积雪反射光谱的测量与验证外文翻译资料

 2022-12-07 04:12

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积雪反射光谱的测量与验证

Jouni I. Peltoniemi, Sanna Kaasalainen, Jyri Nauml;rauml;nen, Leena Matikainen, and Jukka Piironen

摘 要：在芬兰双向反射函数分布（BRDF）已经用于不同积雪的高光谱分辨率的测定 (Vuotso, Hyytiauml;lauml;, Sodankylauml;, Kilpisjauml;rvi, Rovaniemi, Sodankylauml; again)。测得的雪的类型包括新雪，两针形和六角形，老松雪，融化和冻结的雪。研究显示，所有雪类型显示强烈的前向散射，但似乎也有一些增强向后方向，太多的细节尚未公布。晶粒尺寸给出在近红外一个明确的信号，这是以前观察到。粮食形状的非平凡的依赖，也观察到，先前已被忽略。融化的雪水有明显的转移功能不是在干雪观察到的：首先镜面方向上的最大值，在这之后的最低，然后再次向前增亮。有在1250-1350 nm光谱信号，可以用作湿润特别是复苏，即使地形或双向反射模型尚不清楚。密度依赖观察，部分此前测量。微地形粗糙度略有增加后向散射。可以用比用当前的仪器高光谱，多向遥感技术来观察有关雪更详细的信息。更多雪类型的测量需要采取特别脏雪，雪/植被复合材料，和粗糙雪表面。

关键词：双向反射分布函数（BRDF），测角仪，高光谱，测量，多方向，反射率，遥感，散射，雪，光谱仪。

  1. 引言

在冬天白雪覆盖的区域用遥感技术详细了解积雪光散射[1]-[3]和气候建模[4],[5]是重要的。监控融雪对水力和防洪的规划是十分重要的。雪增加森林中的前景/背景之下,允许新的遥感森林的机会。季节性积雪有助于快速表面反照率的变化,因此在气候研究中扮演一个重要组成部分。积雪的光反射领域也用作校准目标卫星传感器。新型遥感仪器[6],[7]呈现新的机会利用详细的多向和多/高光谱数据。

图1所示。测量几何和 分别是事物（观察者）和事件（太阳）辐射的天顶角，和是相应的方位角。相位或后向散射角是观察者和太阳之间的夹角的主平面的网络连接由太阳能方向与表面法线固定的，而横平面垂直于主平面的垂直平面。

双向反射分布函数(BRDF)被定义为事件发生反射的强度比单向通量[8],[9]：

(1)

图1中定义的角度。

总的来说，双向反射分布函数是一个四角函数，但是目标通常是足够水平/方位各向同性减少依赖，即唯一的方位变的区别是（）。新落下的雪一般都是各向同性的，但风、太阳、地形、和融化可能会破坏对称性。

雪的双向反射分布函数已被用于各种仪器的测量。在20世纪50年代，Middleton和Mungall [10] 利用该测量技术有特制了一个场分布光度计。他们测量了下，使用白色宽带光照明的各种几何形状的几种类型的雪。更近的测量已经进行[11] - [19]采用改进的光谱范围和分辨率的各种技术一起。尽管这些改进的测量，但仍然需要一种新的测量和工作，以补充光谱和角度范围进行，记录了许多新的积雪类型和配置简单，某些参数研究详细的答复，并检查观察的一致性等等。

散射模型已开发[16]，[20] - [25]在与测量技术结合使用。这些模型可以解释最显着的光谱和雪定向功能，如强大的前向散射和粒度的影响。模型的基本假设为混浊（强烈散射，连续的）介质和球形颗粒（有一些杂质[26]）。然而，有一些证据推测粒形（例如[27]）、定位、微观结构、包装[28]和地形[29]影响着积雪的双向反射。本文的目的是采取更多的步骤创建一个大型经验雪双向反射数据库。几个雪的双向反射类型已经通过测角测量的高光谱分辨率光谱仪归芬兰芬兰大地测量协会（FGI）所有。第三到五节描述仪器和测量，在第六节将测角架光谱仪装置在高光谱分辨率测定并给出结果。新的建模将另文讨论。

二、设备

测量已使用仪器的各种组合服用。设置A，在第一个广告活动中使用，包括A个人建造的测角仪（序号2），重新171通道光研究PR-713 / PC光谱仪和便携式半286计算机。测角器有一个2米臂可能围绕天顶而制成的钢和铝条折叠三角底座转动。整个仪器必须被接通以测量方位变化。倾斜机构是全手动和健壮但缓慢的，在某些角度阴影和反射引起的领域的观点。运输和安装相对容易。一个缺点是，该检测器足迹从地面结构只有约10厘米，并因此目标现在表面容易由仪器损坏。探测器范围从390 – 1070nm光谱分辨率与4 nm波长场的光谱分辨率范围是0.5 °1.5°对应于矩形1.54.5cm的最低点的覆盖区。

