宋子豪， 韓 陽， 韋晨陽， 陳 新， 顧謙益， 劉自平， 劉莎莎

長(zhǎng)白山地理過程與生態(tài)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130024

引 言

遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于地學(xué)等領(lǐng)域的研究工作， 通過遙感影像可解讀出地物的空間關(guān)系和地物屬性等重要信息。 光學(xué)遙感和熱紅外遙感是最常用的遙感技術(shù)手段， 但它們所反映出的地物信息仍然是不全面的。 偏振光遙感是近年來受到廣泛關(guān)注的對(duì)地觀測(cè)手段， 其物理基礎(chǔ)在于自然界的不同地物或者相同地物的不同狀態(tài)都可以產(chǎn)生不同的偏振態(tài)， 并且這種差異由含水量、 粒徑、 孔隙度等理化性質(zhì)決定的。 因此， 偏振圖像可以得到相對(duì)于傳統(tǒng)強(qiáng)度圖像更多的信息。 在人們所使用的遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中， 可見光、 紅外、 紫外光、 微波輻射計(jì)和熒光等探測(cè)器都發(fā)揮了顯著的作用。 經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)踐研究， 一般認(rèn)為紅外探測(cè)器的效果最為顯著， 在近紅外波段， 比較被污染地物和周圍地物的光譜即可有效地確定污染區(qū)域。

光的反射的方向依賴于入射方向， 且光線入射角度和觀測(cè)角度的變化會(huì)導(dǎo)致物體表面反射率的變化， 這就是二向性反射。 二向性反射是自然界中物體對(duì)電磁波反射的基本宏觀現(xiàn)象。 自20世紀(jì)70年代以來， 多角度偏振光遙感隨著人們對(duì)二向性反射的研究逐漸深入而得到了長(zhǎng)足發(fā)展， 因此近年來越來越多的研究者將偏振光信息用于地球表層信息的遙感工作。 Li等[1]利用偏振信息預(yù)測(cè)葉片中的葉綠素含量； Li等[2]通過多角度偏振測(cè)量的方法研究夜間植被； Wang等[3]單獨(dú)過濾出激光雷達(dá)獲取到的偏振信息以探測(cè)大氣層的溫度； 楊威等[4]將改進(jìn)的梯度方向直方圖(光譜梯度方向直方圖)與“光譜總反射率”應(yīng)用到偏振光譜識(shí)別研究中， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)5種干枯植物與3種裸土的識(shí)別； Alexander Gilerson等[5]使用搭載了偏振鏡頭的高光譜成像儀對(duì)水面進(jìn)行成像和光學(xué)參數(shù)反演， 并發(fā)現(xiàn)水面反射光的線偏振度和觀測(cè)角存在函數(shù)關(guān)系。

土壤是一種復(fù)雜的自然地理綜合體， 因此土壤的光譜會(huì)受到各種因素的影響， 如土壤的結(jié)構(gòu)、 鹽度、 含水量的差異都會(huì)導(dǎo)致土壤光譜的差異， 這也是國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究土壤遙感的出發(fā)點(diǎn)之一。 土壤偏振信息是伴隨土壤的二向性反射產(chǎn)生的， 土壤對(duì)電磁波的反射率取決于波長(zhǎng)、 探測(cè)角、 方位角和光線入射角等因素。 可見光、 近紅外、 熱紅外、 微波等不同的波段范圍的電磁波均可用于土壤遙感的研究。 王凌志、 韓陽和潘倩等通過多角度偏振高光譜信息對(duì)農(nóng)田土壤肥力進(jìn)行反演， 得出了農(nóng)田土肥力和光譜反射比、 光譜吸光度等參數(shù)的一系列相關(guān)關(guān)系的結(jié)論[6]； 眾多學(xué)者利用偏振光譜研究土壤濕度， 得出了在500～700 nm波段濕度和偏振度呈正比關(guān)系的結(jié)論； Konstantin Muzalevskiy和Anatoly Zeyliger應(yīng)用Sentinel-1B傳感器探測(cè)到的偏振信息和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步分析和反演土壤水分[7]。 由此可見， 偏振信息的廣泛應(yīng)用對(duì)利用土壤光譜數(shù)據(jù)來分析土壤屬性具有重大意義。

