基于FTIR野外實(shí)測的沙漠下墊面地表發(fā)射率數(shù)據(jù)集

劉凱露，王遠(yuǎn)弘，買買提艾力·買買提依明，楊 帆，劉永強(qiáng)

（1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學(xué)試驗基地，烏魯木齊 830002）

物體的發(fā)射率指物體的輻射能力與相同溫度下黑體的輻射能力之比，是反映地表熱輻射特性的重要參數(shù)［1］，其精度直接影響著地表向上發(fā)射的長波輻射量的精度，進(jìn)而影響地表凈輻射和地表溫度的計算精度［2］。隨著全球氣候趨暖，特別是干旱、半干旱地區(qū)極其脆弱的生態(tài)系統(tǒng)使其對全球變化異常敏感，黃建平等［3］研究表明該地區(qū)對全球年平均陸地氣溫貢獻(xiàn)率高達(dá)44.46%，研究全球干旱、半旱區(qū)的氣候變化已成為目前探究全球環(huán)境變化機(jī)制的重要部分。

隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，利用遙感手段反演得到大面積的地表發(fā)射率與溫度已成為全球的研究熱點(diǎn)。利用熱紅外光譜和微波反演地表溫度已成為進(jìn)行區(qū)域或全球的陸面溫度反演的常用方法［4］。遙感衛(wèi)星反演地表溫度必然要進(jìn)行溫度和發(fā)射率的分離（TES），然而由于地表比輻射率和溫度未知，傳感器N個通道獲取的信息包括了N個未知比輻射率和1個地表溫度，組成的N個方程有N+1個未知數(shù)的病態(tài)方程組在數(shù)學(xué)上沒有惟一解，必須要依靠某種人為地先驗知識作為約束條件使方程有解［5］，導(dǎo)致目前利用衛(wèi)星遙感觀測地表覆蓋類型反演得到的地表發(fā)射率對地表覆蓋類型的反演誤差和不確定性。劉東琦等［6］與張仁華［7］的研究均表明認(rèn)為在8～12 μm波段，典型陸地表面比輻射率每變化0.01，會帶來遙感反演的地表溫度2 K的差異。在干旱、半干旱地區(qū)，由于裸土比輻射率較低，利用遙感反演得到的數(shù)值往往會高于實(shí)際的地表比輻射率，大大降低對干旱半干旱地區(qū)凈輻射的估算精度［7］。Jin等［8］指出MODISC5地表溫度產(chǎn)品在中國西北干旱地區(qū)高估了裸露地表的發(fā)射率而導(dǎo)致地表溫度被低估。特別是在利用氣候模型模擬區(qū)域和全球氣候變化時，以往的研究中模型會把不同土地覆蓋類型的發(fā)射率往往被設(shè)置為一個固定的典型值，如在陸面模型Community Land Model Version 4.0&4.5中分別規(guī)定裸土和濕地地表發(fā)射率為0.96、冰川和雪為0.97［9］，這種對同一地表覆蓋類型賦予一個固定值的方法使地表發(fā)射率不具有時空變化特性。Bavel等［10］及No?borio等［11］先后給出了裸土下墊面地表發(fā)射率公式；Swinback等［12］、Idso等［13］、Chung等［14］分別考慮到近地層溫度及濕度對發(fā)射率的影響，得到大量的大氣發(fā)射系數(shù)參數(shù)化方案。

