全 文 ：书锡林浩特草原陆表热红外发射率光谱野外测量
张勇，杨虎，郑照军，张立军，陆其峰，李贵才，杨忠东
（中国遥感卫星辐射测量与定标重点开放实验室 国家卫星气象中心，北京１０００８１）
摘要：锡林浩特草原陆表发射率光谱是利用陆表场地进行卫星遥感器红外通道绝对辐射定标和产品真实性检验的
关键因子之一。基于光谱平滑的温度与发射率分离反演迭代算法，利用高精度的波曼（ＢＯＭＥＭ ＭＲ１５４）傅立叶变
换红外光谱仪和红外标准板，对锡林浩特草原陆表发射率光谱进行测量。获得了不同时间和观测条件下测量的陆
表发射率光谱数据。利用该发射率光谱测量结果，可以利用锡林浩特草原对目前国内外主流的遥感卫星热红外通
道进行在轨场地绝对辐射定标，并对热红外遥感产品进行真实性检验。
关键词：草原；热红外遥感；发射率光谱；野外测量；真实性检验
中图分类号：Ｓ８１２；Ｓ１２７　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００４５７５９（２００９）０５００３１０９
 　 地表发射率是描述地表红外辐射特性的基本参数，也是利用陆表作为卫星遥感器红外通道场地绝对辐射定
标靶区和进行陆表热红外遥感产品真实性检验所必须掌握的关键陆表参数之一。目前，国内外的红外卫星遥感
器在轨场地绝对辐射定标主要是利用高海拔、大气干洁、人为扰动少、温度场分布均匀的高原湖泊作为定标靶区，
可以达到很好的定标精度；但是，这些目标区域往往水表温度较低，且低于卫星对地观测的绝大部分目标；只能满
足辐射定标线性低端的精度要求。如果对定标结果向辐射响应的高端进行线性外推，则无法保证定标的精度要
求。因此，必须找到一个辐射响应高端的陆面目标作为定标靶区进行在轨定标。要利用高辐亮度的陆表进行辐
射定标，则陆表发射率是必须考虑的关键因子之一，也是关系到定标精度和成败与否的关键参数。
近些年来，无论是室内还是野外，人们都在努力探索各种方法来测量地表发射率。但实验室测量的发射率数
据往往不能满足实际遥感应用的需求，因为发射率不仅依赖于地表物体的组成成分，而且与物体的表面状态（表
面粗糙度等）及物理性质（介电常数，含水量、温度等）有关，并随着所测定的辐射能的波长（λ）、观测角度（θ）等条
件的变化而变化［１］。在发射率光谱的野外测量方面，国内外开展了大量的研究工作。Ｎｅｒｒｙ等［２］、Ｈｏｏｋ和Ｇａ
ｂｅｌ［３］、Ｓａｌｉｓｂｕｒｙ和ＤＡｒｉａ［４］、Ｒｕｂｉｏ等［５］为了不同的应用目的，开展了土壤热红外发射率光谱的野外测量试验；
目前国内在这方面也开展了重要的研究，张仁华和田国良［６］提出黑体筒法来测量土壤的发射率；唐新斋等［７］利用
黑体筒封闭法测定发射率，该方法大大简化了发射率的测量及计算过程，并针对这种方法分析了目标物体、环境
的出射辐照度的波动对发射率精确测定的影响；肖青和柳钦火［８］利用ＢＯＭＥＮ傅里叶变换红外光谱仪测量得到
了土壤的发射率光谱，并分析了不同组分、粒径及含水量土壤的热红外发射率变化规律；王先兵等［９］利用傅里叶
变换红外光谱仪（ＦＴＩＲ）进行了地物目标发射率光谱的野外测量方法研究。近年来，利用遥感手段进行草地研
究，包括草原产草量遥感监测［１０］、草地植被盖度遥感研究［１１］，以及草地植被长势遥感监测［１２］等方面也得到了极
大进展。
本研究基于ＢＯＭＥＭ ＭＲ１５４红外光谱仪和红外标准板探讨了锡林浩特陆表发射率光谱的野外测量方法，
并对不同时间、不同陆表结构测量获得的发射率光谱进行比较分析，表明在垂直测量的模式下，不同的陆表几何
