《热红外遥感机理及应用课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热红外遥感机理及应用课件（126页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、热红外遥感原理及应用,报告人：王凤敏,南京大学国际地球系统科学研究所 2005年01月21号,主要内容,热红外遥感概念 热红外遥感机理 热红外遥感技术及研究进展 热红外遥感大气校正 温度与发射率反演 热红外遥感应用实例 热红外遥感问题与讨论,1.热红外遥感概念,1.1什么是热红外遥感？ 自然界任何温度高于热力学温度（0K或-273C）的物体都不断地向外发射电磁波。 热红外遥感即通过热红外探测器收集地物辐射出来的人眼看不到的热红外辐射通量，经过能量转换而变成人眼能看到的图像。,热红外遥感技术的发展是为了获取地物的热状况信息，从而推断地物的特征及环境相互作用的过程，为科学和生产所应用 。 简而言之
2、，热红外遥感即确定地表温度和发射率及其应用!,1.2热红外遥感的特点 由于被遥感的物体在任何时间都在不断地向外辐射热红外线，热红外遥感可以在白天或黑夜无人造光源的条件下实施，它是一种全天时的遥感手段。 热红外遥感比可见光、近红外、短波红外遥感复杂，主要原因在于：,1）地物从热辐射的吸收到标志地物热特性的温度的升高，有一个热储存和热释放过程，这与地物本射的热性质和环境条件有关； 2）改变地物热状况的热源，不仅是热辐射，而且还有显热输送和潜热输送问题，这涉及到微气象参数、土壤物理参数、植被生化参数； 3）热红外遥感空间分辩率比较低，混合像元问题也是一个难点； 4）另外还有定标上的困难以及将测量值校
3、正到目标真实物理量值；,5）对复杂地形，如植被（包括森林）、斜地形、水体、裸土和城市景观的混合系统进行精确评价表面通量；以及云影响的探测和消除等问题 。 植物生长、作物产量、地表水分的蒸发及循环、气候变迁、全球变化以及地质矿产的开发均与地球热系统状况有着密切的关系，用热红外遥感技术来获取地球热状况的信息是一个非常重要的手段。,故热红外遥感是一门既有难度又有广阔应用前景的学科，其基础研究直接关系到技术的发展与应用的推广。,2.热红外遥感机理,2.1热红外大气窗口和热红外波段,2.2热红外遥感成像,热红外扫描仪示意图,2.3地球温度与热辐射峰值,2.4地球表面的热量特征 海洋表面温度：相对均质；
4、陆地表面温度：物质非均质性，导致地表 温度空间差异大，1米距离内可能有较大的温度变化。,2.5热辐射基本定律,在一定的温度下，任何物体的辐射出射度 与其吸收率 的比值是一个普适函数 。 只是温度、波长的函数与物体的性质无关。,这就是基尔霍夫定律。基尔霍夫定律表明：任何物体的辐射出射度 ，和其吸收率 之比都等于同一温度下的黑体的辐射出射度,(1)基尔霍夫定律,（2）Plank定律,Where wavelength / channel C1 1st radiance constant, K2=C1/5 C2 2nd radiance constant, K1=C2/ T temperature a
5、t B(T) the radiance,绝对黑体的辐射光谱对于研究一切物体的辐射规律具有根本的意义，1900年普朗克引进量子概念，将辐射当做不连续的量子发射，成功他从理论上得出了与实验精确符合的绝对黑体辐射出射度随波长的分布函数。,不同温度的黑体所辐射的能量随波长而变化状况，以及热红外波长区间的大气透射状况,(3)维恩位移定律,利用普朗克方程还可导出，黑体辐射光谱中最强辐射的波长max与黑体绝对温度T成反比： max T=b b为常数,b=2.898x10-3m k,表. 绝对黑体温度与最大辐射所对应波长的关系,(4)斯式藩玻尔兹曼定律 整个电磁波谣的总辐射出射度M，为某一单位波长的辐射出射度
