积雪是自然界地表重要的要素之一，覆盖在陆地和海冰表面，特性敏感活跃，对气候变化､水分平衡及人类活动等方面都有重要的影响｡积雪变化会使天气和气候变化分析产生误差｡所以积雪光谱的采集和研究对了解积雪的特性､获取积雪特征信息以及进行积雪监测具有重要意义｡在南方湿润气候背景下，冬季降水多以湿雪为主，积雪密度也比北方的大｡湿雪是冻结的雪片在降落过程中趋于潮湿､融化，最后在物体上冻结形成，由于易连接成片，吸收大量热量造成降温，所以对建筑设施､植被等危害较大。地物光谱仪可以获取积雪的光谱数据，分析太阳高度角､坡度､坡向､下垫面､混合雪对积雪反射率的影响，这有利于了解湿雪光谱特性和变化规律，为积雪监测､定量遥感及其参数反演提供参考和科学依据｡

1、积雪的光谱特征

图1 28日，（b）29日，（c）30日11:00的积雪光谱反射率

由图1可见，在350~1300nm总体上积雪反射率呈现下降的趋向，其中350~700nm变化较为平稳，700~950nm反射率小幅度下降，950~1300nm变化幅度较大，1150~1240nm快速下降，在1020nm及1250nm附近出现清楚的吸收谷，1250nm之后缓慢上升｡图中曲线a､b､c分别代表28日､29日､30日上午11:00在相同区域测量得到的积雪光谱曲线｡三天测量时的积雪厚度分别约为3cm，5cm，2.5cm，空气湿度分别为100%，92%和71%｡图中曲线b的积雪反射率最高，且明显高于曲线a，曲线c下降趋势较大，在350~1120nm积雪反射率居于曲线a､b之间，1120~1300nm低于曲线a､b｡这是因为28日晚21:45左右至29日09:00左右出现一轮新的降雪，而新雪反射率较高，所以曲线b的积雪反射率最高｡

2、太阳高度角对积雪光谱的影响

图2 不同太阳高度角的积雪光谱反射率
（a）35.8°，（b）39.9°，（c）37°

由图2可知， 29日和30日分别于同一地点进行积雪光谱数据采集｡29日测量时间选择10:50，12:10和13:30三个时间点，结合经纬度等信息可以得到对应的太阳高度角分别为35.8°，39.9°和37°｡350~700nm，光谱反射率较高，并且存在一个较为平缓的吸收谷，太阳高度角接近的两条光谱曲线几乎重合｡太阳高度角引起的积雪光谱差异的首要因素是光线入射角度的差异，对于理想朗伯面，辐亮度不具有方向性，但是测量的目标物即积雪表面不满足此条件，所以入射辐射的角度差异直接影响了反射率｡此外，风化等外界环境因素也会一定程度上影响积雪的状态，物化性质的轻微变化也会对结果造成影响｡

3、坡度对积雪光谱的影响

图3 不同坡度的积雪光谱反射率（a）0°，（b）10°，（c）30°，（d）60°

从图3可以看出不同坡度条件下的光谱曲线形状相似，但是随着坡度从0°的不断增大至60°，积雪反射率也随之增大，并且增大的幅度较为明显，最大值达到0.22。从整体变化趋势来看，在350~900nm区间以及900~1300nm波峰波谷区域，坡度越大反射率上升越大的趋势比较明显。造成该种现象的原因是因为积雪表面反射呈现各向异性特征。测量区域位于南坡朝阳方向，当入射角度增大时，前向散射方向出现单次散射光的概率增大，从而获取的反射信息增加，即有更多的光被反射回来。

4、坡向对积雪光谱的影响

为了探究坡向与积雪光谱之间的关系，设定了坡度均为70°左右的两个朝阳坡和背阴坡，在13:00左右测量了积雪光谱。图4表明坡向对积雪光谱影响较大，曲线a为朝阳坡的积雪光谱曲线，与典型积雪光谱曲线的波形变化规律相似。曲线b代表的是背阴坡积雪光谱曲线，从数值方面来看，反射率在350~1300nm波段内下降，趋势十分显著。这是因为朝阳面能够接受大量的光照，从而能够反射更多太阳辐射。而背阴坡背对太阳，影响入射光直接照射到坡面上。由于入射光减少，坡面积雪是非理想朗伯面，再经过积雪吸收与漫反射作用，从而使得接收的太阳辐射大大减少。