隨著工業(yè)的發(fā)展， 石油得到了越來越廣泛的運(yùn)用， 但在石油的運(yùn)輸和使用過程中， 難免會(huì)造成泄漏從而使石油污染土壤， 在環(huán)境治理中人們常常需要識(shí)別石油污染土壤的具體范圍。 傳統(tǒng)的實(shí)地采樣—實(shí)驗(yàn)室分析法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效率低下， 而遙感技術(shù)憑借其時(shí)效性強(qiáng)、 探測(cè)范圍大、 受地面條件限制少、 信息量大等優(yōu)勢(shì)逐步成為了人們首選的識(shí)別方法。 在可見光-近紅外波段， 石油的光譜響應(yīng)十分明顯, 所以在工程上可以運(yùn)用遙感技術(shù)探明某地的石油沉積層[8]， 并且土壤表面反射光的偏振特性與土壤中的石油含量密切相關(guān)。 該結(jié)果為運(yùn)用遙感方法識(shí)別石油污染土壤提供了基礎(chǔ)。

本工作將在前人一系列研究成果的基礎(chǔ)上， 從定性和定量?jī)煞N方法入手， 經(jīng)過實(shí)地采集， 研究受石油污染的農(nóng)田土壤和濕地土壤的偏振光譜特性之差異。

1 原 理

太陽光經(jīng)過地表反射后的反射光是部分偏振光， 它包含了光強(qiáng)和偏振度兩個(gè)方面的信息； 偏振反射率就是反映反射光中的偏振信息。 一般地， 偏振光可以用起偏鏡獲取。 偏振反射率不僅可以極大地反映地表的光學(xué)特性， 還可以用于獲取氣溶膠邊界條件在光學(xué)上的特性[9]。 根據(jù)前人的研究， 偏振反射率遵循各向異性的分布模式[10]， 因此， 偏振反射率的多角度空間分布特性可以用雙向偏振分布函數(shù)(bidirectional polarized distribution function, BPDF)來描述。 與雙向反射分布函數(shù)(bidirectional reflectance distribution function, BRDF)不同， 雙向偏振分布函數(shù)在可見光-近紅外波段對(duì)波長(zhǎng)的變化不敏感[11]。 不同尺度下的多角度偏振測(cè)量， 如近地面遙感測(cè)量、 航天測(cè)量等， 極大地推動(dòng)了各種雙向偏振分布函數(shù)模型的發(fā)展， 使其廣泛應(yīng)用于地表反演工作。

鑒于雙向偏振分布函數(shù)的重要性， 建立合適的預(yù)測(cè)模型成為了研究的重點(diǎn)之一。 雙向偏振分布函數(shù)模型可以大致地分為基于簡(jiǎn)化輻射傳輸方程和蒙特卡洛模擬的物理模型和通過結(jié)合物理方法和統(tǒng)計(jì)方法的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚11]。 盡管物理模型有著更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摶A(chǔ)， 但其預(yù)測(cè)結(jié)果往往不夠理想。 在需要考慮到多重散射的情況時(shí)， 利用物理方法會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的計(jì)算。 因此， 利用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠矸囱莸乇淼恼鎸?shí)情況是更優(yōu)的選擇。

1.1 Litvinov模型

Litvinov模型是一種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?由Pavel Litvinov在2010年首次提出[11]， 主要用于反演土壤和植被表面。 它的特點(diǎn)在于， 在原理上， 作者從立體的角度研究土壤的光學(xué)特性， 加入了遮蔽函數(shù)來模擬土壤顆粒因光源位置不同而相互遮蔽所帶來的影響， 并考慮到了土壤顆粒的體積散射效應(yīng)， 使得模型更加貼近于實(shí)際情況； 在技術(shù)上， 作者通過RSP(research scanning polarimeter)獲取地表的多角度、 多時(shí)相的偏振反射信息。 因此與其他半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾龋?Litvinov模型具有更高的擬合精度， 且在Yang等[11]的研究中得到了驗(yàn)證。 該模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如(1)式所示， 其中Rp為偏振反射率

(1)

