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1、第三章第三章 热红外遥感热红外遥感遥感地学应用第三章 热红外遥感1. 热红外遥感基本概念2. 热红外遥感辐射源3. 热红外遥感辐射的影响因素4. 热红外遥感系统5. 地表温度反演算法1、热红外遥感基本概念热红外遥感定义红外遥感包括： 近红外遥感 中红外遥感 热红外遥感热红外遥感就是利用传感器收集、记录地物的热红外信息，并利用其来识别地物和反演地表参数（温度、湿度、热惯量等）的技术系统。热红外遥感基本原理物体温度高于绝对零度-发射红外能量热辐射能量强度和波谱分布由物质类型和温度决定热红外遥感的实质是对地球热辐射场的研究热红外遥感基本概念黑体基尔霍夫定律普朗克定律波尔兹曼定律维恩位移定律比辐射率n
2、7 一般物体的红外辐射率和吸收率都小于1，并且其辐射和吸收能力都与表面温度和波长有关。 黑体的红外辐射率和吸收率为1（客观世界不存在），其意义体现在为衡量自然物体的红外辐射和吸收能力建立一个标准。 黑体黑体假想的全部吸收假想的全部吸收和辐射红外电磁和辐射红外电磁波的理想体，其波的理想体，其红外吸收和辐射红外吸收和辐射能力与温度无关能力与温度无关。黑体辐射黑体辐射绝对黑体任何波长的电磁辐射全部吸收。1860年基尔霍夫：好的吸收体也是好的辐射体。一个不透明的物体，对反射到它上面的电磁波只有光谱吸收率 和光谱反射率 ，二者之和恒等于1。绝对黑体：绝对白体：,T ,T ,1, ,0TT ,0, ,1T
3、T 普朗克定律普朗克定律1900年普朗克用量子理论推导出普朗克定律黑体辐射通量密度与温度、波长的关系满足普朗克定律：yPlancks Law 2521chkThcWe 2-3410-23WcmmmJ scm sJ KKWhckT：分谱辐射通量密度，单位是：波长，单位是：普朗克常数（6.6256 10）：光速（3 10）：玻耳兹曼常数（1.38 10）：绝对温度，单位是波尔兹曼定律波尔兹曼定律与曲线下的面积成正比的总辐射通量密度W是随温度T的增加而迅速增加，总辐射通量密度W可在从0到无穷大的波长范围内。对普朗克公式进行积分，可得到 面积的黑体辐射到半球空间里的总辐射通量密度的表达式是：54442
4、3215kWTTc h-KT：斯忒藩 玻耳兹曼常数：绝对黑体的绝对温度（ ）21cm维恩位移定律维恩位移定律分谱辐射能量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移动，微分普朗克公式，并求极值。维恩位移定律表明：黑体的绝对温度增高时，它的最大辐射本领向短波方向位移。若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射的波段。在遥感技术上，常用这种方法选择传感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。2452210max251012897.84.96511chchkTkTchkTchhceekTWechTk比辐射率比辐射率比辐射率通常用表示，定义为：物体在温度T、波长 处的辐射强度与同温度、同波长下的黑体辐射强度
5、的比值。黑体是一种理想物体，自然界中并不存在这样的物体，大多数是灰体。因此地表温度的反演需要考虑比辐射率的影响。如果没有大气的影响，地物的真实温度可以直接用比辐射率求解。热辐射热辐射传输方程传输方程2121)()(1)1 ()()(00dzTBAdzTBLsunsurfacesdzdzzTBairzzsat )(210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
6、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。 Remote Sensing of LSTGround surfaceRemote sensorGround emittanceAtmospheric emittance2431Remote Sensing of LSTGround surfaceRemote sensorGround emittanceAtmospheric emittanceRemote Sensing of LSTGround surfaceRemote sensorGround emittanceAtmospheric emittance2
7、431 BiBi( (TiTi)=)= i i( ( ) ) iBiiBi( (TsTs)+(1-)+(1- i i)I )Ii i +Ii Ii Where BiBi( (TiTi) ) observed radianceBiBi( (TsTs) ) ground radiance Ii Ii downwell atmospheric radiance Ii Ii upwell atmospheric radiance i i( ( ) ) atmospheric transmittance i i ground emissivityi channelThermal radiance tra
8、nsfer equationThermal radiance transfer equationAtmospheric emissionsAtmospheric emissionsdzzZzTBIZizii0),()(2/00sincos)0 , ()(2ddzzzTBIizii 式中式中TzTz是高程为是高程为z z处的气温，处的气温， 是遥感器的视角，是遥感器的视角，Z Z是遥是遥感器的高程，感器的高程， i i( ( , ,z z, ,Z Z) )表示从高程表示从高程z z到遥感器高程到遥感器高程Z Z之间的大气向之间的大气向上透射率。上透射率。 是大气的向下辐射方向，是大气的向下辐射方
