《热红外遥感机理及应用.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热红外遥感机理及应用.pptx（125页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、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。第1页/共125页 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，热红外遥感即确定地表温度和发射率及其应用!第2页/共125页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
2、比可见光、近红外、短波红外遥感复杂，主要原因在于：第3页/共125页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正到目标真实物理量值；第4页/共125页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
3、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。第5页/共125页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。第6页/共125页2.热红外遥感机理2.1热红外大气窗口和热红外波段第7页/共125页 2.2热红外遥感成像 热红外扫描仪示意图 第8页/共125页2.3地球温度与热辐射峰值第9页/共125页2.4地球表面的热量特征海洋表面温度海洋表面温度：相对均质；：相对均质；陆地表面温度陆地表面温度：物质非均质性，导致地表：物质非均质性，导致地表 温度空间差异大
4、，温度空间差异大，1 1米距离内可能有较大的温度变化。米距离内可能有较大的温度变化。第10页/共125页 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)基尔霍夫定律第11页/共125页 （2）Plank定律Where wavelength/channelC1 1st radiance constant,K2=C1/5 C2 2nd radiance constant,K1=C2/T tempe
5、rature at 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。第12页/共125页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外波长区间的大气透射状况第13页/共125页 (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表表
6、.绝对黑体温度与最大辐射所对应波长的关系绝对黑体温度与最大辐射所对应波长的关系T（K）3005001000200030004000500060007000maxmax(m)m)9.665.802.901.450.970.720.580.480.41第14页/共125页(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 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。第15页/共125页 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
7、；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。第16页/共125页第17页/共125页 Bi(Ti)=i()iBi(Ts)+(1-i)Ii+Ii Where Bi(Ti)observed radianceBi(Ts)ground radiance Ii downwell atmospheric radiance Ii upwell atmospheric ra
8、diance i()atmospheric transmittance i ground emissivityi channelThermal radiance transfer equation第18页/共125页Atmospheric emissions 式中式中Tz是高程为是高程为z处的气温，处的气温，是遥感器的视角，是遥感器的视角，Z是遥感是遥感器的高程，器的高程，i(,z,Z)表示从高程表示从高程z到遥感器高程到遥感器高程Z之间的大气向上之间的大气向上透射率。透射率。是大气的向下辐射方向，是大气的向下辐射方向，i(,z,0)表示从高程表示从高程z到地到地表之间的大气向下透射率。表之间
9、的大气向下透射率。第19页/共125页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;第20页/共125页我国从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、
10、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；第21页/共125页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。第22页/共125页 3.2目前国内外热红外传感器技术及特点 随着热红外遥