设置B的作用是用300 w户外卤素灯作为光源。

设置C由一个沉重的场测角仪（序列号3），同比ASD ASD场规格临帧中继场光谱仪，以及东芝Portege计算机（图2）。测角器被手动操作。它可以方位翻了360和倾斜到天顶角0°-75°，不包括探测器弧形阴影几个角度特别是在零相位角（plusmn;4°）和周围plusmn;9°的方位。它是由拖车运输，因为它体重超过150千克可能会稍微雪，但不是很远感动。该仪器本身或测量设备会腐败运输，安装和操作期间样品很小，因为该样品是在系统从最近结构70厘米远的中心的风险。角定位精度为约1°-2°，和覆盖区的定位精度是在天顶约2-3cm，但经过60°天顶角迅速增加至10-50cm。因此，大约70°的角度很少使用或显示。

一个ASD场规格临帧中继场光谱的波长范围的350-2400毫微米用作检测器。在第一个测量使用1°光纤，它生产了3cm的足迹，但这太小了，除了干净,新鲜,新雪,以后要使用3光学3cm（10cm足迹）采取后续的测量结果。对于一些样品，甚至更大的足迹将是有益的，但它会降低了角分辨率和复杂的校准程序。

图2所示。(上)2001年Sodankyla测角仪3(假测量，因为阴影已经禁止生产工作)。

(下)测角仪3和2004年Sodankyla Oriel灯,晚上测量阻断了北极光。

设置D是类似于C，使用Oriel1000W-石英卤钨灯（QTH）研究光源拍摄测量。通过使用原来的69-mm系列光学和外部透镜，一个相对平坦的(plusmn;20％)锋利的点形成干扰略的灯丝效果。光被一个可转动反射镜的装置从灯到目标引导。灯泡安装在一个曼灯架允许高度在2-4m之间变化。

图3所示 部分样品的光散射比。注：可见光的瑞利模式，在Sodankylauml;中午环境成分到晚上的差异，和对大气浑浊的依赖性很大。1400-1800nm的大噪声区域是在大气中的水蒸气吸收所有入射光的波段，和650nm小信号是我们的激光指示器。

三、校准、测量和数据处理程序

所有针对积分球光谱测量的规范化面板设计相当于各向同性反射率在 97%-99%之间。参考测量总是在最低点,假定的标准仔细几厘米以上的目标。在所有已发表的病例中，校准的准确度要好5%。潜在的误差来源包括不准确的水准的标准，尤其是在大型发病率天顶角度、偏差的标准和目标,特别是在人工照明,极化效果的灯，或参考面板变得脏了。面板上的各向异性的双向反射光谱可能会导致额外的系统误差(可能低于10%，这将影响所有数据，但它不会影响结论)。

当测量在阳光下进行，在光照条件下总是有一些变化。首先,因为太阳移动(15°/小时)，其次，因为大气变化会发生很快和不可预知。因此测量周期一定要快，和参考测量必须经常采取（最好同时，但该选项不可用）方位角。一个方位角的测量序列和八天顶角花了大约2分钟使用测角仪3（用测角仪2 -5分钟）。参考测量总是后(如果可能的话)重复序列。在公布结果的前后差异(测量期间,估计短期变化)总是低于10%。然而，通常30 - 60分钟的时间差距之间，在西部的第一个和最后一个方位在这期间太阳数度向上/向下移动。

在阳光下，总有一些来自天空、环境和仪器的光。散射辐射的数量变化的大范围在1%和100%之间,这取决于天空,太阳天顶角和波长(图3)。为了计算准确的双向反射，漫射光的影响必须消除。去除阴影的漫射光完全太不切实际了。因此,扩散组件单独测量,阴影阳光直射通过大屏幕为目标()和参考标准(),并减去全光强度测量的()：

（2）

参考标准的信号是全光(ASD光谱仪归一化自动)。为得到更准确的结果（特别是反射率），公式还必须与相乘，在该测定的标准几何形状的标准双向反射率。

首先，在所有的角度依次测量漫反射强度。然而，结果证明，漫反射扩散强度几乎是各向同性的（plusmn;10％），因此，它足够说明测量两个方向中只有一个。有人直接/间接推断，紫外线(UV)(350 - 450 nm)部分，漫射光最可能受到一些残余误差的影响，扩散校正不准确度在5%-20%之间。

如果使用人造光，大气变化和漫射光的问题将会被消除，得到更大的灵活性和入射光。然而，由于光源的初步条件，一些问题不均匀的光斑分布(10%)和近场效应(如：衰减)变得明显。近场效应有视场角确定，这可能引起了一些偏差（高达10％），尤其是对后向散射的伸长率提高。