结构对发射率光谱的影响主要表现在绝对数值的差异上，对谱形的变化影响很小，获取的发射率具有较好的一致
性，发射率光谱测量精度较高，可以利用该组发射率光谱数据应用于国内外不同热红外遥感器的在轨场地绝对辐
射定标和热红外遥感产品真实性检验。
第１８卷　第５期
Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．５
草　业　学　报
ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ 　　
３１－３９
２００９年１０月
 收稿日期：２００８１１２５；改回日期：２００８１２２３
基金项目：公益性行业（气象）科研专项项目［ＧＹＨＹ（ＱＸ）２００７６９］和国家自然科学基金（４０７０１１１８）资助。
作者简介：张勇（１９７７），男，陕西镇巴人，助理研究员，博士。Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｙｏｎｇ＠ｃｍａ．ｇｏｖ．ｃｎ
１　材料与方法
１．１　热红外发射率光谱的野外测量原理
在８～１４μｍ的热红外光谱范围内，由辐射传输理论可知，假定地表为朗伯表面，大气下行热辐射各向同性，
卫星所接收到的光谱辐射是太阳光谱辐射、大气及地物目标三者相互作用的总贡献［１３］。主要包括３部分：第１
部分地物目标发射的热辐射，其大小由物体表面温度和发射率及目标与卫星之间的大气透过率决定；第２部分为
地物目标对大气下行辐射、环境背景辐射和太阳入射中的热辐射部分的总辐射量的反射辐射，通常情况下太阳入
射中的热辐射部分忽略不计；第３部分为地物目标与卫星之间的大气上行辐射，它与大气中吸收气体的含量和物
理状态有关。因此，卫星入瞳处分谱的热辐射可以表达为：
犔犜犗犃（λ）＝｛ε（λ）犔犅犅（λ，犜犛）＋［１－ε（λ）］犔↓犪狋犿（λ）｝τ犪狋犿＋犔↑犪狋犿（λ） （１）
式中，犔犜犗犃（λ）为传感器接收到的光谱辐亮度；犔犅犅（λ，犜犛）为地表真实温度犜犛 所对应的黑体辐亮度；ε（λ）为地表
发射率；τ犪狋犿为大气透过率；犔↓犪狋犿（λ）、犔↑犪狋犿（λ）分别为大气下行和上行辐射。利用ＢＯＭＥＭ ＭＲ１５４红外光谱仪在
测量地表时探测器距离地面高度在１ｍ以内；根据ＭＯＤＴＲＡＮ模式的模拟结果，在８～１４μｍ的波段内，该距离
下大气的上行辐射犔↑犪狋犿（λ）小于探测器接收的总辐射能量的０．５％，大气透过率τ犪狋犿近乎为１，因此可以忽略这２
项［１４］；于是利用光谱仪近地表观测时，式（１）可以进一步简化为：
犔犛（λ）＝ε（λ）犔犅犅（λ，犜犛）＋［１－ε（λ）］犔↓犪狋犿（λ） （２）
式中，犔犛（λ）为仪器在近地表测量目标得到的光谱辐亮度；犔↓犪狋犿（λ）为大气下行辐射。由式（２）可以求解出地面观
测目标的发射率光谱ε（λ）：
ε（λ）＝
犔犛（λ）－犔↓犪狋犿（λ）
犔犅犅（λ，犜犛）－犔↓犪狋犿（λ）
（３）
式中，表明地表发射率光谱测量必需获得被测目标表面的出射辐射、大气下行辐射和目标表面温度３个物理量。
发射率测量过程中需把握的２个关键问题：一是大气下行辐射或环境辐射的精确测量；二是测准物体表面温度。
为解决这两方面问题，本研究在分析现有测量方法的基础上，利用高精度的ＢＯＭＥＭ ＭＲ１５４傅立叶变换红外光
谱测量仪，并采用红外标准板对环境辐射进行了测量，同时利用光谱平滑迭代（ＩＳＳＴＥＳ）算法进行温度和发射率
的分离反演。
１．２　野外测量系统