11、感机理研究的的不断深入和成像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。第23页/共125页传感器传感器卫星计划卫星计划波段数波段数光谱范围光谱范围（m）空间分辨率空间分辨率用途用途AIRS大气红外探测仪EOS(美国)63.74-15.413.5-1km大气温度湿度ASTER高级空间热辐射热反高级空间热辐射热反射探测器射探测器EOS(美国)148-1290m陆地表面，水和云ATSR纵向扫描辐射仪ERS-1(欧空局)211.012.01km*km云、海面温度AVHRR甚高分辨率辐射仪甚高分辨率辐射仪NOAA-1
12、1(美国）50.58-12.41.1k海面温度、植被、气溶胶CERES云和地球辐射能系统EOS（美国）30.3-12.021km地球辐射平衡HIRDLA高分辨率临界动态分辨仪EOS（美国）216.0-18.010km/1km大气温度、水分及化学GLI全球成像仪ADEOSII（日本）34可见,近红及热红外1km碳循环HIRS/21高分辨率红外辐射探测仪NOAA-11200.69-14.9520.4m大气温度、湿度ILAS改进型临边大气光谱仪ADEOS(日本)30.753-11.7713km/2km大气IR-MSS红外多光谱扫描仪CBERS(中国/巴西)40.5-12.578m,156m中等分辨率
13、制图u国内外星载热红外传感器技术及特点第24页/共125页ISTOK-1红外光谱扫描仪系统PRIRODA-1640.4-16.00.75-3km大气辐射LISS-3线形成像自扫描传感器3型 IRS-1C/1D40.52-17.523.5m陆地和水资源管理MODIS中等高分辨率成像光中等高分辨率成像光谱辐射仪谱辐射仪EOS（美国）360.4-14.5250m,500m,1km地球物理过程、大气、海洋、陆地SCARAB辐射收支扫描仪POEM/WNVISAT-1(欧)40.2-50.060km全球辐射收支SR扫描辐射仪FY-2中国30.55-12.05.73km气象SROM海洋监测光谱扫描仪ALMA
14、Z-1B(中/俄)110.405-12.5600m星下点海洋、叶绿素、生物生产率TMG温室气体干涉检测仪ADEOS(日本)0.33-14.010km/2-6km温室气体制图VIRS可见光红外广扫描仪TRMM(美/日)53.75，10.8，12.02km云辐射VISSR可见光红外光旋转式辐射扫描仪GMS（日本）20.5-0.7510.5-12.51.25-2.5km地球制图、云覆盖VISSR可见光红外光自旋辐射扫描仪METEOSAT(欧空局）30.5-12.52.5*2.5km,5*5km地球、大气观测TM专题绘图仪专题绘图仪LANDSAT（美）70.45-12.515m,28.5m,60m,1
15、20m获取地球表层信息ETM+增强型专题绘图仪增强型专题绘图仪LANDSAT(美)80.45-12.530m,15m,120m获取地球表层信息第25页/共125页传感器传感器国别国别波段数波段数波段范围波段范围(m)工作期间工作期间瞬时视场瞬时视场mard用途用途AMSS航空多光谱扫描仪澳大利亚68.5-12.0始于1985年2.1*3.1环境监测ASTER模拟仪器美国208-12 始于19912或5.0云、陆地测量CIS中国成像光谱仪中国123.53-3.9410.5-12.5始于1993年1.2*1.2陆地表面观测DAIS-7915数值式航空成像光谱仪美国163.0-5.08.7-12.7
16、始于1993年3.3，2.5，5.0陆地海洋生态环境监测DAIS-16115数值式航空成像光谱仪美国6123.0-5.08.0-12.0始于1994年3陆地海洋生态环境监测GER-63通道扫描仪美国68.0-12.5始于1986年3.3、2.5或5.0环境监测地质研究ISM红外成像光谱仪法国641.6-3.2始于1991年1.2*11地质、云、雪、植被MAS MODIS航空模拟仪器美国500.547-14.521始于1992年2.5地球物理大气海洋陆地表面MIVI多光谱红外及可见光光谱仪美国108.2-12.7始于1993年2.0地质和环境研究MUSIS多光谱红外照相机美国90902.5-7.
17、06.0-14.5始于1989年0.5化学蒸发、光谱特征OMIS实用型模块化成像光谱仪 中国1280.46-12.5始于2000年3陆地和海洋资源勘察及环境监测SMIFTS空间可调成像傅立叶变换光谱仪美国1001.0-5.2始于1993年0.77陆地表面观测u国内外航载热红外传感器技术及特点 第26页/共125页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。第27页/
18、共125页通常传感器所接收的热红外辐射可表示为：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。第28页/共125页 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-
19、12.5m无强吸收带，仅在9.4m和10.4m有弱吸收带。第29页/共125页除这几种气体外，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8.0-12.5m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。第30页/共125页 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，
20、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。第31页/共125页例如：遥感图像波段间的数学变换如NDVI、RVI等，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。第32页/共125页 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