評價這些參數(shù)化方案在中國西北干旱、半干旱地區(qū)的適用性需要大量準(zhǔn)確可靠的地面驗證數(shù)據(jù)，因此，為了能夠更加準(zhǔn)確地反演該地區(qū)地表溫度，模擬地表能量平衡和氣候特征，獲取高精度的沙漠下墊面寬波段地表發(fā)射率是非常有必要的。本研究利用傅立葉變換熱紅外光譜儀（FTIR）觀測波長在8～14μm的熱紅外大氣窗口的地表輻射光譜，對地表發(fā)射率光譜進(jìn)行高分辨率的野外實(shí)地測量。通過冷熱黑體和漫反射金板校正后，計算該波長范圍的地表發(fā)射率光譜，再利用寬波段的發(fā)射率光譜計算地表發(fā)射率，且無需經(jīng)驗回歸方程的轉(zhuǎn)換，獲得高精度的塔克拉瑪干沙漠地表發(fā)射率數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集可以彌補(bǔ)國內(nèi)外已有的波譜數(shù)據(jù)庫，如USGS、ASTER、中國典型地物波譜庫等波譜庫中在沙漠地物類型下土壤波譜數(shù)據(jù)量的不足，為遙感光譜數(shù)據(jù)的光譜分析提供更多先驗支持，為不同航空傳感器的地面實(shí)況反演提供驗證，優(yōu)化或建立發(fā)展干旱地區(qū)的地表特征參數(shù)化方案，使陸面模型更加準(zhǔn)確地描述該地區(qū)的陸表特征參數(shù)。

1 研究數(shù)據(jù)與處理方法

1.1 研究區(qū)與觀測地表狀況

塔克拉瑪干沙漠位于新疆維吾爾自治區(qū)塔里木盆地中部，是中國面積最大的沙漠，同時也是世界第二大流動沙漠。沙漠總面積33.76×104km2，東西相距1 000 km，南北相距400 km［15］。沙漠全區(qū)除了呈南北走向的和田與克里雅河等兩側(cè)有走廊式林灌草甸帶以及呈東西走向的麻扎山等低山殘丘尚無流沙覆蓋外，其余地面均被沙漠覆蓋，大多為流動沙丘和沙丘鏈，其中流動沙丘占沙漠總面積的83%，固定、半固定沙丘僅分布在沙漠邊緣與綠洲交接的地帶［16］。根據(jù)位于沙漠腹地的塔中站（38°58′51″N，83°38′28″E，海拔1 099 m）1996—2013年觀測數(shù)據(jù)表明，沙漠腹地的年平均溫度為12.4℃，年降水量僅23.0 mm，而年平均潛在蒸發(fā)量高達(dá)3 800 mm。有記錄以來的最高溫度為45.6℃，最低溫度為-22.2℃。平 均 風(fēng)速 為2.5 m/s，瞬 時最 大風(fēng) 速 為24.0 m/s［15］。觀測數(shù)據(jù)日期為2013年10月16—18日，天氣多為晴朗。沿塔克拉瑪干沙漠公路從南到北的測量（南起民豐縣，北至輪臺縣），平均50 km選擇一個四周平坦、純自然下墊面的觀測點(diǎn)，共計10個點(diǎn)，觀測點(diǎn)位置見圖1。

圖1 觀測點(diǎn)分布

1.2 測量原理和測量方法

1.2.1 測量儀器 傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）是通過利用干涉圖與光譜圖之間的對應(yīng)關(guān)系，對測量得到的離散干涉圖進(jìn)行傅里葉變換后反演得到的光譜圖，獲取光譜信息的干涉型光譜儀［17］。與傳統(tǒng)光柵色散型光譜儀相比，F(xiàn)TIR在采樣過程中不需要光源的照射，可直接用物鏡對準(zhǔn)樣品進(jìn)行采樣，以很高的效率采集來自光源的輻射能量并快速測量和記錄樣品較寬波段的光譜信息。FTIR光譜儀由于其自身的優(yōu)越性，已經(jīng)成為地球和大氣紅外探測的有力工具［18］。本研究數(shù)據(jù)采集所使用的光譜儀是由美國D&P公司生產(chǎn)的便攜式傅里葉變換熱紅外光譜102 F，該儀器具有速度快、信噪比高、敏感性好等特點(diǎn)，儀器光通量為0.016 cm2·sr，雜散輻射少，工作溫度范圍為15～35℃，光譜范圍為2～16μm，光譜分辨率為2～24 cm-1，測量結(jié)果可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)差小于1%［19］。漫反射板是由Labsphere公司生產(chǎn)的在鋁制的底板鍍上漫反射金薄膜的板，在近紅外、中紅外和熱紅外波段具有95%～98%反射率，具有很好的朗伯性［20］。

