積雪是自然界地表重要的要素之一，覆蓋在陸地和海冰表面，特性敏感活躍，對氣候變化?水分平衡及人類活動等方面都有重要的影響?積雪變化會使天氣和氣候變化分析產生誤差?所以積雪光譜的采集和研究對了解積雪的特性?獲取積雪特征信息以及進行積雪監(jiān)測具有重要意義?在南方濕潤氣候背景下，冬季降水多以濕雪為主，積雪密度也比北方的大?濕雪是凍結的雪片在降落過程中趨于潮濕?融化，最后在物體上凍結形成，由于易連接成片，吸收大量熱量造成降溫，所以對建筑設施?植被等危害較大。地物光譜儀可以獲取積雪的光譜數據，分析太陽高度角?坡度?坡向?下墊面?混合雪對積雪反射率的影響，這有利于了解濕雪光譜特性和變化規(guī)律，為積雪監(jiān)測?定量遙感及其參數反演提供參考和科學依據?

1.積雪的光譜特征

圖1 28日，（b）29日，（c）30日11:00的積雪光譜反射率

由圖1可見，在350~1300nm總體上積雪反射率呈現(xiàn)下降的趨向，其中350~700nm變化較為平穩(wěn)，700~950nm反射率小幅度下降，950~1300nm變化幅度較大，1150~1240nm快速下降，在1020nm及1250nm附近出現(xiàn)清楚的吸收谷，1250nm之后緩慢上升?圖中曲線a?b?c分別代表28日?29日?30日上午11:00在相同區(qū)域測量得到的積雪光譜曲線?三天測量時的積雪厚度分別約為3cm，5cm，2.5cm，空氣濕度分別為100%，92%和71%?圖中曲線b的積雪反射率最高，且明顯高于曲線a，曲線c下降趨勢較大，在350~1120nm積雪反射率居于曲線a?b之間，1120~1300nm低于曲線a?b?這是因為28日晚21:45左右至29日09:00左右出現(xiàn)一輪新的降雪，而新雪反射率較高，所以曲線b的積雪反射率最高?

2.太陽高度角對積雪光譜的影響

圖2 不同太陽高度角的積雪光譜反射率（a）35.8°，（b）39.9°，（c）37°

由圖2可知， 29日和30日分別于同一地點進行積雪光譜數據采集?29日測量時間選擇10:50，12:10和13:30三個時間點，結合經緯度等信息可以得到對應的太陽高度角分別為35.8°，39.9°和37°?350~700nm，光譜反射率較高，并且存在一個較為平緩的吸收谷，太陽高度角接近的兩條光譜曲線幾乎重合?太陽高度角引起的積雪光譜差異的首要因素是光線入射角度的差異，對于理想朗伯面，輻亮度不具有方向性，但是測量的目標物即積雪表面不滿足此條件，所以入射輻射的角度差異直接影響了反射率?此外，風化等外界環(huán)境因素也會一定程度上影響積雪的狀態(tài)，物化性質的輕微變化也會對結果造成影響?

3.坡度對積雪光譜的影響

圖3 不同坡度的積雪光譜反射率（a）0°，（b）10°，（c）30°，（d）60°

從圖3可以看出不同坡度條件下的光譜曲線形狀相似，但是隨著坡度從0°的不斷增大至60°，積雪反射率也隨之增大，并且增大的幅度較為明顯，最大值達到0.22。從整體變化趨勢來看，在350~900nm區(qū)間以及900~1300nm波峰波谷區(qū)域，坡度越大反射率上升越大的趨勢比較明顯。造成該種現(xiàn)象的原因是因為積雪表面反射呈現(xiàn)各向異性特征。測量區(qū)域位于南坡朝陽方向，當入射角度增大時，前向散射方向出現(xiàn)單次散射光的概率增大，從而獲取的反射信息增加，即有更多的光被反射回來。

4.坡向對積雪光譜的影響

為了探究坡向與積雪光譜之間的關系，設定了坡度均為70°左右的兩個朝陽坡和背陰坡，在13:00左右測量了積雪光譜。圖4表明坡向對積雪光譜影響較大，曲線a為朝陽坡的積雪光譜曲線，與典型積雪光譜曲線的波形變化規(guī)律相似。曲線b代表的是背陰坡積雪光譜曲線，從數值方面來看，反射率在350~1300nm波段內下降，趨勢十分顯著。這是因為朝陽面能夠接受大量的光照，從而能夠反射更多太陽輻射。而背陰坡背對太陽，影響入射光直接照射到坡面上。由于入射光減少，坡面積雪是非理想朗伯面，再經過積雪吸收與漫反射作用，從而使得接收的太陽輻射大大減少。