21、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，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第33页/共125页 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
22、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 第34页/共125页 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。第35页/共125页近几十年来，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
23、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，其应用范围较广。第36页/共125页MODTRAN 4第37页/共125页Card1Card1：大气模式控制卡；：大气模式控制卡；Card2Card2：气溶胶及云雨模式；：气溶胶及云雨模式；Card3Card3：探测几何方式；：探测几何方式；Card4Card4：波段及分辨率；：波段及分辨率；Card
24、5Card5：程序的停止或再运行；：程序的停止或再运行；第38页/共125页第39页/共125页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。第40页/共125页 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
25、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Lambertian地表，地表的热辐射和反射各向相同。第41页/共125页 遥感尺度与地表温度 像元尺度下的地表温度的四种情况:(1)茂密植被覆盖下植被叶冠温度；(2)裸露表面情况下：裸地表面、建筑物表面、岩石表面的温度；(3)植被稀少情况下：混合有植被叶冠温度、叶冠与地表间的气温、以及叶冠下地表面的混合平均温度；(4)混合像元情况下：有不同比例的植被与裸露
26、表面混合，是这些不同类型的混合平均温度。第42页/共125页 地表温度反演的方法：1）大气校正法:all thermal IR data 严格按照辐射传输理论来建立辐射传输方程，需要的大气参数比较多，由于其大气参数很难实时获取，一般是用标准大气和大气模型模拟计算，所以精度很难得到保证，有时偏差很大。第43页/共125页 2）单窗算法:Landsat TM、ETM（Band 6:10.40-Band 6:10.40-12.5012.50 m,/120/60mm,/120/60m）利用辐射测量在一个热红外窗口通道来校正大气影响并估算陆面温度，如利用TM6波段进行地面温度的反演。覃志豪等在正确做出大
27、气平均作用温度的替代性分析的基础上，推导出适用于TM 6 数据的地温反演算法，其绝对精度0.4K，在参数估计有适度误差时，精度也达4239-42我国MODIS地表温度产品成像时间 2003/06/14 02:41-02:52第50页/共125页温度值范围（温度值范围（K）301.05 319.17基于ASTER影像的贵州黎平地区温度制图（2000年5月20日）第51页/共125页基于LANDSAT TM6 LANDSAT TM6 的以色列/埃及边境地区的地表温度反演(成像时间：1995/09/9,9:40)第52页/共125页 5.2发射率的反演 发射率 ，又称比辐射率。是物体在温度T、波长
28、处的辐射出射度与同温度、同波长下的黑体辐射出射度的比值，是一个无量纲的单位，取值在0-1之间。第53页/共125页通常情况下，物体的发射率在较大的温度变化范围内为常数，故一般不标注为温度T的函数，而是波长 的函数，由材料的性质决定。物体的发射率是物体发射能力的表征，它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波长、观测角度等条件变化而变化。第54页/共125页 比辐射率反演方法1、昼、昼-夜法（夜法（Day-night Method）2、模式发射率方法（、模式发射率方法（Model emissivity M
29、ethod/Reference Method）3、归一化发射率方法、归一化发射率方法(NEM:Normalized Emissivity Method)4、灰体发射率法（、灰体发射率法（Graybody Emissivity Method）5、分类法（、分类法（Classification Method）6、发射率界定法（、发射率界定法（Emissivity Bounds Method）7、热对数剩余法(ADE:Alpha-derived Emissivity Method)8、剩余法（Residual Method）9、比值法（Ratio Method）10、加权比值法（Weighted R
30、atio Method）11、去相关拉伸方法12、平均最大最小值法（Mean Maxiam-Mimimum Method）13、TES算法14、分裂窗算法（Splid Window Method）第55页/共125页新疆哈密地区ASTER遥感影像（3、2、1波段合成，获取日期2000年9月7号）第56页/共125页花岗岩波普曲线 新疆哈密地区发射率制图参考通道法：1111、1212、1313波段合成Wavelength（m）Emissivity8.291000.795618.634000.812989.075000.8185710.65700.9465311.31800.96000第57页/共