6、 对波长 做0到无穷大的积分，即:,用普朗克公式对波长积分，便导出斯成藩玻尔兹曼定律，即绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比。,2.6热辐射传输方程,式中z是高度(z0表示地表面，zsat表示卫星高度)；是大气的总光谱透过率；A是大气的向下光谱辐射量。公式右边第1项表示地表面的光谱辐射量，第2项是地表面反射回来的太阳和大气辐射量，第3项是大气的向上辐射对卫星遥感器所接收到的辐射信号的贡献。由于大气质量的分层性，大气对遥感器信号的贡献主要来自大气低层，即接近地球表面的低层大气的作用明显大于大气上层的作用。,Bi(Ti)=i()iBi(Ts)+(1-i)Ii+Ii Where Bi(Ti
7、) observed radiance Bi(Ts) ground radiance Ii downwell atmospheric radiance Ii upwell atmospheric radiance i() atmospheric transmittance i ground emissivity i channel,Thermal radiance transfer equation,Atmospheric emissions,式中Tz是高程为z处的气温， 是遥感器的视角，Z是遥感器的高程，i(,z,Z)表示从高程z到遥感器高程Z之间的大气向上透射率。是大气的向下辐射方向，i(
8、,z,0)表示从高程z到地表之间的大气向下透射率。,3.热红外遥感技术及研究进展,3.1国内外热红外遥感研究进展 热红外遥感的发展可以从1962年第一台红外测温仪诞生算起； 1978年美国发射热惯量卫星（HCMM），首次用卫星来观察地球表面的温度差异，这标志着热红外遥感的发展； 随后，红外技术不断发展，一系列航空航天遥感器运用了热红外波段采集地面数据，并将其应用于军事、地质填图、热制图、热惯量估算以及灾害监测、环境污染等方面;,我国从1975年研制第一台红外测温仪以来，先后研制了包括了多个热红外波段在内的多光谱扫描仪，并进行了相应的热红外遥感应用研究，如岩溶区探水、热红外探矿、探地热、城市热岛
9、、林火监测等均取得不少成果; 但许多热红外遥感应用主要是以亮度温度为信息源的定性分析阶段，定量研究还很不够；,随着比辐射率研究和测定工作的进展，以及热红外遥感大气纠正问题的深入，热红外遥感的定量研究也得到很大的发展； 但是由于热红外遥感本身的复杂性，它的许多理论问题均未很好的解决，如地表热红外辐射及比辐射率的方向性问题、温度与比辐射率的分离问题、非同温混合像元的分解问题等； 目前，国内外许多学者正在致力于对热辐射与地面相互作用机理的研究、地表真实温度的模型反演等疑难问题的攻克以及热红外遥感应用研究的进一步开拓 。,3.2目前国内外热红外传感器技术及特点,随着热红外遥感机理研究的的不断深入和成像
10、光谱技术的不断发展，国内外一系列航空航天器运用了热红外波段采集地面数据，下表分别列出了目前国内外星载/航空热红外传感器的技术特点。,国内外星载热红外传感器技术及特点,国内外航载热红外传感器技术及特点,4.热红外遥感大气校正,由于热红外辐射穿过大气辐射时与大气中的各种气体分子、水（汽）和各种微粒气溶胶发生作用，产生吸收和散射效应。使得到达传感器的红外辐射发生了衰减，因而需做大气校正。由于热红外与大气的相互作用与可见光、近红外不一样，因此其大气纠正方法也不一样，并且更加复杂。,通常传感器所接收的热红外辐射可表示为：,式中:,地物在波长,处的发射率；,（T）地表温度为T的黑体的光谱辐射能；,入射到地
11、表的大气光谱辐射；,大气光谱透射率；,到达传感器的大气发射和散射辐射。,一般大气对热红外辐射的衰减主要由气体分子的吸收和分子、气溶胶的散射所引起的。大气对热红外的吸收体主要是CO2、水汽和O3，对于航空遥感而言，由于航高不高，而O3在低空分布少，可以不予考虑O3的吸收（虽然O3在9.6m有强吸收）。 水在低空一般以气态形式存在，在低空含量较高但随时空变化而变化较大，水蒸气在8.0-12.5m是存在连续吸收。CO2在8.0-12.5m无强吸收带，仅在9.4m和10.4m有弱吸收带。,除这几种气体外，气溶胶（如尘埃、云、雾、雨等）对热红外辐射也有严重影响。 由于一般尘埃的半径很少0.5m，因此对8
