基于中长波红外光谱偏振信息的土壤含水量反演研究

以裸土和低植被覆盖度含水土壤的中波红外和长波红外光谱偏振特性及其变化为研究对象，在分析含水土壤中波红外和长波红外偏振机理的基础上，利用傅立叶变换红外光谱偏振计开展含水土壤的红外光谱偏振试验。通过红外光谱偏振数据处理分析，并结合含水土壤的计算机红外偏振仿真研究，构建含水土壤红外光谱偏振特性实验统计模型。多次重复含水土壤的红外偏振试验，利用红外偏振特性反演土壤含水量，与现场实测土壤含水量对比，检验基于红外光谱偏振信息反演土壤含水量的真实性，并优化模型参数。.本项目将红外遥感与偏振测量学相结合，还将利用积累的土壤湿度可见光偏振测量研究结果，与含水土壤红外偏振特性进行比较分析，评估土壤含水量红外光谱偏振反演精度和最优红外偏振波段。力求在基于红外测温和热惯量方法监测土壤含水量基础上，发展土壤含水量反演新方法，提高土壤水分遥感监测精度，使得红外偏振技术应用于农业遥感，特别是土壤水分遥感监测领域。

本项目考虑偏振大气窗口，在中波红外和长波红外波段，系统研究了不同含水等级土壤样品的红外偏振特性及其红外偏振遥感反演方法。讨论了含水土壤的中波红外和长波红外偏振特性及变化的物理机理，在长波红外波段采用Fessenkov方法进行含水土壤偏振探测研究，在中波红外波段分析了采用偏振差分亮度和偏振度参数表征不同含水等级土壤样品偏振特性及其变化的意义。. 改造完成了傅立叶变换红外偏振光谱仪探测系统，发展了红外偏振定标方法，实施了偏振辐射定标研究。设计了含水土壤红外偏振实验方案。编制了定标和含水土壤红外偏振特性处理分析软件。开展了含水土壤样品的实验室和外场红外光谱偏振探测实验，讨论了含水土壤红外偏振特性与波数、观测天顶角和含水量之间的相关关系。以黄棕壤为例，长波红外相对于可见光波段，其偏振度一般都比较小，在不同观测角度上的偏振度基本低于11％。当土壤含水量小于10％时，土壤样品的长波红外偏振特征不明显，偏振度小于2％，且波数选择性较差。当土壤含水量超过17％直至接近饱和时，样品红外偏振度随着观测天顶角和波数的增加而逐渐增加的趋势相同，增加幅度更加明显。在土壤含水量较大时，含水量相同的土壤，随着观测天顶角的增加，偏振度有增加的趋势。当含水量接近饱和时，在不同波数，不同观测天顶角时的红外偏振度区分非常明显。. 研究了中波红外土壤含水量不同的样品光谱偏振反射和热辐射能量分布及其变化规律。通过不同含水量等级的土壤样品光谱偏振特性分析，得到偏振差分亮度参数表征含水土壤表面反射和热辐射机制偏振特性的有效性，结合偏振度参数，完成了对不同土壤含水量样品偏振特性的定量分析。在太阳光主平面内，当以50°～60°角度入射时，镜面反射方向的含水土壤表面光谱偏振特性较明显。在2200波数~2400波数范围，太阳辐射被大气吸收，天空背景入射至土壤后反射能量很弱，不宜用作对含水土壤的偏振特性研究。2000波数～2200波数范围，此波段具有一定的偏振敏感性，可以用作对土壤含水量的偏振特性研究，但是其对于土壤含水量的区分度没有2400波数～3000波数范围明显。. 根据2400波数~3000波数范围的偏振度与土壤含水量之间具有的单调递增关系，拟合了土壤含水量与其偏振度的相关关系模型，满足了基于红外偏振信息反演土壤含水量的需要。