图4 不同坡向的积雪光谱反射率，（a）180°S，（b）0°N

5、下垫面对积雪光谱的影响

为了探究不同下垫面对积雪光谱的影响，实验区域选择距离相近､面积相同，但是地表分别为草地和裸土的两块区域。从图5中可以看出首次测量得到的a､b两条曲线有积雪光谱曲线的特征，并且趋势基本相同。曲线b积雪反射率略低于曲线a，在近红外区700~900nm较为明显。趋势比较接近，所以在地表被一定厚度积雪覆盖的情况下，下垫面的差异对积雪光谱影响有限。而曲线d积雪反射率明显低于曲线c，这是因为第二次测量时积雪消融，厚度较薄，部分区域能够清楚看到下垫面的地表及出露地物，特别是下垫面为裸土的试验区域，出现小范围土壤裸露情况。此时可见光能够穿透薄雪层，测量的积雪光谱会受到下垫面的影响，因而出现光谱曲线的差异。曲线a､b积雪反射率明显高于c､d，这是因为积雪消融和老化，造成积雪密度和含水率增大，并且由于雪层变薄或部分地表裸露，下垫面对积雪光谱造成一定影响，导致光谱反射率降低。

图5 不同下垫面的积雪光谱反射率，（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）对积雪光谱的影响

为了分析不同混合雪情况对光谱的影响，分别测量了平地纯净积雪､积雪与植被混合及林下雪三种情况的光谱。平地积雪试验区选择一块2m×2m､坡度为0°､下垫面为裸露土壤的区域，积雪厚度约为3cm，图6（a）黑色曲线代表光谱测量结果。植被/积雪混合试验区选择高度约为70cm的冬青，试验区周围无其他植物影响，并分为以下几种情况:

1）植物冠层基本被积雪覆盖，有少许枝叶冒出雪层，积雪厚度约为1.5~2cm，由图6（b）红色曲线表示;

2）积雪未全部覆盖植物冠层，与植物枝叶混杂，由图6（c）蓝色曲线表示;

3）植被冠层积雪覆盖度较低，能够观察到植物冠层，由图6（d）绿色曲线表示;

4）植被冠层无积雪覆盖，但是冠层下方枝叶缝隙间存在积雪，并且下垫面为积雪，由图6（e）紫色曲线表示。

林下雪试验区选择针叶林下方面积约为2m×2m的区域，积雪能够覆盖地表，树木密度适中，但是对光照条件有一定影响，下图（f）浅棕色曲线代表林下雪光谱测量结果。

图6 植被/积雪混合的积雪光谱反射率

（a）纯雪，（b）植被/积雪混合:植物冠层基本被积雪覆盖，（c）植被/积雪混合:积雪未全部覆盖植物冠层，（d）植被/积雪混合:植被冠层积雪覆盖度较低，（e）植被冠层无积雪覆盖:植物冠层基本无积雪覆盖，（f）林下雪

图6表明在可见光范围内纯净积雪光谱反射率最高，植被/积雪反射率次之，林下雪反射率最低;在近红外波段植被/积雪混合情况反射率超过纯净积雪。因为在可见光范围内，积雪的反射率最高可到0.92，远高于植被，但是在近红外波段中，雪的反射率开始下降，而对于植物来说，近红外波段的反射与其叶片结构有关。而且近红外辐射具有穿透能力，约50%~60%的能量可以透过植物叶子，辐射到下层被反射回来再次穿过上层叶，使冠层红外反射增强，从而导致在近红外波段范围内纯净积雪反射率低于植被/积雪混合情况。同时，在对比纯净积雪和植被/积雪混合光谱时发现，光谱曲线一般在780~1000nm区间内相交，在光谱曲线相交前，随着植被上积雪覆盖率的增加，植被/积雪混合反射率逐渐升高，曲线交点也随之前移，向780nm处靠近，光谱曲线的形状越来越接近纯雪曲线交点随之后移，向1000nm处靠近，曲线的形状越来越接近植被光谱的曲线形状。

林下雪光谱反射率与积雪随波长的变化规律基本相同，但是数值在所有测量对象中最低，这是由于针叶林遮挡了光线，测量时入射光减少，使得获取的反射信息大大减少，所以林下雪光谱曲线虽然保持积雪光谱曲线特征，但是反射率大大降低。

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