31、125页 新疆哈密地区发射率制图：新疆哈密地区发射率制图：残余波普法（11、12、13波段合成）花岗岩波普曲线花岗岩波普曲线第58页/共125页6.热红外遥感应用实例 热红外遥感自从1962年第一台红外测温仪诞生起在军事、地热油气调查、地质填图、热制图、热惯量估算以及灾害监测、环境污染等方面有了非常广泛的应用，现举例如下。第59页/共125页 6.1热红外遥感在地热资源调查中的应用地热是地球赋予人类的廉价能源，可分为：水热型（有热水为主和蒸气为主两种类型）、地压型、干热岩型、岩浆型和表层型。目前能够探明的地热资源有两种：一种是“水热型”，即天然蒸气、热水、热卤水等，是目前国内外地热开发利用重点
32、；一种是“干热型”，即干热岩体和岩浆等尚处在开发试验阶段，还极少被利用。第60页/共125页第61页/共125页地球就像一个庞大的地热库，温度随深度而增加。一般每降深100m，温度增加3C，在地壳底部35km处温度可达500700C；在地幔中部100km处温度为1400C；在地核中部温度可达5000C，呈滚烫的岩浆形式存在。地壳表层以下5000m深度内、15C以上的岩石和热流体所含的热源都可认为是地热资源。第62页/共125页有人估算，整个地球约有12x1030J热量。美国科学家估算过地表10km内所含地热约有4x1026 4x1026J，按低限其能量相当于全世界煤炭储量总和，这是目前所知的理
33、论地热储量。目前的机械最大探测为7000m，其温度达200C左右，经济可采深度为2000至3000m，其温度为90C左右，这是目前国内外地热开发的主要对象。第63页/共125页世界地热的分布主要集中在：a.环太平洋地热带；b.地中海-喜马拉雅地热带；c.大西洋中部地热带；d.红海-东非地热带；e.中亚地热带，尤其以前两者最为丰富，中国正处于其中，属于地热资源较为丰富的国家。有人估算过，中国的地热资源理论储量相当于2000亿吨标准煤的燃烧量。每年仅通过温泉形式自流带出的热量就相当于380万吨标准煤的燃烧热量。第64页/共125页人类在面对环境污染的困扰、地球生态平衡的破坏、不可再生资源的匮乏、各
34、国对能源需求的急速增长的背景下,以石油、煤炭和天然气为主要能源的时代终将被核能、地热能、太阳能和风能所取代。科学家预测到2050年,新能源将成为人类主要能源。地热资源不仅仅可以洗浴和治病，它还可以广泛地应用于蒸气发电、工业烘干、空调制冷、供暖、温室种植、水产养殖、饮用矿泉、农业灌溉等领域。此外，地热水中还有碘、溴、铯、锂、铷、锗等多种矿物质,有些还可作为工业矿床开发利用。第65页/共125页第66页/共125页 热红外遥感技术是一种快速检测地面温度的新技术，它能在瞬间或比较短的时间内获取大面积地面温度场信息，它具有连续采样(面扫描)、信息量大、检测精度高(0 20 5)、一致性好、直观形象、速
35、度快、成本低和不受地面通行条件限制等优点。因此,它一问世立即引起地热工作者的极大兴趣，并将这一新技术用来进行地热资源调查，取得了许多成功经验，同时在理论探讨方面也在逐步深化，展现出它的应用前景。第67页/共125页将热红外遥感技术最早应用于地热调查中的是美国。1961年美国“陆军寒冷区域调查和工程实验室”和密执安大学，开始是用热红外扫描成像技术对美国著名的国家黄石公园中的地热进行了地热调查试验，成功的探测到了温泉出露点和近地表的地热异常。第68页/共125页Strangway和Holmar（1966）在墨西哥州的Lordsbulg区应用热红外遥感方法也探测出了一个相当于60HFU的地热异常。H
36、ochstel和Diekinson（1970）在新西兰的怀拉基区也发现了热流值相当于150HFU的地热异常，并对影响图像的外界因素，如太阳辐射、风、雾与冷凝作用及辐射系数等进行了有意义的总结。第69页/共125页Palmason等人（1970）对冰岛首都雷克雅未克基科维尔科弗焦耳等地区，应用热红外图像和航空像片对该地区的冰川覆盖下的地热进行了成功的探测。Gomezvell等人（1970）在墨西哥米却肯地区应用热红外图像和彩色红外像片解译方法和常规的电阻率法、热流测量、水文学和地球化学方法相结合对地热进行了较深入的研究工作。第70页/共125页1971年联合国承包单位（U.N.Scbcontra
37、etor）在埃塞俄比亚进行了热红外成像调查,发现了105个至少为1010的地热异常。在肯尼亚使用地物分辨率更高的热红外扫描成像方法,也发现了类似的地热异常。日本从1965年开始热红外应用研究。1973年4月至1974年3月期间,选择了20个有明显地热表现的地热区进行了包括遥感、电法、地热和重力等方法在内的综合调查研究工作,其中选择了5个地区(包括7个地热区的一部分)进行了航空热红外遥感调查,对第四纪火山机构与地热的关系进行了研究,调查中发现了一些新的地热点,并绘制了地热异常点分布图。第71页/共125页我国也曾于1979年至1981年间,先后在天津、福建和辽南地区开展过地热调查工作,其中辽南地
38、区地热调查试验取得了明显的应用效果,在技术方法的应用条件中取得了比较成功的经验。第72页/共125页 原理与方法地球表面温度的产生主要来自于太阳能的辐射加温作用，其次是来源于地球深部热源。前者以电磁波辐射形式进行热传递，它对地球表面的增热起主导作用，而且存在于地球表面的所有地方。后者则以传导和对流方式进行热传递，它主要受地质构造控制和地层岩石的物理性质影响，属于局部增温局部增温现象，只有这种热传递在地面形成的热异常才对寻找地热资源有实际意义。第73页/共125页上述这种比背景温度高的地热异常很容易被热红外探测器检测出来。航空热红外遥感技术可以精确地提供温泉点的位置和热异常的分布特征,为查清导热