式(1)中，F(xiàn)p(γ,N)為菲涅耳方程， 其完整形式如式(2)所示。

(2)

式(2)中，γ為入射方向和反射方向之間的散射角，N為折射率， 取值為1.5。μs和μv和μi分別為入射天頂角， 探測(cè)天頂角和入射角的余弦值。α,σ和kr是三個(gè)自由參量， 與實(shí)驗(yàn)樣本類型所對(duì)應(yīng)的α,σ2和kr分別為3.366, 0.274和0.652。

反射角θi， 折射角θr和散射角γ可以分別通過式(3)、 式(4)和式(5)得到

(3)

sinθi=Nsinθr

(4)

cosγ=-cosθscosθv-sinθssinθvcosφ

(5)

式(4)中，θs和θv分別為入射天頂角和探測(cè)天頂角，φ為入射光和探測(cè)位置的相對(duì)方位角。

式(1)中的函數(shù)f(σ,θ)是高斯分布函數(shù)。 其中， 自由參量σ2取0.274，θ為入射方向和探測(cè)方向之間的夾角， 其完整數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(7)所示

(6)

(7)

為了削弱前向散射的影響， 在式(1)中加入了遮蔽函數(shù)， 它在后向散射方向上取得最大值， 因此可以抑制前向散射方向上的偏振反射率值。 其完整的表達(dá)式如式(8)所示

(8)

式(8)中所用的自由參數(shù)kr用于控制陰影區(qū)域?qū)挾龋?取值范圍是0

使用Litvinov模型來擬合實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)， 并以此作為評(píng)價(jià)兩種土樣的光譜特性差異的指標(biāo)之一。 為了評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)測(cè)量值和模型所預(yù)測(cè)的理論值的擬合程度， 選取均方根誤差(root mean square error, RMSE)和相關(guān)系數(shù)(correlation coefficient)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.2 均方根誤差

(9)

1.3 相關(guān)系數(shù)

相關(guān)系數(shù)被用來度量?jī)蓚€(gè)變量的相關(guān)性， 取值范圍為-1到1。 假設(shè)有兩個(gè)隨機(jī)變量X和Y， 方差分別為Var(X)和Var(Y)， 兩個(gè)變量間的協(xié)方差為Cov(X,Y)。 若這兩個(gè)變量越接近于-1或1， 那么說明變量X和變量Y的相關(guān)性越強(qiáng)。 相關(guān)系數(shù)r(X,Y)的表達(dá)式如式(10)所示

(10)

1.4 偏振度

(11)

式(11)中，R90°為偏振角度為0°時(shí)的偏振反射率，R0°為偏振角度為90°時(shí)的偏振反射率。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 研究區(qū)域

土壤樣本均采集于中國(guó)吉林省白城市鎮(zhèn)賚縣， 該區(qū)域位于松嫩平原西部， 經(jīng)緯度位置為東經(jīng)122°47′—124°04′， 北緯45°28′—46°18′。 松嫩平原的氣候是典型的半干旱季風(fēng)氣候。 年降水量420～460 mm自東向西遞減到350～420 mm左右。 年蒸發(fā)量則從1 200～1 600 mm自東向西遞增到1 500～1 900 mm左右。 截至2020年6月， 鎮(zhèn)賚縣已探明石油儲(chǔ)量2.7億噸， 原油可開采量1.5億噸， 發(fā)達(dá)的石油工業(yè)為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)， 但是同時(shí)也造成了該地嚴(yán)重的石油污染問題。

2.2 樣品采集和處理

兩種土壤樣本均受到了不同程度的石油污染。 對(duì)農(nóng)田土進(jìn)行風(fēng)干， 將土壤粉末過20目的篩子以篩選出足夠細(xì)小的顆粒， 若土壤顆粒不能過篩， 則將其研磨， 重復(fù)上述步驟。 對(duì)于濕地土， 由于采集的樣品濕度過大， 質(zhì)地十分黏重， 將其風(fēng)干后雖然其粒徑滿足實(shí)驗(yàn)需求但是仍含有較多水分， 不適合過篩， 故直接將其用于測(cè)量。 因?yàn)闈竦赝翗颖緵]有過篩， 所以其中混雜了少量的磚塊、 礫石碎屑物等雜質(zhì)， 且含水量較高。

