(duì)土壤表面溫度的測(cè)量進(jìn)行。

完成黑體定標(biāo)后，應(yīng)立即進(jìn)行大氣下行輻射的測(cè)量，完成后，應(yīng)立即將FLUKE576型紅外測(cè)溫儀與漫反射金板放回保護(hù)盒內(nèi)，隨后進(jìn)行土壤表面熱紅外波段輻亮度的測(cè)量.

二、光譜數(shù)據(jù)的擬合

實(shí)驗(yàn)過程中所得到的數(shù)據(jù)有實(shí)際測(cè)量時(shí)土壤表面的溫度、冷熱黑體定標(biāo)文件、實(shí)際測(cè)量時(shí)漫反射金板的溫度、大氣下行輻射數(shù)據(jù)、土壤表面的輻亮度數(shù)據(jù)等，要得到土壤表面的發(fā)射率光譜，還需要借助儀器配套的光譜處理軟件采用黑體擬合法擬合出溫度和發(fā)射率曲線，再結(jié)合上述測(cè)定的數(shù)據(jù)采用光譜迭代平滑溫度/發(fā)射率分離算法的原理進(jìn)行土壤發(fā)射率的精確分離獲取。

儀器配套的光譜處理軟件中用于計(jì)算發(fā)射率的黑體擬合法采用的公式如下：

由于黑體擬合法以土壤發(fā)射率在7～7.5μm區(qū)間發(fā)射率為1作為前提假設(shè)擬合溫度和發(fā)射率曲線，其反演出土壤的溫度一般會(huì)失真（偏高或偏低），這種失真表現(xiàn)在發(fā)射率光譜在8～8.5μm區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)，這是因?yàn)榇藭r(shí)的發(fā)射率光譜中含有大氣光譜殘留，且殘留的程度與反演的溫度值緊密相關(guān)，這種由于溫度誤差導(dǎo)致大氣輻射影響土壤發(fā)射率光譜的現(xiàn)象可用于提高土壤溫度和發(fā)射率的反演精度，具體操作方法是以0.1℃甚至更小的間隔逐步設(shè)定溫度值，觀察大氣輻射殘留的變化，最終獲得大氣光譜殘留最少的土壤表面發(fā)射率光譜曲線作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步分析。如圖所示，以本次光譜處理為例，應(yīng)選擇溫度為21.6℃時(shí)的發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)出保存。

三、測(cè)量的注意事項(xiàng)

大氣下行輻射和土壤表面輻亮度的獲取過程受儀器周邊環(huán)境影響較大，每次執(zhí)行測(cè)量指令后，儀器會(huì)自動(dòng)設(shè)定幾秒鐘的時(shí)間方便觀測(cè)者走開兩米遠(yuǎn)以減少測(cè)量干擾，當(dāng)儀器發(fā)出“嘟”的一聲時(shí)表示當(dāng)次測(cè)量完成。

由于102F型便攜式傅里葉變換熱紅外光譜儀在測(cè)量序列中為保證觀測(cè)目標(biāo)穩(wěn)定不便移動(dòng)，因此當(dāng)次測(cè)量完畢關(guān)掉電源后需要根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的遮蔽措施以防止儀器在陽光下過熱而影響觀測(cè)性能。

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