1.2.2 測量原理 便攜式傅立葉變換紅外光譜儀采用的是低溫制冷下的光伏型銻化銦（InSb）和碲偏汞（MCT）探測器利用自身的內(nèi)光電效應(yīng)將接收到的紅光譜輻射出射度MS(λ)轉(zhuǎn)換為光譜電壓VS(λ)輸出。轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：

其中，光譜電壓VS（λ）與光譜輻射出射度MS（λ）都是與波長λ有關(guān)的函數(shù)，r（λ）為儀器的線性響應(yīng)度，也是波長λ的函數(shù)，表征了儀器的光電轉(zhuǎn)化效率，M0（λ，Tinst）是儀器自發(fā)輻射，F(xiàn)TIR光譜儀在探測樣品的同時，也接收來自儀器本身的光譜輻射，考慮儀器自身熱輻射的因素，采用黑體定標(biāo)的雙溫法獲得儀器響應(yīng)度，在測量校準(zhǔn)過程中儀器會自動從采集數(shù)據(jù)中剔除儀自發(fā)的輻射能，輸出值為儀器測量的樣品輻射MS（λ）值。在測量過程中，影響樣品發(fā)射率計算的主要因素有樣品和儀器之間的大氣散射、吸收和發(fā)射。為了盡量避免在測量過程中樣品輻射能受到大氣環(huán)境的影響，儀器與樣品之間的距離要盡量短，這是因為當(dāng)儀器非常靠近被測樣品時，樣品與探測器之間的路徑趨近同一路徑，發(fā)射與散射的路徑輻射可以忽略不計［21］。

由基爾霍夫（Kirchhoff）定律可知，物體的發(fā)射率ελ等于吸收本領(lǐng)aλ，而且對于土壤等不透明物體其吸收本領(lǐng)aλ與反射本領(lǐng)ρλ之和為1，即：

以εs(λ)表示樣品的發(fā)射率，Rs表示樣品的反射率，則兩者之間的關(guān)系為：

假設(shè)地表是一個朗伯表面，則探測器所接受到的熱輻射能可簡化表示為：

式中，MS(λ)為傳感器所接收的光譜輻射亮度；MB(TS,λ)在真實(shí)溫度為TS時的黑體輻射亮度；ε(λ)為比輻射率值；MO↑(λ)和MDWR(λ)分別為大氣上行和下行輻射；τO(λ)為透過率值。在使用光譜儀測量地物的時探測器與被測樣品之間的距離足夠小時（一般小于1 m），大氣的上行輻射對探測器所接收到的總輻射能的影響可以忽略不計，且大氣透過率可視為1，樣品的表觀輻射出射度可表示為：

變換該式可得目標(biāo)地物的比輻射率計算公式：

在使用FTIR光譜儀測量過程中，MS(λ)是儀器直接測量目標(biāo)物得到；大氣下行輻射MDWR(λ)通過金板（低發(fā)射率）來測量。如果金板溫度大于環(huán)境溫度時，則測出大氣下行輻射的值將超出實(shí)際的大氣下行輻射值，這時需要從測量結(jié)果將金板自身輻射剔除，公式可表示為：