本研究用于野外的整个光谱测量系统主要由红外光谱仪、计算机、红外标准板、黑体、辐射测温仪、接触式温
度计、自动气象站，以及ＧＰＳ定位设备等组成。ＢＯＭＥＭ ＭＲ１５４傅立叶变换红外光谱辐射仪是加拿大ＢＯＭＥＭ
仪器公司 ＭＲ１００系列产品中的一种。它的光学系统是１个 Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ干涉仪。ＭＲ１５４红外傅立叶变换光谱辐
射仪配备有１个中长波红外探测器（ＴｅＣｄＨｇ碲镉汞）（２～２０μｍ，５００～５０００／ｃｍ），１个短波红外探测器（ＩｎＳｂ
锑化铟）（１．１～５．５μｍ，１８１８～９０９０／ｃｍ）和１个近红外探测器（Ｓｉ硅）（０．７～１．１７μｍ，８５４７～１４２８５／ｃｍ）。用
于锡林浩特草原陆表发射率测量的是中长波红外探测器。ＭＲ１５４的光谱分辨率分别为１，２，４，８或１６／ｍ。本研
究野外测量时选用的分辨率为１／ｃｍ。另外，ＭＲ１５４专门配备了１台便携式的黑体源Ｍ３４０（美国Ｍｉｋｒｏｎ公司生
产），用作红外光谱仪辐射定标。
本试验中所采用的红外标准板是由Ｌａｂｓｐｈｅｒｅ公司生产。红外标准板在近红外、中红外和热红外波段具有
９２％～９６％的反射率。在２．５～１５．０μｍ波段每５０ｎｍ间隔的反射率都进行了精确的测量，可以追溯到美国国
家标准研究所的标准。在天顶角０～４５°内每隔５°给出了其反射率变化的方向特性，如图１所示，可以看出该红外
标准板在２．５～１５．０μｍ的波段内具有很高的反射率，并且整个板面具有较好的朗伯性。
１．３　野外测量步骤
ａ）选择地势平坦，地表均匀的区域进行测量；ｂ）在近地表无风无云的天气条件下，测量时间应选择在太阳高
度角变化缓慢，地表温度较稳定的时间段；或没有太阳，且地表已经处于热平衡状态下的夜间进行观测；ｃ）利用红
外辐射测温仪获取地表亮温初值，然后在该温度附近选择３～５个温度点，将黑体控温在这几个点上对ＢＯＭＥＭ
ＭＲ１５４红外光谱仪进行定标测量；ｄ）利用ＢＯＭＥＭ ＭＲ１５４测量红外标准板，采集数据；ｅ）用接触式点温计测量
２３ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２００９） Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．５
图１　红外标准板发射率方向特性示意图
犉犻犵．１　犇犻狉犲犮狋犻狅狀犪犾犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊狅犳犻狀犳狉犪狉犲犱犵狅犾犱犲狀犫狅犪狉犱
红外标准板的物理温度；ｆ）然后用ＢＯＭＥＭ ＭＲ１５４测量地面目标区域；ｇ）利用ＧＰＳ定位仪获取观测区域地理位
置数据。
２　结果与分析
２．１　热红外发射率光谱的野外测量目标区域
本次发射率测量试验于２００８年７月在锡林浩特国家观象台牧业气象试验站进行。在试验牧场区域选择地
势平坦，地表植被分布较均匀的区域进行测量，试验区主要分布着克氏针茅（犛狋犻狆犪犽狉狔犾狅狏犻犻）、羊草（犔犲狔犿狌狊
犮犺犻狀犲狀狊犻狊）和蒙古葱（犃犾犾犻狌犿犿狅狀犵狅犾犻犮狌犿）等草原植被，属于典型的草原型地表覆盖。本次红外辐射特性测量一
共进行了４次，分别在２００８年７月１８日凌晨２－５点、２１日凌晨１－４点、２１日下午１４－１７点和２５日下午进
行，对天然草场、草地植被和裸土目标进行了４３次重复测量。测点位置如图２所示。观测目标区域地表情况如
图３所示。