2.3 儀器

光譜測(cè)量平臺(tái)是由東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院趙云升教授課題組和中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所共同研制的室內(nèi)大型BRDF測(cè)量裝置， 該儀器主要由四個(gè)部分組成， 分別是光源系統(tǒng)、 探測(cè)架、 載物臺(tái)以及控制系統(tǒng)。 光源采用鹵鎢燈。 載物臺(tái)的中央用以放置實(shí)驗(yàn)樣本， 沿著載物臺(tái)平面徑向安裝了探測(cè)架。 探測(cè)架上安裝了探測(cè)頭， 并且可以在探測(cè)頭前追加偏振鏡頭。 控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在2π空間控制探測(cè)架和載物臺(tái)的旋轉(zhuǎn)， 以改變探測(cè)天頂角和探測(cè)方位角： 探測(cè)天頂角由探測(cè)器在豎直面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的角度決定， 其角度變化范圍是0°～90°； 探測(cè)方位角由探測(cè)器在載物臺(tái)所在水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的角度決定， 其變化范圍是0°～360°， 二者的精度均為0.5°， 從控制系統(tǒng)的顯示屏上和載物臺(tái)邊緣所標(biāo)注的刻度上可以分別讀取探測(cè)天頂角和探測(cè)方位角。

光譜數(shù)據(jù)的采集用美國(guó)ASD光譜儀公司生產(chǎn)的ASD Field 3野外便攜式高光譜儀。 將ASD光譜儀、 BRDF測(cè)量裝置和計(jì)算機(jī)三者用光纖連接， 即可將實(shí)時(shí)測(cè)得的光譜數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

2.4 光譜測(cè)量

將兩種土壤樣品根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行多角度、 多偏振方向測(cè)量。 多偏振方向指的是在探測(cè)器前附加偏振度為0°， 45°和90°三個(gè)特殊角度的偏振鏡頭， 測(cè)量不同偏振度下的偏振反射率。 多角度具體指的是保持光源位置不變， 入射方位角是0°， 入射天頂角為40°， 改變探測(cè)架的天頂角和方位角， 分別測(cè)量探測(cè)架在不同方位角和天頂角的組合下的偏振反射率。 其中探測(cè)天頂角的范圍是0°～60°， 每組間隔為10°。 由于40°時(shí)入射光線被探測(cè)設(shè)備遮擋， 故用32°的探測(cè)天頂角代替40°的探測(cè)天頂角； 探測(cè)方位角的范圍是10°～180°， 間隔為10°。 以每個(gè)探測(cè)天頂角和方位角的組合為單位， 獲取土壤樣本的偏振反射率。 由于石油的光譜響應(yīng)在可見光-近紅外波段最顯著， 探測(cè)頭在此波段下接收到的噪聲較小， 因此本實(shí)驗(yàn)選取兩種土壤樣本在800 nm波段處的偏振反射率。

為了獲取土壤樣本的光譜數(shù)據(jù)， 在使用前需要對(duì)儀器進(jìn)行適當(dāng)校正。 首先， 在正式使用BRDF測(cè)量裝置時(shí)， 都要用10～30 min預(yù)熱光源。 其次， 在探測(cè)頭前端安裝偏振鏡頭， 并根據(jù)偏振鏡頭上的刻度將偏振度調(diào)至0°。 之后， 打開計(jì)算機(jī)上的RS3操作軟件， 設(shè)定好參數(shù)， 將白板放置在光源下進(jìn)行反射率定標(biāo)， 若在反射率等于1.0處出現(xiàn)一條大致平直的圖線， 那么就說明定標(biāo)工作完成。 取下白板， 將樣品放置在光源下， 設(shè)定好探測(cè)架的天頂角和方位角。 當(dāng)計(jì)算機(jī)屏幕上的圖線穩(wěn)定時(shí)， 即可保存光譜。 在不同的探測(cè)方位角和天頂角組合下， 采集5個(gè)光譜數(shù)據(jù)。 注意每隔20～30 min左右取下樣本， 換上白板， 重新對(duì)光譜進(jìn)行優(yōu)化、 定標(biāo)， 以確保光譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 改變偏振度大小或土壤樣本后， 重復(fù)上述過程。 為了減少其他光線的干擾， 實(shí)驗(yàn)全程在暗室進(jìn)行。