式中，TG,為金板的溫度，εG(λ)為金板的發(fā)射率。1.2.3 輻射出射度校正 為了提高整個儀器系統(tǒng)的測量精度需要進(jìn)行輻射出射度校正。FTIR采用的是雙探測器，在不同的光譜波段其響應(yīng)度也不同，在液氮制冷下，銻化銦（InSb）的響應(yīng)波段在3～5μm之間，而碲鎘汞（HgCdTe）的響應(yīng)波段在8～14μm之間。由于探測率并非線性關(guān)系，儀器對輻射的響應(yīng)會隨著波長的變化而變化。在進(jìn)行輻射出射度校正時，假設(shè)黑體的發(fā)射率是1，則儀器對黑體輻射的響應(yīng)在一定溫度變化區(qū)間為線性，校準(zhǔn)函數(shù)即式（1）測量得到的電壓輸出VS（λ）與輻射出射度MS（λ），在任何波長上是由斜率和截距確定的，斜率即為儀器響應(yīng)度r（λ），需要通過對冷熱黑體的測量計算出儀器的響應(yīng)度r（λ）和儀器自身輻射M0（λ，Tinst）。同時，經(jīng)測量得出未校準(zhǔn)的冷熱黑體的輸出電壓值VA（λ）與VH（λ）和在此溫度下冷熱黑體的普朗克函數(shù)M（TH，λ）與M（TA，λ），儀器的響應(yīng)度r（λ）可以由下式表征：

M（TH，λ）與M（TA，λ）可以由普朗克函數(shù)計算得出：

其中，M（T，λ）為黑體輻射出射度［W/（m2·μm）］，λ為波長，T為黑體的溫度（K），c1,c2普朗克函數(shù)常量，c1=3.074×108［W/（m2·μm-4）］c2=1.438 775 2×104（K·μm）。通過儀器響應(yīng)度r(λ)與冷黑體M（TH，λ）或熱黑體M（TA，λ）的測量值可以進(jìn)一步求得儀器自發(fā)輻射M0(λ,Tinst)為

在計算出儀器響應(yīng)度r(λ)和儀器自身輻射M0(λ,Tinst)后，則可推導(dǎo)出校準(zhǔn)后的樣品表觀輻射出射度公式：

1.2.4 沉降流輻射校正 金板的發(fā)射率較小，在滿足數(shù)據(jù)精度要求的情況下，通常選用金板作為沉降輻射的參考輻射源，但事實(shí)上金板并不是一個完全理想的反射體（發(fā)射率約為0.04），它具有較小的熱輻射貢獻(xiàn)，因此在精確計算天空背景輻射亮度時需要減去金板的熱輻射貢獻(xiàn)量，需要通過沉降流輻射校正來消除金板的發(fā)射率的影響。利用金板具有良好的導(dǎo)熱性，在野外測量中，將金板在陽光下充分暴露時，此時金板溫度近似于環(huán)境溫度，儀器所測量的沉降流輻射MDWR，meas（λ），等于金板反射的實(shí)際沉降流輻射MDWR（λ）與金板的自發(fā)輻射εG(λ)M(TG,λ)之和：

其中，εG是金板的比輻射率，再由上式推導(dǎo)出實(shí)際的沉降流輻射MDWR(λ)：

在套用校準(zhǔn)后的樣品表觀輻射出射度公式可得：

1.3 地表發(fā)射率光譜測量方法

在計算地物目標(biāo)的光譜發(fā)射率時必須知道目標(biāo)的表面溫度，部分地物目標(biāo)（比如金屬、人造目標(biāo)地物）的溫度可以直接利用熱電進(jìn)行直接接觸測量。但是在野外測量時，絕大多數(shù)自然目標(biāo)地物表面較粗糙，熱慣性較低，熱傳導(dǎo)能力也較差。因此，利用點(diǎn)溫計直接測量地表溫度很難準(zhǔn)確地反映地表真實(shí)的輻射溫度，為了避免由于溫度而導(dǎo)致的發(fā)射率計算值的誤差，利用溫度和發(fā)射率分離的方法由溫度反演算法獲取發(fā)射率測量同步地表溫度。