２．２　ＢＯＭＥＭ ＭＲ１５４红外光谱仪辐射定标
辐射定标是将红外光谱仪观测到的辐射量与仪器的输出计数值之间建立相关关系的物理过程。观测目标出
射的光谱辐亮度由普朗克函数给出，如下：
犔（σ）＝
犆１σ３
ｅｘｐ（
犆２σ
犜
）－１
（４）
式中，犆１＝１．１９１×１０－１２，单位：Ｗ／（ｃｍ２ｓｒ／ｃｍ４），为第１辐射常数；犆２＝１．４３９Ｋ／ｃｍ，为第２辐射常数；σ为波数，
单位：／ｃｍ；犜为温度，单位：Ｋ；犔（σ）为光谱辐亮度，单位：Ｗ／（ｃｍ２ｓｒ／ｃｍ）。式（４）是普朗克函数用波数表达的形
式，用波长表达的形式为：
犕（λ）＝
犆１λ－５
ｅｘｐ（
犆２
λ犜
）－１
（５）
因为σ＝１／λ，犱σ＝－犱λ／λ２，故：
３３第１８卷第５期 草业学报２００９年
图２　锡林浩特草原陆表发射率测量示意图
犉犻犵．２　犔狅犮犪狋犻狅狀狊狅犳犲犿犻狊狊犻狏犻狋狔犿犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋狊犻狀犇狌狀犺狌犪狀犵犮犪犾犻犫狉犪狋犻狅狀狊犻狋犲
图３　观测目标区地表照片
犉犻犵．３　犘犺狅狋狅犵狉犪狆犺狊狅犳犿犲狋狉犻犮犪犾狋犪狉犵犲狋狊狌狉犳犪犮犲
∫
σ２
σ１
犔（σ）犱σ＝∫
λ２
λ１
犕（λ）犱λ （６）
理想的红外光谱仪，其辐射响应是线性的。也就是说，每个光谱通道的目标测量信号都与探测器测得的辐射
光谱功率成正比。探测器探测到的功率包含两部分：目标的光谱辐射功率和辐射仪自身的热辐射。如果辐射仪
自身的热辐射是不能忽略的话，仪器系统特性测量（系统定标）就至少需要２个点，如图４，且２点的连线不通过
原点。１个待标定的测值可表示为：
犛犕犲犪狊狌狉犲犱（λ）＝犓（λ）［犔犛狅狌狉犮犲（λ）＋犕犛狋狉犪狔（λ）］ （７）
式中，犛犕犲犪狊狌狉犲犱（λ）是测量的复数原始光谱；犓（λ）是仪器的响应函数（ｃｍ２ｓｒμｍ／Ｗ）；犔
犛狅狌狉犮犲（λ）是目标光谱辐亮度
（Ｗ／ｃｍ２ｓｒμｍ）；犕
犛狋狉犪狔（λ）是杂散辐射的辐亮度（Ｗ／ｃｍ２ｓｒμｍ）。
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由于分束器的偏差（波长折射指数的不同）和探
图４　目标光谱辐亮度与探测器接收到的光谱功率线性关系
犉犻犵．４　犔犻狀犲犪狉狉犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆犫犲狋狑犲犲狀狋犪狉犵犲狋狉犪犱犻犪狀犮犲
犪狀犱犱犲狋犲犮狋狅狉犻狀犮犲狆狋狆狅狑犲狉
测器的各级放大步骤的误差（各频率电子延迟的不
同），干涉图总有一定的不对称性。这种不对称使得
干涉图（光谱）的傅立叶变换产生了虚数项。在
ＢＯＭＥＭ红外光谱仪的设计中，定标算法直接用复
数光谱即可进行校正，而无须从复数光谱中分离出
光谱的实部。
辐射定标分成２步。第１，确定探测器的２个
辐射定标系数：增益犓（λ）和截距犕犛狋狉犪狔（λ）；第２，将
待定标的测值产生１个标定过的光谱。要计算获得
增益和截距需要２次测量，即１个高温黑体测量（比
待测目标高）和１个低温黑体测量（比待测目标低），
这就是如图２所示的２点定标。由式（７）可推出测
量黑体获得的辐亮度：
犔犎（λ）＝犛犕犲犪狊狌狉犲犱犎 （λ）／犓（λ）－犕犛狋狉犪狔（λ）（８）
犔犆（λ）＝犛犕犲犪狊狌狉犲犱犆 （λ）／犓（λ）－犕犛狋狉犪狔（λ） （９）
式中，犔犎（λ）和犔犆（λ）是由黑体发射率与普朗克函数计算出的黑体在某温度处的光谱辐亮度，为：