2.5 數(shù)據(jù)處理與分析

將實(shí)驗(yàn)獲得的光譜數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中打開。 首先對(duì)五條光譜數(shù)據(jù)做連接處的平滑處理， 之后取五條光譜數(shù)據(jù)的均值另存到文件系統(tǒng)中。 將上一步所得的反射率數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)處理軟件中。 首先根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)分別做出兩種土壤樣本在不同偏振度下的偏振反射率云圖， 其次將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的偏振反射率和Litvinov模型所預(yù)測(cè)的理論值擬合， 最后計(jì)算兩種土壤樣本的偏振度大小。

為了對(duì)結(jié)合梁的動(dòng)力性能有更深入的研究，設(shè)計(jì)了6片鋼-混凝土簡(jiǎn)支結(jié)合梁，通過變化模型列車的載重和速度，測(cè)試了結(jié)合梁模型在移動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)結(jié)合梁動(dòng)力響應(yīng)的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同樣本的偏振光譜特征的定性分析

我們將偏振實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理， 將方位為0°～360°、 0°～70°探測(cè)方向得到的偏振反射光譜運(yùn)用Origin軟件進(jìn)行繪圖。 從圖1可得出， 在不同的偏振角度下， 農(nóng)田土樣本的前向反射率均小于后向反射率， 而濕地土樣本的后向反射率均小于前向反射率。 同時(shí)， 在不同的偏振角度下， 農(nóng)田土樣本的偏振反射率整體上均大于濕地土樣本的偏振反射率。

造成這種差異的主要原因是農(nóng)田土樣本和濕地土樣本的含水量存在顯著差異， 且農(nóng)田土樣本和濕地土樣本的粒徑也存在顯著差異。 土壤的含水量和粒徑大小都會(huì)影響土壤的反射特性。 濕地土樣本的含水量遠(yuǎn)大于農(nóng)田土樣本的含水量， 導(dǎo)致濕地土的偏振反射率整體上較小于農(nóng)田土。 一般情況下， 當(dāng)光照射到土樣表面時(shí)， 在0°方位角處， 即后向散射方向， 土壤顆粒之間的相互遮蔽效果最小， 使得土壤顆粒直接向光源入射的方向反射光線； 當(dāng)探測(cè)器與光源的相對(duì)方位角逐漸增大到180°方位， 即前向散射方向時(shí)， 土壤顆粒之間的遮蔽效果越來越強(qiáng)， 導(dǎo)致探測(cè)器的方位角越接近于180°， 其接受到的反射光就會(huì)越來越少， 到方位角達(dá)到180°時(shí)， 由于遮蔽效應(yīng)最強(qiáng)， 故此時(shí)探測(cè)器接收到的輻射量達(dá)到最小值[15]。 但是， 若土壤樣品的含水量較大， 那么光在照射到土壤表面時(shí)， 會(huì)因?yàn)橥寥浪拇嬖诙l(fā)生鏡面反射現(xiàn)象， 使得前向散射方向的偏振反射率大于后向散射的偏振反射率。 對(duì)于濕地土樣， 其粒徑較大， 質(zhì)地松散濕潤(rùn)， 光照到土壤表面時(shí)一方面會(huì)發(fā)生鏡面反射現(xiàn)象， 從而導(dǎo)致了前向散射大于后向散射。

圖1 兩種土樣在不同偏振角度下的偏振反射率分布云圖

3.2 偏振度對(duì)比分析

分別計(jì)算兩種土樣在7種不同的探測(cè)天頂角下的偏振度， 可得圖2所示的結(jié)果。 從該結(jié)果可以得出兩方面的信息， 其一是兩種土樣之間偏振度數(shù)值大小的差異， 其二是兩種土樣偏振度的空間分布格局特征。 首先， 在后向散射方向， 即相對(duì)方位角范圍在0°～90°和270°～360°區(qū)間內(nèi)， 農(nóng)田土的偏振度的絕對(duì)值明顯大于濕地土的偏振度的絕對(duì)值， 而在前向散射方向， 即相對(duì)方位角范圍在90°～270°區(qū)間內(nèi)， 這種特征就不是特別明顯。 其次， 兩種土壤樣品的數(shù)據(jù)點(diǎn)大部分都小于0， 說明兩種土壤樣品的反射光的偏振角在總體上都偏向于0°方向， 并且農(nóng)田土在這方面的特征更明顯。