12、.0-12.5m波段的红外辐射是发生瑞利散射，而且由于粒子半径，其瑞利散射比可见光小得多，为了简化，忽略其瑞利散射。 对于云、雾等粒子，其半径分布在5-15m间，因而在有云、雾的情况下，将有强的Mie散射和瑞利散射。,目前，国内外已提出了不少大气校正模型，大致可以归纳为以下几种: (1)基于图像特征模型 在没有条件进行地面同步测量的情况下，借用统计方法进行的图像相对反射率转换。从理论上来讲，基于图像特征的光谱重建方法都不需要进行实际地面光谱及大气环境参数的测量，而是直接从图像特征本身出发消除大气影响，进行反射率反演，基本属于数据归一化的范畴。,例如：遥感图像波段间的数学变换如NDVI、RVI等
13、，可部分校正大气程辐射和因大气路径长度不同而产生的变形差异； 基于图像特征方法仅适于较小范围，且较正后的图像均存在不同程度的噪声。大气校正是相当复杂的，但在许多遥感应用中，往往并不一定需要绝对的辐射校正，这种基于图像的相对校正就能满足其应用要求。,即获取遥感影像上特定地物的灰度值及其成像是相应的地面目标光谱的测量值，建立两者之间的回归方程式，在此基础上对整幅遥感图像进行辐射灰度纠正。该模型数学和物理意义明确、计算简单、运算量小、适用性强、应用广泛，但其精度取决于线性回归系数的精度，而系数的精度则取决于野外光谱实测的精度和影像象元的对应准确性，因此要利用这种模型获取高质量的光谱图像进行光谱重建，
14、必须以大量野外光谱观测为前提，因此成本较高，对野外工作依赖性强，且对地面定标点的要求较严格（均匀表面，区域不宜过大等）。,（2）地面线性回归经验模型,辐射传输方程是描述电磁辐射在散射、吸收介质中传输的基本方程。能较合理地处理大气散射、大气吸收、发射等过程，且能产生连续光谱，避免光谱反演地较大定量误差，因而得到最广泛的应用。通常可以从大气辐射传输方程中，反演出被探测参数的数值或沿路径的分布。若大气状态已知（消光、发射可计算的话），就可求出地表状态（垂直地面的辐射亮度）；若已知地面状态，则可求出大气状态。,（3）大气辐射传输理论模型,但它需要遥感器获取数据时，对一系列的大气环境参数进行测量，譬如大
15、气光学厚度、温度、气压、湿度、大气分布状况等，因此需要较大研究成本，且大气校正的准确性决定于输入的大气参数的准确性，不太适合于偏远、地形复杂的地区以及历史数据的光谱重建。,近几十年来，与大气辐射传输有关的应用需求增长极快，使大气辐射传输的过程研究与定量化算法研究获得蓬勃的发展；当前国际国内已有多种大气辐射传输的模式与算法，它们散见于大量的文献与书籍中，有一些已形成系统软件。 如：适用于遥感图像大气影响校正的RADFIELD辐射传输计算模型、参数化的向上亮度模式、以及广泛应用的LOWTRAN 1-7、MODTRAN 1-4大气辐射近似计算模型系列。后者直接使用大气物理参数，且增加了多次散射的计算
16、，其应用范围较广。,MODTRAN 4,Card1：大气模式控制卡； Card2：气溶胶及云雨模式； Card3：探测几何方式； Card4：波段及分辨率； Card5：程序的停止或再运行；,5.温度与发射率的反演,5.1地表温度的反演 热红外测温技术由于具有不接触被测物体的特点，不破坏地表的热力学状态，因此被广泛应用于地表温度的测量中，如何将遥感传感器测量到的热红外辐射信号转换为地球系统中所需要的陆面温度，是热红外遥感中的核心课题，亦是热红外遥感在其它领域应用的基本前提。,地表温度遥感的基本假设：,当地大气处于热力平衡状态，没有强烈的对流干扰。 天空晴朗无云，大气水汽含量较少，让热辐射能透过大气层抵达空中的遥感器，大气透过率是热红外遥感的基本参数。分析表明，当大气水汽含量超过7g/cm2时，热红外辐射的大气透过率极低(10%)，遥感器所接收到的辐射能中信噪比就很小。 地表最好为平坦的地表。地表辐射表现为表面的辐射，地表起伏的侧面辐射及相互之间的反射作用相对于表面辐射而言非常弱。这一点在山区时极难满足。 地表是Lamberti