102F光譜儀采用普朗克函數(shù)擬合法在軟件中用Planck函數(shù)計算黑體輻射光譜擬合地表輻射光譜，獲得地表輻射溫度，該方法主要通過尋找與黑體輻射亮度曲線相類似的物體輻射曲線波段區(qū)間［λ1，λ2］，并使被測樣品在這個區(qū)間內(nèi)，達(dá)到預(yù)先了解的發(fā)射率最大值εmax先假設(shè)一個溫度區(qū)間［T1，T2］，取中間值T3=(T1+T2)/2作為估算的物體表面溫度，計算樣品在區(qū)間［λ1，λ2］的發(fā)射率曲線，并取其中的最大值ε′max與εmax對比。如果ε′max>εmax則由T1降至原先的T3，再重復(fù)上述過程。如果ε′max<εmax則由T2升至原來的T3，并重復(fù)上述運(yùn)算直到溫度區(qū)間［T1，T2］長度小于預(yù)先設(shè)定的范圍，通常為0.000 1［22］。Korb等［19］研究表明，在沙漠地區(qū)擬合波段在7.45～7.65μm時的最大發(fā)射率為0.995。黑體擬合法在該波段獲得的地表輻射溫度非常準(zhǔn)確，該方法計算的地表發(fā)射率誤差小于0.008［23］。

采用該方法獲取地表輻射溫度計算波長8～14 μm熱紅外窗口的塔克拉瑪干沙漠地表發(fā)射率光譜。地表發(fā)射率光譜到地表發(fā)射率的轉(zhuǎn)換方法需要地表發(fā)射率值，而不是波段的光譜曲線值，所以要將寬波段地表發(fā)射率光譜轉(zhuǎn)換為地表發(fā)射率ε公式如下［24，25］：

其中，λ1和λ2是積分方程的波長范圍，ελ和Bλ(T)都是連續(xù)函數(shù)。

為便于計算與提高計算精度，對波長范圍為的區(qū)間離散化，將其劃分為375個Δλ子區(qū)間，再分別在對每個小子區(qū)間進(jìn)行積分。

為了提高觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性，野外測量選擇在晴朗干燥的天氣下進(jìn)行采集，試驗前需在102F杜瓦瓶中注滿液氮，使探測器充分制冷。在將儀器裝在三腳架上，使鏡頭離地面1 m以內(nèi)，開機(jī)后根據(jù)環(huán)境溫度和樣品溫度分別設(shè)置冷、熱黑體溫度，冷黑體溫度需比環(huán)境溫度低、熱黑體比樣品溫度稍高，先定標(biāo)冷黑體后再對熱黑體進(jìn)行定標(biāo)。由于外部風(fēng)力和太陽照射等外部條件都能夠引起儀器內(nèi)部溫度的變化使儀器就會出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，從而影響測量的精度，所以每次開機(jī)測量前都需黑體定標(biāo)。一般每10～20 min定標(biāo)一次，定標(biāo)后可先采集大氣下行長波輻射數(shù)據(jù)，漫反射金板擺放方位與被測目標(biāo)地物所一致，并且避免太陽直接反射，將鏡頭對準(zhǔn)金板快速測量其反射的輻射波譜后便可得大氣下行輻射向儀器軟件中輸入金板溫度和反射率，隨后將鏡頭垂直對準(zhǔn)研究地表快速獲取地表輻射波譜。在已知地表溫度的情況下便可計算目標(biāo)地物的發(fā)射率。