四、雪的特征

积雪的表征取决于采用设备、人员的测量方式和时间。颗粒大小和形状测量取决于观测者。有时颗粒筛分需要更精确的尺寸分布（但是由于大多数样品潮湿或相互融合而不能完成，这是一个不成功的技术）。原则上，所有样品都拍照，虽然只有几个照片是有用的。使用来自Toikka工程雪叉测定湿度，如果它是可行的；否则需要手动估测：干燥度、湿度（1%-3%）和湿度（＞3％）（手动评估校准雪叉被证明是足够可靠）。包装体积密度和体积分数(无量纲)，通常是衡量一个容器填满雪，融化后测量水量。

五、测量

测量结果见表1

测量概要。美国的方式设置，“NS”是测量光谱的数量（包括校准和漫反射光谱）

A．Vuotso，拉普兰，1998年4月13-24日

测量选择在离Vuotso村约1公里的田地里，远离道路和房屋等无排气辐射。 还有一些有机杂质和风吹雪中表面的不均匀性，但在开放地区最干净、最均匀的点被选择。4月16日至18日期间，测量目标雪至少两个周龄具有非常松散，不规则的圆形颗粒，直径lt;0.5mm，并没有明显融化的痕迹，目标暴露在阳光和风，在测量期间，空气温度在-10℃—-1℃之间变化。4月20日，测量的新雪开始融化。使用卤素光源进行了2套夜间测量。首先，雪很湿，但慢慢冻结。粒径约为0.9mm，形状为球形，但很圆。积雪厚度总是超过60cm。

B．Hyytiala，芬兰中部,2001年3月1 - 6日

测量选择在Hyytiauml;lauml;研究站主楼前的一片田地里，积雪很均匀，大约70厘米厚。上层10-20cm是过去的5天刚降下的新雪，最上面的雪花只是几个小时。包装或体积密度(药物的单位体积分数)0.1 - 0.2(无量纲)，表面光滑，晶粒形成为0.5times;0.1mm的针。

C．Sodankyla，拉普兰，2001年5月1 - 12日

测量是在Sodankylauml;地球物理天文台的后院，一片松树林的小开口处。雪很湿，并且迅速融化，因为气温在零度以上(白天﹢10℃—﹢15℃，晚上-1℃—﹢5℃)。测量期间，30cm的积雪融化了，只剩下很少在阴影区的积雪。因为最向阳的地方的积雪先融化，所以测量必须在向阳的地区，这进一步限制了目标的选择。经过寒冷的夜晚后，早晨的雪变得干燥。所有的样品含有不同数量的积累污垢。积雪的表面非常粗糙和肮脏,但是最平坦、最干净的点被选为测量。在5月3日至4日采集的样品中不受干扰雪。在随后的几天，为数不多的雪必须收集领域构建一个合适的平蛋糕直径50cm，厚度达20cm。晶粒形状呈圆形，20%至50%的伸长率和晶粒尺寸的变化主要是从0.5-1mm之间。填充密度从0.3-0.5，湿度从2%-6%。

图4所示 双向反射和老而松散的积雪之间的关系，波长分别为560 nm(左)和(右)1042nm，太阳天顶角是58°。

D．Kilpisjarvi-Rovaniemi拉普兰，2002年3月5 - 8日

Kilpisjauml;rvi是在科研工作站湖里的冰面上进行的积雪测量，在一个多云的天空大多出于演示的目的，在漫射光的最低点测量的雪，结果比积雪的类型更有用。首先，测量不能接触表面的雪层。然后，小心清理最上层和往下通过深度灰白色至底部进行逐层分析。

在罗凡尼米,测量取自Arcticum Ounasjoki河的河冰，双向反射测量获得新表面雪和另一侧的旧雪。温度低于-15℃，最上面雪花的形状呈星型不对称型。

图5所示 双向反射和新雪之间的关系，波长分别为在560nm（左），1042nm(中间)，1300nm(右)，太阳天顶角为72°。同心圆的天顶角间隔为10°。矩形代表是光源的位置。

图6所示 2001年5月4日双向反射和湿雪之间的关系，波长分别为在560nm（左），1040nm(中间)，1300nm(右)，太阳天顶角为55°。

E．Sodankyla拉普兰，2004年3月10-16日

测量在芬兰气象学院的北极研究中心，一个旧主建筑后院开放的松树林中的进行。积雪层厚60-90cm。最顶层5-10厘米是3月9日的新雪。空气温度介于 1℃—-10℃之间。在测量过程中积雪发生融化、变质。

除了雪表面外，还分析了除去内层大约15cm厚的积雪。被用一把铲把积雪压缩，形成一个密集的雪层。原来雪层光滑清洁，测量精准。粗糙雪适合进行测量的规模很小。有一次，坚硬的积雪层被毁坏，由此产生的粗糙表面的硬雪厚约1.5cm，宽5cm，均方根斜率＜10°，造成一些深洞和大量数量松散的雪面（即不是高斯面）。

一个测量序列是在阳光下，其他所有的使用人工照明(O

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