犔狓（λ）＝ε狓（λ）
犆１λ－５
ｅｘｐ（
犆２
λ犜
）－１
（１０）
式中，狓＝犆对应低温黑体，狓＝犎 对应高温黑体；ε狓（λ）是狓黑体的发射率；犜狓 是狓 黑体的温度（犓）。求解（８）、
（９）两式，可得到增益和截距为：
犓（λ）＝
犛犕犲犪狊狌狉犲犱犎 （λ）－犛犕犲犪狊狌狉犲犱犆 （λ）
犔犎（λ）－犔犆（λ）
（１１）
犕犛狋狉犪狔（λ）＝
犔犎（λ）犛犕犲犪狊狌狉犲犱犆 （λ）－犔犆（λ）犛犕犲犪狊狌狉犲犱犎 （λ）
犛犕犲犪狊狌狉犲犱犎 （λ）－犛犕犲犪狊狌狉犲犱犆 （λ）
（１２）
就可得到被标定的光谱为：
犛犆犪犾犻犫狉狋犲犱（λ）＝犛犕犲犪狊狌狉犲犱（λ）犓－１（λ）－犕犛狋狉犪狔（λ） （１３）
以上方法要求测量定标光谱和测量目标光谱时的仪器配置保持一致。所有的光谱信息将均包含在复数光谱
的实部，而虚部只包含噪音。
在野外测量中，首先用红外辐射测温仪测量目标区域的地表亮温初始值；为了保证定标精度和监测仪器响应
的线性情况，采用５点法进行辐射定标，即以辐射测温仪的测值为中心，以±５°为间隔对 Ｍ３４０黑体进行温控。
然后利用ＢＯＭＥＭ红外光谱仪对黑体进行测量，从而完成对仪器的辐射定标。
２．３　大气下行辐射的测量
大气下行辐射到达地表被反射的部分能量是目标表面整个出射辐射场的一个非常重要的组成部分，在测量
地物目标的真实发射率光谱时必须扣除反射的大气下行辐射的影响。在大气自身的发射和散射中，水汽通常是
最主要的贡献成分，并且云是最为重要的辐射源。因此，为了减小大气因素的影响，通常选择在大气水气含量低、
晴朗少云的天气条件下进行地物目标发射率光谱的野外测量。这样有助于减少大气的热辐射贡献，并且也可以
保证在利用ＢＯＭＥＭ ＭＲ１５４光谱仪测量地表辐射亮度和大气下行辐射的时间段内天空向下的热辐射总量基本
保持不变，从而保证发射率测量的准确性。
大气下行辐射的测量通常是利用一个朗伯体漫反射标准板来辅助完成的。在本次测量试验中使用的是
Ｌａｂｓｐｈｅｒｅ公司生产红外标准板，它是在铝制的底板上面镀上漫射金薄膜。大气下行辐射测量通常是在测量目
标之前测量红外标准板的辐亮度。为了准确测量向下大气辐射被目标表面反射的辐射分量，金板的位置和方位
５３第１８卷第５期 草业学报２００９年
应当与地物目标的位置和方位一致。将金板放置在地物目标上，就可以使两者的方位和位置基本达到一致。根
据ＢＯＭＥＭ ＭＲ１５４光谱仪对红外标准板测量输出的电压计数值犇犖犌狅犾犱，利用公式（１４）就可以计算出红外标准
板的出射辐射亮度犔犌狅犾犱：
犔犌狅犾犱（λ）＝犇犖犌狅犾犱（λ）犓－１（λ）－犕犛狋狉犪狔（λ） （１４）
式中，犓（λ）和犕犛狋狉犪狔（λ）分别为仪器的增益和截距。
红外标准板的反射率变化范围为９２％～９６％（图１），它并不是一个理想的反射表面（发射率约为０．０４～０．
０６），因而在精确计算大气下行辐射时需要扣除红外标准板的热辐射贡献量。为了修正在测量大气下行辐射时由
红外标准板自身的发射辐射引起的误差，在测量过程中利用接触式温度计来监测红外标准板的温度，接触式温度
计的测量精度为０．１℃。根据接触式温度计的测量值可以计算出红外标准板的热辐射贡献，进而利用公式（１５）
来计算大气下行辐射：
犔↓犪狋犿（λ）＝
犔犌狅犾犱（λ）－ε犌狅犾犱（λ）犔犅犅（λ，犜犌狅犾犱）
１－ε犌狅犾犱（λ）
（１５）
式中，犔↓犪狋犿（λ）是大气下行辐射，犔犌狅犾犱（λ）是光谱仪测量的红外标准板出射辐亮度，ε犌狅犾犱（λ）是红外标准板的光谱发
