热红外辐射方向特性4种野外测量方法比较

在地表开展垄行作物热红外辐射方向特性野外测量时，为了得到最佳测量方式，需要对测量方案进行比较，对玉米地方向亮温（DBT）测量中的几种测量方案进行描述与比较。

（1）通过移动起重机和平台，从不同的角度测量相同的目标区域，以确保热红外辐射来自相同的样区。

（2）通过旋转热像仪到不同的方向而不是移动其位置，观测处于不同方向样区的热红外辐射，以收集不同角度的DBT。

（3）对第二种方法的改进，即转动热像仪的同时沿着垄行方向移动吊车的位置以获得不同角度的DBT。

（4）热像仪沿着垂直于行向的起重机臂运动，同时用高成像频率扫描目标，以便从多幅图像中提取DBT信息。

第一种方法与用测角计和三脚架测量热红外辐射的方法相似，不同之处在于测量之前将一个铝制框架放置在作物冠层中，其大小为1.6mxl.6m，是作物行距的两倍，它的边缘平行或垂直玉米垄行方向。框架到起重机轨道的距离是12m，是起重机臂长的一半。由于铝架的发射率（0.04）很低，所以总是能从热红外图像作物背景中清晰地分辨出来。观测时，热像仪沿吊车横臂运动并始终朝向铝制框架。当热像仪的高度为20m时，在东西方向垂直于垄行方向的平面里，目标的观测角度范围大约是±30°。通过移动吊车到不同的位置，可以获得多组观测数据，形成冠层观测的多角度网格。在实际操作中，南北方向观测的角度变化范围是±70°。这种方法的优点是样本区域不变，它的大小和位置被一个铝制框架固定，因此半球DBT只是来自于同样的地区。然而，这种方法的缺点是，为了提供冠层更多的方向观测，从而使得测量时间过长。采用这种测量方法，一个图像只能提供样本区域DBT一个方向上的值，为了获得更多的方向信息，我们把起重机放置在样本区域附近或者远处不同的位置，并且热像仪沿着起重机臂运动，以致整个测量必须持续大约30min甚至更长时间。而且，如果热像仪的高度不变，垂直于行向的观测天顶角最大只能是±30°，这个范围对于半球DBT测量来说是不够的。

与第一种方法相比，第二种方法中的热像仪能到达的区域是整块农田。使用这种测量方法，起重机移动到轨道的中间，平台移动到起重机臂的前端顶部，以使热像仪悬在农田的中心区域。在半球DBT的测量时，热像仪首先垂直向下观测。扫描几秒以后，镜头向南倾斜45°。这时观测天顶角的范围变为南向9°～81°，与垂直观测的图像有23°的重叠。测量几秒之后，平台绕着中心轴朝西方向旋转，因此热像仪能够记录西向9°～81°观测范围内的辐射。同样，与垂直观测的图像也存在着一个共同区域。类似地，热像仪顺序朝向西北、北，东北、东，东南、南等多个方向，得到DBT多角度范围。最后，图像覆盖了天顶角0°～75°、方位角0～360°的范围，形成了一个1.5x立体角的半球DBT观测。在这应该注意的是，由于起重机轨道的影响，向东观测图像的观测天项角的范围比其他方向窄。

用这种方法，整个测量最少需要5min。在6月16日，当地时间中午12点太阳位置的天顶角和方位角的变化分别为1°和2°。特别需要注意的是，DBT的变化来自目标的不均匀性和目标的方向特性。对于这种方法，我们的一个假设是作物的任何部分同其他的部分有同样的几何结构和亮温分布，或者差别非常小，在DBT的测量中可以忽略不计。其实自然条件下这种情况是很少见的，需要在实验中加以评价。

第三种方法是对第二种方法的修正。比较第二种和第三种方法，唯一的区别是为了获得半球DBT，当热像仪倾斜到不同的角度时，起重机是否在移动。采用本种方法，测量开始时起重机在轨道的北端，并且热像仪向南倾斜45°。随着起重机从北向南移动，热像仪连续扫描整个农田。在一系列的图像中，对于不同的位置，相同的像元有着相同的观测角度。当图像快扫到农田的边缘时，热像仪转为垂直向下观测，而起重机继续从北向南移动。当起重机到达最南端后，立刻开始从南向北移动，这时热像仪向北倾斜45°。路程过半热像仪镜头转而向西、向东等不同方向，最后再向下做垂直观测。Lagourade在基于航空平台研究大片松林DBT时已经采用过类似方法。与他所证实的一样，这种方法的一个优点是热像仪能够以相同的观测角度扫描目标的不同部分，并且这种对目标不同位置测量的方法所获得的DBT自然对目标产生了一个空间综合，可以有效地减小由于作物空间的不均匀性带来的影响。然而，这种方法最少需要12min（热像仪顺序朝向5个不同方向），比第二种方法所需的时间长得多。

上面3种方法都依赖热像仪的高度来减小FOV的影响。FOV是由于在玉米冠层上采取大样本区域所引起的。对于垄行结构的作物，样本区域应至少包括一个整行的作物，以使所观测的景象具有代表性。相反，第四种方法在理论上能使热像仪在任何高度完成观测，这是因为我们运用了不同的数据采集原理。采用这种测量方法，热像仪镜头首先垂直向下，平台沿着起重机臂南北方向移动，这时起重机臂垂直于垄行方向。观测时，热像仪以一个非常高的成像频率，随着平台的移动获得一系列的图像。在这些图像中，相同位置的像元来自于相同的观测方向，如果像元数字足够大，我们可以认为这些代表同一方向的像元包括了在这个观测方向上所能遇到的所有情况。对这些像元的数值取平均，可以被认为得到了目标在这一角度的DBT。第四种方法只与像元特征有关，由于每个像元的瞬时视场角（IFOV）非常小，所以这种方法具有非常高的角度观测精确度。然而，这种方法的一个局限是数据量非常大。由于高成像频率以及为了得到理想值而进行的长时间扫描，造成影像的数目达到了几百幅。而且，如果平台的高度很低的话，此装置所引起的阴影的影响将变得非常严重。遗憾的是，为了在单向观测中覆盖尽量大的角度范围，热像仪的高度必须降低。这种测量方法的测量时间最少需要8min。