造成這種現(xiàn)象的原因是這樣的： 土壤表面的偏振光是因?yàn)楸砻姘l(fā)生了鏡面反射現(xiàn)象而產(chǎn)生的。 對(duì)于含水量高且不含石油成分的土壤， 土壤顆粒依靠范德華力和氫鍵強(qiáng)烈地吸附水膜和一些極性離子， 使得土壤顆粒之間的黏性顯著提升， 從宏觀上就表現(xiàn)為土壤表面平整光滑， 這是產(chǎn)生鏡面反射的有利條件。 然而， 若含水量高的土壤內(nèi)含有石油等油類物質(zhì)， 那么土壤顆粒之間的空隙會(huì)因水分子與油分子之間的相斥作用而加大， 這樣就從微觀層面破壞了鏡面反射， 使偏振度下降。 一方面， 實(shí)驗(yàn)所采用的濕地土樣本質(zhì)地黏重， 含水量高， 土壤內(nèi)所含的油分子和水分子相互排斥而削弱了鏡面反射， 導(dǎo)致了濕地土的偏振度的降低。 另一方面， 農(nóng)田土樣本質(zhì)地干燥細(xì)膩且表面平整， 本身就有利于鏡面反射的發(fā)生， 又因?yàn)橥寥罉颖緝?nèi)含有一定量的石油， 油分子包裹在土壤顆粒表面， 使土壤表面更加光滑， 更有利于鏡面反射的產(chǎn)生。 此消彼長(zhǎng)， 導(dǎo)致了農(nóng)田土的偏振度絕對(duì)值在后向散射方向要明顯偏大。 而在前向散射方向上這種現(xiàn)象不明顯的原因可能在于， 濕地土樣本因?yàn)槠浜枯^高， 鏡面反射出的光相較于農(nóng)田土樣本的要更多， 探測(cè)器在180°方位角附近得以接收到更多從濕地土樣本表面反射出的光線， 從而拉近了兩種土壤樣本之間的偏振度差距。

圖2 兩種土樣在不同探測(cè)天頂角下的偏振度折線圖

3.3 偏振模型定量分析

運(yùn)用Litvinov模型所計(jì)算出的理論值和測(cè)量值相擬合， 得到圖3所示的結(jié)果。 從擬合結(jié)果可以看出， 不論是農(nóng)田土樣本還是濕地土樣本， 實(shí)際測(cè)得的偏振反射率都與模型的預(yù)測(cè)值存在明顯的偏離。 其原因在于， Litvinov模型計(jì)算得出的偏振反射率本身由光源和探測(cè)器的空間位置決定， 而與土壤自身的成分、 結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)等方面無關(guān)， 本實(shí)驗(yàn)所采用的土壤樣本均受到過不同程度的石油污染， 土壤顆粒被油分子包裹， 從而令土壤顆粒表面更加光滑。 光滑的表面更容易產(chǎn)生鏡面反射， 而鏡面反射的存在恰恰是偏振光產(chǎn)生的關(guān)鍵。 因此在這樣的條件下， 土壤表面的偏振反射率會(huì)顯著大于模型的理論值。 由于濕地土樣本含水量較高， 削弱了油分子對(duì)偏振反射率的增強(qiáng)作用， 使得該樣本偏振反射率的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值高于模型預(yù)測(cè)值占全體實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的比例， 要低于農(nóng)田土樣本的結(jié)果。