射率，犔犅犅（λ，犜犌狅犾犱）是红外标准板温度的普朗克分布函数。
由于野外测量时天气条件并不是稳定不变的，所以及时准确地测量大气下行辐射是至关重要的。如果在测
量地表辐亮度和红外标准板辐射亮度的间隔时间内，大气条件发生变化，引起大气下行的辐射场发生变化，造成
实际测量的大气下行辐射并不等于测量地表时到达目标表面的天空背景热辐射，那么计算出的地表发射率包含
的误差将正比于大气辐射场变化的大小。此外，红外标准板镀金表面也不是一个理想的朗伯体漫反射表面，在实
际的野外测量过程中，应当避免在太阳的镜面反射角进行测量；并且在测量过程中避免红外标准板受到外部环境
的热辐射影响。
２．４　观测目标辐亮度测量
自然界中大多数地物都是固态的，这些物体表面固有的物理特性———发射率是由其物质组成和表面结构决
定的。因此，在测量固体目标表面辐射亮度时，应当对测量目标的物质组成、表面结构和热惯量特性有所了解。
尤其是热惯量特性对野外地物目标光谱辐射亮度的测量是十分重要的，因为热惯量是物质对改变其表面温度的
外部条件的抵抗能力。如果物体具有很高的热惯量，则对环境温度变化具有很强的抵抗能力，那么在一次测量期
间，风和强烈的太阳照射并不显著影响这类目标表面的温度。而在同样的风力和太阳照射等外部环境条件下，对
于具有低热惯量的目标，在光谱仪的干涉图扫描期间目标表面温度较易发生变化，造成测量到的目标光谱辐射亮
度带有较大的误差。因此，在利用ＢＯＭＥＭ ＭＲ１５４光谱仪测量锡林浩特草原这类较低热惯量目标时，应尽可能
将外部环境的变化控制到最小。
在野外利用ＢＯＭＥＭ ＭＲ１５４光谱仪测量地物目标的辐射亮度时，通常需要将光谱仪的光学头部保持在距
离地面目标小于１ｍ的高度，以减少大气上行辐射的影响。ＢＯＭＥＭ ＭＲ１５４光谱仪测量地物目标时需要通过
多次扫描来叠加平均１条目标光谱曲线，以达到有效的信噪比。为了控制由于扫描次数过多，持续时间过长，引
起仪器内部温度的变化，通常是在保证采集的光谱数据有足够高的信噪比的情况用最短的时间对目标进行８或
１６次扫描，来获得１条目标光谱曲线。
２．５　目标温度与发射率的分离反演
由辐射测量数据反演地物的温度和发射率，本质上是一个病态问题。无论光谱细分到何种程度，都属于由
犖 个方程组成方程组求解犖＋１个未知数（１个地表温度和犖 个波段的发射率值），虽然光谱细分可以产生一些
有用的约束条件，但它并不能改变问题的本质。近３０年的研究都集中在如何采取一定的假设和近似，构造多余
观测（或者减少待反演参数），使方程组完备，形成了一些代表性的温度发射率分离算法［１５～２３］，但这些假设随测量
条件和应用领域的不同，其合理性和适应性也不尽相同。本研究针对红外高光谱测量数据，基于ＩＳＳＴＥＳ算法对
温度和发射率光谱进行分离反演。ＩＳＳＴＥＳ算法的基本思想是，对于高光谱数据而言，地物的发射率光谱要比大
气的下行辐射平滑得多，精确的地表温度能够很好地消除地表发射率光谱中的大气吸收线，得到１个较为平滑的
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地表发射率光谱，否则地表发射率光谱中就会有残留的大气吸收线，必然会使地表的发射率光谱变得粗糙。给定
一个地表温度初值，以初值为基础，以一定的温差间隔产生１个温度分布范围，计算每１个温度对应的地表发射
率曲线的平滑度指数，具有最小平滑度指数的发射率曲线对应的温度作为地表的温度，最后由式（３）得到地表的