2 結(jié)果與分析

2.1 塔克拉瑪干沙漠地表平均發(fā)射率

數(shù)據(jù)采集日期為2013年10月16—18日，沿塔克拉瑪干沙漠公路從南至北穿沙漠，每隔50～100 km選擇一個四周平坦且均為自然下墊面類型的野外采樣點(diǎn)，共10個觀測點(diǎn)。對于每個觀測點(diǎn)保留5組以上的有效觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過冷熱黑體輻射校正后，根據(jù)地表輻射數(shù)據(jù)MS（λ）利用黑體擬合法得到地表輻射溫度TS，利用熱電耦合溫度計測量的金板溫度TG得到校正后的沉降流輻射MDWR（λ），通過式（13）計算，獲得地表發(fā)射率光譜εS（λ），將地表發(fā)射率光譜曲線值離散化，用式（18）計算出每組測量值的地發(fā)射率，最后對每個觀測點(diǎn)的多組觀測值求平均得到每個測點(diǎn)的地表平均發(fā)射率（表1）。

表1 觀測點(diǎn)位置、下墊面土類型與平均發(fā)射率

2.2 不同地物類型的地表發(fā)射率

野外測量的測點(diǎn)分布均勻且橫穿沙漠，其中有些測點(diǎn)的下墊面類型略有不同，因此特選取觀測點(diǎn)1、4、9、10的地表發(fā)射率光譜曲線圖（圖2）進(jìn)行對比分析。

圖2 不同下墊面類型發(fā)射率光譜曲線圖

如圖2所示，通過對比4個測點(diǎn)的發(fā)射率光譜曲線可知，觀測點(diǎn)1、4、9、10的波譜譜型和各波長發(fā)射率的值差異較小，趨勢也基本一致，在8.0～9.5μm區(qū)間內(nèi)有明顯波谷，在9.5～10.5μm區(qū)間內(nèi)呈上升趨勢，大于11.0μm后逐漸趨于穩(wěn)定。但三者的波谷形狀及谷深卻不同，其中沙漠中心區(qū)域的觀測點(diǎn)4在此波段內(nèi)的發(fā)射率明顯低于其他觀測點(diǎn)，而位于沙漠南緣、北緣的觀測點(diǎn)1、9分別位于蘆葦過渡帶和稀疏的胡楊林和檉柳區(qū)域。其土壤濕度應(yīng)該高于沙漠中心區(qū)域的觀測點(diǎn)4，使這兩個觀測點(diǎn)發(fā)射率比觀測點(diǎn)4值偏大。

結(jié)合表2和圖2可知，塔克拉瑪干沙漠地表發(fā)射率受下墊面類型影響較大，由于觀測點(diǎn)10位于塔里木河胡楊林觀測站，植被豐富，土壤濕度較大，且土壤特征也不同于其他測點(diǎn)，地表發(fā)射率最高，可達(dá)到0.930。觀測點(diǎn)1、9位于綠洲與沙漠過渡帶地區(qū)，植被稀疏，土壤水份含量較低，地表發(fā)射率為0.910～0.930。觀測點(diǎn)4位于沙漠中心區(qū)域，周圍無植被生長，地表發(fā)射率低至0.895。但由于該地區(qū)極端干燥的氣候條件，即使在降水量較為集中的春夏季地表水也會快速蒸發(fā)，地表淺層土壤濕度常年不變，從而使塔克拉瑪干沙漠腹地以及非沙漠邊緣區(qū)域地表發(fā)射率值保持長期穩(wěn)定。

3 結(jié)論

塔克拉瑪干沙漠氣候極端干旱且土壤類型單一，使得該地區(qū)地表發(fā)射率常年穩(wěn)定，數(shù)據(jù)集的地表發(fā)射率與地表溫度數(shù)據(jù)對于干旱地區(qū)典型裸土下墊面尤其是沙漠地區(qū)具有很好的適用性。該數(shù)據(jù)集的地表發(fā)射率作為良好的地面實(shí)測數(shù)據(jù)源，很好地彌補(bǔ)以往由于缺少地面現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)而僅使用光譜庫數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證的不足，為多源遙感數(shù)據(jù)反演地表發(fā)射率與地表溫度提供更多地先驗知識，同時為建立優(yōu)化與發(fā)展具有干旱區(qū)區(qū)域特色的參數(shù)化方案提供更為可靠的數(shù)據(jù)支撐。