9、向， i i( ( , ,z z,0),0)表示从高程表示从高程z z到地表之间的大气向下透射率。到地表之间的大气向下透射率。 2、热红外遥感辐射源辐射源辐射源自然辐射源y太阳辐射：可见光和近红外的主要辐射源y常用5900K的黑体辐射来模拟y大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射y地球的电磁辐射：近似300K的黑体辐射。小于 的波长主要是太阳辐射的能量；大于 的波长主要是地物自身的热辐射； 之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。人工辐射源y微波辐射源：0.8-30cmy激光辐射源：激光雷达（测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等）。3 m6 m36 m太阳辐射太阳辐射太阳是被动遥感最主要的辐射源，遥感
10、传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波。地球系统的能量绝大多数（99%）来源于太阳。太阳辐射y5%紫外线y45%可见光y50%红外线太阳与地球的辐射波谱太阳与地球的辐射波谱太阳辐射的特点太阳辐射的特点太阳光谱是连续的。辐射特性与黑体基本一致。紫外到中红外波段区间能量集中、稳定。主要利用可见光、红外波段等稳定辐射。海平面处的太阳辐射照度分布曲线与大气层外曲线有很大不同，这主要是地球大气层对太阳辐射的吸收和散射造成的。一般物体的发射辐射一般物体的发射辐射自然界中实际物体的发射和吸收的辐射量都比相同条件下绝对黑体的要低。不仅依赖于波长和温度，还与构成物体的材料、表面状况等因素有关。我们用发射率 来表
11、示它们之间的关系： 。发射率 就是实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比。WW发射率发射率按照发射率与波长的关系，把地物分为：y黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。y灰体：发射率小于1，常数。y选择性辐射体：反射率小于1，且随波长而变化。y理想反射体：反射率等于0.影响地物反射率的因素：y地物的性质y表面状况y温度（比热、热惯量）比热大、热惯量大、以及具有保温作用的地物一般发射率大，反之反射率就小。主要地物的发射率主要地物的发射率等效黑体温度等效黑体温度实际测定物体的光谱辐射通量密度曲线并不像描绘的黑体光谱辐射通量密度曲线那么光滑。常常用一个最接近灰体辐射曲线的黑体辐射曲线作为参照，这时
12、的黑体辐射温度称为等效黑体辐射温度（或称等效辐射温度）44WWTTT 等效基尔霍夫定律基尔霍夫定律在任一给定温度下，辐射通量密度与吸收率之比任何材料都是一个常数，并等于该温度下黑体的辐射通量密度。任何材料的发射率都等于其吸收率根据能量守恒定律对于不透射电磁波的物体 44WWWTWT 1EEEE01 地球热红外辐射地球热红外辐射地球热红外辐射由地表辐射率和地表温度两个因素决定。地表温度与地表反射率、地表热学性质和地表红外比辐射率相关。辐射温度和地表温度辐射温度和地表温度辐射温度被定义为所测量的物体的辐射能量所对应的温度。对于黑体而言，物体的辐射温度等于它的真实温度。但对于真实物体而言，热遥感器所
13、记录的辐射温度与物体的地表温度之间的关系可以近似地表示为。式中为比辐射率。由于1，地物的辐射温度总小于它的热力学温度。因此，对于任何给定的地物,热遥感器所记录的辐射温度小于它的真实温度。典型地物热力学温度与辐射温度关系典型地物热力学温度与辐射温度关系对象对象发射发射率率 真实温度（真实温度（K K）辐射温度（辐射温度（K K）黑体黑体1.0303303植被植被0.985303298.455湿地湿地0.956303289.668干燥地干燥地0.925303280.275水体水体0.99303299.973、热红外遥感辐射的影响因素大气热辐射的影响大气热辐射的影响大气自身热辐射大气对热红外能量的吸
14、收大气对太阳辐射的吸收大气对太阳辐射的吸收在紫外、红外与微波区，电磁波衰减的主要原因是大气吸收。主要成分：氧气、臭氧、水、二氧化碳。大气吸收的影响主要是造成遥感影像暗淡。大气对紫外线有很强的吸收作用，因此，现阶段中很少使用紫外线波段。大气对太阳辐射的散射大气对太阳辐射的散射在可见光波段范围内，大气分子吸收的影响很小，主要是散射引起的衰减。太阳辐照到地面又反射到传感器的过程中，二次通过大气，传感器所接收到的能量除了反射光还增加了散射光。二次影响增加了信号中的噪声部分，造成遥感影像质量的下降。散射的方式随电磁波波长与大气分子直径、气溶胶微粒大小之间的相对关系而变，散射类型包括：y米氏散射y均匀散射
15、y瑞利散射大气对太阳辐射的反射大气对太阳辐射的反射由于大气层中有云层，当电磁波到达云层时，就像到达其他物体界面一样，不可避免地要产生反射现象，这种反射同样满足反射定律。各波段受到不同程度的影响，削弱了电磁波到达地面的强度，因此应尽量选择无云的天气接收遥感信号。四川省江油市四川省江油市热辐射的地热辐射的地- -气作用气作用在热辐射波段，物体反射率越大，发射率越小；反之亦然，可通过测量反射率来测量发射率。大气对太阳辐射的反射和大气热红外辐射对传感器接收有影响。热辐射过程热辐射过程式中：y ：遥感器所接受的波长的热辐射强度y ：地表黑体辐射强度y ：波长的地表比辐射率y ：从地面到遥感器的大气透过率
16、y ：波长的大气上行热辐射强度y ：波长的大气下行热辐射强度。LsBT00L0L00001sLBTLL 4、测定热红外遥感系统热红外传感器设计原则热红外传感器设计原则预期探测目标在所选择热红外波段具备最强的信号特征所探测的遥感信息能最大限度地透过大气到达传感器热红外传感器波段选择示例热红外传感器波段选择示例地表温度通常在45+45C 之间，大部分地区平均为 27C 左右。根据维恩位移定律，地面物体的热辐射峰值波长在9.2612.43m 之间，恰好位于 814m 的大气窗口内。因此这个谱段区间通常被用来调查地表一般物体的热辐射特性,探测常温下的温度分布和目标的温度场，进行热制图等。随温度升高,热