然而， 還存在部分的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值低于模型預(yù)測(cè)值， 符合這一特征的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值大多位于前向散射方向。 這也和模型本身的特點(diǎn)有關(guān)。 Litvinov模型設(shè)置了遮蔽函數(shù)， 該函數(shù)使得散射角越大， 即越接近于前向散射方向， 其取值就越小， 這樣就起到了抑制前向散射方向上偏振反射率值的效果。 自由參量kr的取值和土壤種類有關(guān)。 實(shí)際上， 本文所選用的kr值， 是模型建立者在經(jīng)歷大量實(shí)際測(cè)量工作后， 所得測(cè)量結(jié)果的中位數(shù)， 反映的是一般情況， 而本實(shí)驗(yàn)中的研究對(duì)象是受過石油污染的土壤樣本， 因此可以視作一種特殊情況。 濕地土樣本含水量較高， 其鏡面反射現(xiàn)象顯著因此散射角較大， 從而遮蔽函數(shù)對(duì)其偏振反射率預(yù)測(cè)值的抑制作用更加強(qiáng)烈。 另外， 濕地土樣本顆粒較大， 并且其中含有少量的磚塊、 礫石碎屑等雜質(zhì)， 這些雜質(zhì)所產(chǎn)生的遮蔽效果比一般土壤顆粒更明顯。 農(nóng)田土樣本由于其質(zhì)地干燥細(xì)膩， 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的偏振反射率低于模型預(yù)測(cè)值的比例相對(duì)較少。 綜合以上兩種因素的影響， 濕地土樣本的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值有一部分低于模型預(yù)測(cè)值， 需要調(diào)整kr的取值以提升模型的擬合效果。

圖3 兩種土樣偏振反射率的實(shí)際觀測(cè)值和模型的擬合結(jié)果

4 結(jié) 論

通過研究?jī)煞N土壤樣本的偏振反射率和偏振度， 可以得出： 含水量的差異是導(dǎo)致農(nóng)田土樣本和濕地土樣本的偏振光譜特性產(chǎn)生差異的主要原因， 另外， 兩者在結(jié)構(gòu)方面的差異也使得兩種土樣擁有不同的偏振光譜特征。

首先， 農(nóng)田土樣本的偏振反射率在總體上要大于濕地土樣本的偏振反射率， 原因在于實(shí)地采集到的濕地土含水量較大。 并且， 兩種土樣的含水量差異也影響到了二者偏振反射率的空間分布格局。 一般情況下， 尤其是干燥的土壤， 后向散射現(xiàn)象要比前向散射現(xiàn)象更顯著， 而含水量較大的濕地土樣本表面產(chǎn)生的鏡面反射現(xiàn)象更顯著， 最終導(dǎo)致了前向散射比后向散射更明顯。 其次， 兩種土壤樣本的偏振度也有明顯差異， 農(nóng)田土樣本的偏振度大于濕地土樣本的偏振度。 因?yàn)槎吆康牟町悾?導(dǎo)致二者偏振度的差異在前向散射方向上沒有在后向散射方向上那樣顯著。

從模型擬合結(jié)果來看， 兩種土壤樣本的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值和模型預(yù)測(cè)值都存在著明顯的偏移， 農(nóng)田土的偏移情況更明顯。 原因在于兩種土壤樣本所含有的石油成分令土壤表面的鏡面反射現(xiàn)象更加顯著， 從而使一部分實(shí)驗(yàn)測(cè)得的偏振反射率高于模型的預(yù)測(cè)值， 但是濕地土樣本含水量更高， 使得油分子對(duì)偏振反射率的增強(qiáng)效果在一定程度上被削弱； 在Litvinov模型中， 存在遮蔽函數(shù)以抑制前向散射方向上的偏振反射率預(yù)測(cè)值， 其中的自由參量kr的取值和所測(cè)量的地表類型有關(guān)。 本實(shí)驗(yàn)所使用的兩種土壤樣本， 尤其是濕地土樣本， 粒徑較大且含有雜質(zhì)， 土壤顆粒的遮蔽效果相對(duì)模型所預(yù)測(cè)的要強(qiáng)， 導(dǎo)致了一部分實(shí)驗(yàn)測(cè)量值低于模型的預(yù)測(cè)值， 需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整自由參量kr的取值。

綜上所述， 農(nóng)田土樣本和濕地土樣本由于各自的結(jié)構(gòu)、 含水量和含油量等方面的性質(zhì)不同， 導(dǎo)致了二者的偏振光譜特征存在明顯差異。