圖4 不同坡向的積雪光譜反射率，（a）180°S，（b）0°N

5、下墊面對積雪光譜的影響

為了探究不同下墊面對積雪光譜的影響，實驗區(qū)域選擇距離相近?面積相同，但是地表分別為草地和裸土的兩塊區(qū)域。從圖5中可以看出首次測量得到的a?b兩條曲線有積雪光譜曲線的特征，并且趨勢基本相同。曲線b積雪反射率略低于曲線a，在近紅外區(qū)700~900nm較為明顯。趨勢比較接近，所以在地表被一定厚度積雪覆蓋的情況下，下墊面的差異對積雪光譜影響有限。而曲線d積雪反射率明顯低于曲線c，這是因為第二次測量時積雪消融，厚度較薄，部分區(qū)域能夠清楚看到下墊面的地表及出露地物，特別是下墊面為裸土的試驗區(qū)域，出現(xiàn)小范圍土壤裸露情況。此時可見光能夠穿透薄雪層，測量的積雪光譜會受到下墊面的影響，因而出現(xiàn)光譜曲線的差異。曲線a?b積雪反射率明顯高于c?d，這是因為積雪消融和老化，造成積雪密度和含水率增大，并且由于雪層變薄或部分地表裸露，下墊面對積雪光譜造成一定影響，導致光譜反射率降低。

圖5 不同下墊面的積雪光譜反射率，（a）草地（10:10AM），（b）裸土（10:10AM），（c）草地（12:00PM），（d）裸土（12:00PM）

6、混合雪（植被?林下雪）對積雪光譜的影響

為了分析不同混合雪情況對光譜的影響，分別測量了平地純凈積雪?積雪與植被混合及林下雪三種情況的光譜。平地積雪試驗區(qū)選擇一塊2m×2m?坡度為0°?下墊面為裸露土壤的區(qū)域，積雪厚度約為3cm，圖6（a）黑色曲線代表光譜測量結果。植被/積雪混合試驗區(qū)選擇高度約為70cm的冬青，試驗區(qū)周圍無其他植物影響，并分為以下幾種情況:

1）植物冠層基本被積雪覆蓋，有少許枝葉冒出雪層，積雪厚度約為1.5~2cm，由圖6（b）紅色曲線表示;

2）積雪未全部覆蓋植物冠層，與植物枝葉混雜，由圖6（c）藍色曲線表示;

3）植被冠層積雪覆蓋度較低，能夠觀察到植物冠層，由圖6（d）綠色曲線表示;

4）植被冠層無積雪覆蓋，但是冠層下方枝葉縫隙間存在積雪，并且下墊面為積雪，由圖6（e）紫色曲線表示。

林下雪試驗區(qū)選擇針葉林下方面積約為2m×2m的區(qū)域，積雪能夠覆蓋地表，樹木密度適中，但是對光照條件有一定影響，下圖（f）淺棕色曲線代表林下雪光譜測量結果。

圖6 植被/積雪混合的積雪光譜反射率

（a）純雪，（b）植被/積雪混合:植物冠層基本被積雪覆蓋，（c）植被/積雪混合:積雪未全部覆蓋植物冠層，（d）植被/積雪混合:植被冠層積雪覆蓋度較低，（e）植被冠層無積雪覆蓋:植物冠層基本無積雪覆蓋，（f）林下雪

圖6表明在可見光范圍內純凈積雪光譜反射率最高，植被/積雪反射率次之，林下雪反射率最低;在近紅外波段植被/積雪混合情況反射率超過純凈積雪。因為在可見光范圍內，積雪的反射率最高可到0.92，遠高于植被，但是在近紅外波段中，雪的反射率開始下降，而對于植物來說，近紅外波段的反射與其葉片結構有關。而且近紅外輻射具有穿透能力，約50%~60%的能量可以透過植物葉子，輻射到下層被反射回來再次穿過上層葉，使冠層紅外反射增強，從而導致在近紅外波段范圍內純凈積雪反射率低于植被/積雪混合情況。同時，在對比純凈積雪和植被/積雪混合光譜時發(fā)現(xiàn)，光譜曲線一般在780~1000nm區(qū)間內相交，在光譜曲線相交前，隨著植被上積雪覆蓋率的增加，植被/積雪混合反射率逐漸升高，曲線交點也隨之前移，向780nm處靠近，光譜曲線的形狀越來越接近純雪曲線交點隨之后移，向1000nm處靠近，曲線的形狀越來越接近植被光譜的曲線形狀。

林下雪光譜反射率與積雪隨波長的變化規(guī)律基本相同，但是數值在所有測量對象中最低，這是由于針葉林遮擋了光線，測量時入射光減少，使得獲取的反射信息大大減少，所以林下雪光譜曲線雖然保持積雪光譜曲線特征，但是反射率大大降低。

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