17、辐射谱段峰值波长向短波方向移动。对于地表高温目标，如火燃等，其温度达 600K，热辐射谱段峰值在 4.8m，位于热红外谱段 35m 的大气窗口内。所以为了对火灾、活火山等高温目标识别，通常把热红外遥感波段选择在这个区间内。NASANASAs Earth Observing Systems Earth Observing System- - missions with IR missions with IR c capabilityapabilityTRMMyCERESLandsat-7 (launched April 1999)yETM+ has 60 m band at 10.5-12.5
18、mEOS Terra (launched December 1999)yCERES, MODIS, ASTER, MOPITTEOS Aqua (launched May 2002)yAIRS, CERES, MODISEOS Aura (launched July 2004)yHIRDLS, TESCERESCERESCloud-Earth Radiant Energy SystemCloud-Earth Radiant Energy SystemASTERASTERAdvanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection RadiometerA
19、dvanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometern14 bands (15-90 m) in VIS, NIR, SWIR, and TIRMauna Loa imagesShortwave infraredThermal infraredASTER spectral bands on model atmosphereASTER spectral bands on model atmosphereMODISMODISModerate-Resolution Imaging SpectroradiometerModerate
20、-Resolution Imaging Spectroradiometer36 bands, 1 in SWIR, 6 in mid IR, 10 in thermal IRMeasurements ofySurface/cloud temperatureyAtmospheric temperatureyCirrus clouds and water vaporyOzoneyCloud top altitudeCalibration and validation of MODIS T and E in Sevilleta, NMCalibration and validation of MOD
21、IS T and E in Sevilleta, NMnSource: Jeff DozierAIRSAIRSAdvanced Infrared SounderAdvanced Infrared Sounder2400 bands in IR (3.7-15 m) and 4 bands in visible (0.4-1.0 m)yAbsorption “signature” around 4.2 m and 15 m (CO2) and 6.3 m (H2O) enables temperature and humidity sounding to 1 km vertical resolu
22、tionySpatial resolution is 13.5 kmComplemented by microwave sounders to deal with clouds5、地表温度反演算法热红外遥感应用热红外遥感应用热红外遥感是目前唯一可以进行区域或全球的陆面温度反演的手段，具有覆盖面广、信息量大、动态性好及分辨率高等明显的优点。地表温度反演算法地表温度反演算法单通道算法分窗算法单通道算法单通道算法借助于卫星传感器上的一个热红外通道获得的辐射能来得到地表温度的算法。需要大气温度和湿度的垂直廓线数据，利用一定的大气模式计算大气辐射和大气透过率，根据大气的辐射传输方程，计算地表的辐射亮度值
23、，假设地表比辐射率已知，就可以求出地表温度。分窗算法分窗算法以卫星观测到的热辐射数据为基础,利用大气在两个波段上的吸收率不同来去除大气影响，并用这两个波段辐射亮温的线性组合来计算地表温度。分窗算法分窗算法- -以以AVHRRAVHRR为例为例根据 Plank 热辐射函数，将 AVHRR 的两个热通道(即通道 4 和通道 5)数据转化为相应的亮度温度，然后通过亮度温度来演算地表温度。445sTTa TTb地表温度反演示例地表温度反演示例1、确定辐射亮度2、确定地表亮度温度3、确定大气透射率以及大气平均温度4、确定地表比辐射率5、确定地表温度Step1-Step1-确定辐射亮度确定辐射亮度陆地卫星
24、传感器在设计时就考虑到将如何所接收到的辐射强度转化为相对应的DN值问题。对于TM数据，所接收到的辐射强度与其DN值存在以下关系。Step2-Step2-确定地表亮度温度确定地表亮度温度Step3-Step3-确定大气透射率以及大气平均温度确定大气透射率以及大气平均温度利用大气模拟方程求解大气透射率，如MODTRAN、6S模型等。大气平均作用温度主要取决于大气剖面气温分布和大气状态。一般情况下很难实施实时大气剖面数据和大气状态的直接观测，可采用近似模型如下：Step4-Step4-确定地表比辐射率确定地表比辐射率通过分类影像获得地表比辐射率影像，估计各地表类型的发射率值，但是这种方法需要在卫星过境时对不同类别的典型地物发射率进行测量。通过归一化植被指数获得地表比辐射率step5-step5-确定地表温度确定地表温度单窗算法