发射率。可见地物温度确定的精度以及发射率提取的精度和平滑度指数的定义是紧密联系在一起的，程洁等［２４］
针对已有的平滑度指数以及建立在物理特性基础上可能的平滑度指数定义进行分析，评价它们对ＩＳＳＴＥＳ算法
精度的影响，给出最优的平滑度指数。
本试验中所用的ＢＯＭＥＭ ＭＲ１５４傅立叶变换红外光谱仪的光谱分辨率为１／ｃｍ，肖青和柳钦火［８］用此光谱
分辨率模拟计算了仪器噪声对反演精度的影响。当噪声小于１．５×１０－５ Ｗ／ｃｍ２ｓｒμｍ（等效于信噪比大于２００∶
１）时，ＩＳＳＴＥＳ算法可以获得优于０．６Ｋ的反演精度（实际ＢＯＭＥＭ光谱仪的定标精度优于２．０×１０－６ Ｗ／ｃｍ２ｓｒ
μｍ），发射率的反演精度优于０．０１。
２．６　发射率光谱野外测量结果
本次测量分别在２００８年８月１８日凌晨２－５点、２１日凌晨１－４点、２１日下午１４－１７点和２５日下午进行，
对天然草场、草地植被和裸土目标进行了４３次重复测量。对有效数据进行处理，取平均后获得的发射率光谱如
图５所示。
图５　锡林浩特草原陆表发射率光谱测量结果
犉犻犵．５　犕犲犪狊狌狉犲犱犲犿犻狊狊犻狏犻狋狔狊狆犲犮狋狉狌犿狅犳犡犻犾犻狀犺犪狅狋犲犿犲犪犱狅狑狊狌狉犳犪犮犲
不同条件测量的发射率光谱，天然草地、铝箔背景上人工均匀种植的草丛（草丛密度：１１×１１丛／ｍ２）、铝箔背
景上草均匀平铺（仪器视场完全被草填充）和割去草后的裸土４种不同测量条件（图５）。不同时间和陆表状态测
量获得的发射率光谱存在差别，并且测量结果不同程度的有大气的吸收线残留。这主要是因为不同的观测时间
天气状况不同导致的结果，无云的晴空特别稳定，可以精确测量大气下行辐射，进行温度发射率分离时可以避免
大气影响的残留，使反演的光谱曲线比较平滑；另外不同的观测时间，陆表的含水量也存在差别；第３方面就是不
同的测量条件，导致观测的混合像元效应不同，从而影响发射率的测量结果。
３　结论
由ＢＯＭＥＭ ＭＲ１５４傅立叶变换红外光谱仪、红外标准板、定标黑体、辐射测温仪、接触式温度计等仪器设备
７３第１８卷第５期 草业学报２００９年
组成的测量系统，可以精确的测量锡林浩特草原陆表发射率光谱。通过不同时次和背景条件下的测量，发现锡林
浩特草原陆表发射率光谱具较好的时空稳定性，不同测量间的误差在０．０４以内。对试验数据的处理分析表明，
基于平滑度指数的ＩＳＳＴＥＳ温度与发射率分离算法，不仅限制条件少、适用性强，而且精度较高，算法易于实现。
利用本研究的发射率光谱测量结果，可以在锡林浩特草原对目前国内外主流的遥感卫星热红外通道进行在轨场
地绝对辐射定标，并对热红外遥感产品进行真实性检验。
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犉犻犲犾犱犿犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋狊狅犳犿犲犪犱狅狑狊狌狉犳犪犮犲犲犿犻狊狊犻狏犻狋狔狊狆犲犮狋狉犪犪狋狋犺犲犡犻犾犻狀犺犪狅狋犲犵狉犪狊狊犾犪狀犱狅犳犆犺犻狀犪
ＺＨＡＮＧＹｏｎｇ，ＹＡＮＧＨｕ，ＺＨＥＮＧＺｈａｏｊｕｎ，ＺＨＡＮＧＬｉｊｕｎ，ＬＵＱｉｆｅｎｇ，
ＬＩＧｕｉｃａｉ，ＹＡＮＧＺｈｏｎｇｄｏｎｇ
（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲａｄｉｏｍｅｔｒｉｃＣａｌｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄＶａｌｉｄａｔｉｏｎｆｏｒＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳａｔｅｌｉｔｅｓ，
ＮａｔｉｏｎａｌＳａｔｅｌｉｔｅＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌＣｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ）
犃犫狊狋狉犪犮狋：ＴｈｅｍｅａｄｏｗｓｕｒｆａｃｅｅｍｉｓｓｉｖｉｔａｓｐｅｃｔｒａｏｆｔｈｅＸｉｌｉｎｈａｏｔｅｇｒａｓｓｌａｎｄｏｆＣｈｉｎａｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｓ
ｆｏｒｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｍａｌｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｏｒｓｕｓｉｎｇｌａｎｄｓｕｒｆａｃｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｔｅｒａｔｉｖｅｓｐｅｃｔｒａｌｙｓｍｏｏｔｈ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙｓｅｐａｒａｔｉｏｎ（ＩＳＳＴＥＳ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，Ｘｉｌｉｎｈａｏｔｅｍｅａｄｏｗｓｕｒｆａｃｅｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙｓｐｅｃｔｒａｗｅｒｅ
ｍｅａｓｕｒｅｄｕｓｉｎｇａＢＯＭＥＭ ＭＲ１５４Ｆｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍｓｐｅｃｔｒｏｒａｄｉｏｍｅｔｅｒａｎｄｉｎｆｒａｒｅｄｇｏｌｄｅｎｂｏａｒｄ．Ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ
ｓｐｅｃｔｒａｄａｔａｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｍｅｓａｎｄｌａｎｄｓｕｒｆａｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｗｉｔｈｔｈｅｓｅｍｅａｓｕｒｅｄｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙｓｐｅｃ
ｔｒａ，ａｌｏｆｔｈｅｍａｉｎｓｔｒｅａｍｔｈｅｒｍａｌｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｏｒｓｃａｎｂｅｃａｌｉｂｒａｔｅｄａｎｄｖａｌｉｄａｔｅｄｕｓｉｎｇＸｉｌｉｎｈａｏｔｅ
ｍｅａｄｏｗｓｕｒｆａｃｅ．
犓犲狔狑狅狉犱狊：ｍｅａｄｏｗ；ｔｈｅｒｍａｌｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ；ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｆｉｅｌｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ
９３第１８卷第５期 草业学报２００９年