39、、控热构造提供有利线索,以指导地热勘探工作。此外,在某些受岩层和第四系松散层掩盖的所谓“盲热”区,亦可通过航空热红外遥感方法,填绘浅部热含水层来帮助发现深部地热资源。第74页/共125页常用航空/卫星传感器ASTERHYMAPLANDSAT TM/ETM+MasterFTHSIHyperSpecTIR第75页/共125页 应用示范ASTER data is used to conduct over the Brady Hot Springs region第76页/共125页A true-color HyMap image subset that centers on the 40 MW Cas
40、a Diablo geothermal plant第77页/共125页第78页/共125页 存在问题(1)热红外遥感方法只能取得地表温度信息，而开采利用价值比较大的地热资源多埋藏在地下深部，或被巨厚的沉积盖层所掩盖，在没有热通道通向地表的条件下很难被发现。(2)来自地球内部的热源产生的地表温度异常，主要靠地层岩石的热传导和地下水的热对流作用，热传导率极低的岩石限制了这种异常的产生。第79页/共125页(3)成像条件选择至关重要。理想的成像条件应包括：成像季节。一般而言,地表与大气进行热交换处于平衡状态时，有利于地热异常的形成；成像时间，应该在夜间太阳辐射影响消失后，地表与大气呈现正向热交换时,
41、地热异常才能显示出来；大气对地表温度产生干扰影响最小的时候,如风、云、雨、雾、气温高低等都可成为干扰因素；成像时温度定标范围的选择，可以确定最佳温度范围和最大限度的提高图像的温度分辨率。第80页/共125页(4)热红外遥感方法只能做为地热调查中的一种技术手段使用，它不能代替常规的地热勘探方法。该技术必须与其它技术方法相配合，与专业知识相结合才能取得比较好的应用效果。第81页/共125页6.2 热红外遥感在火山喷发中的应用（基于MODIS）MODIS影像可以每两天对全球范围内的火山活动状况进行监测。基于MODIS影像的8-12um热红外谱段的光谱特征可以反演或提取 火山灰、冰、硫及硫化物的含量。
42、第82页/共125页第83页/共125页火山喷发期间，会产生大量的气体(H2O,SO2,CO2,HCl,HF,H2S,etc.)和浮尘颗粒(典型的如硫、硫化物灰尘及冰）；MODIS has the split-window channels 31,32 at ca.11 and 12 Am used to observe(Prata,1989a,b)and quantify silicate ash(Wen and Rose,1994)and ice(Rose et al.,1995).第84页/共125页It also has a channel centred at 8.65 Am 29
43、that can be used(with the splitwindow channels)to quantify SO2 SO2 burdensburdens(Realmuto et al.,1994,1997;Realmuto and Worden,2000).We can also incorporate recent modifications including an atmospheric correction(Yu et al.,2002)and multi-band sulfate retrieval,using all channels,including the 9.7-
44、Am channel 30(Yu and Rose,2001),and a new SO2 algorithm using the 7.3-Am channel 28(Prata et al.,2003,in review).All these algorithms use the spectral attenuation of infrared terrestrial radiation,between 7 and 13 Am,by volcanic species to quantify emissions during and after a volcanic event.第85页/共1
45、25页One significant improvement in using MODIS data to observe volcanic emissions is that we can now measure co-erupted species from the same image.第86页/共125页(A)Channel 1,0.62 0.67 Am,MODIS image of the Hekla eruption cloud,acquired at 1115 UT on 28 February 2000 at 250-m spatial resolution;(B)the sa
46、me image as(A)using red greenblue 28,31,32 composite at 1-km resolution;(C)the same image georeferencedsingle channel 28showing location of SO2 cloud relative to geographic boundaries.第87页/共125页 Brightness temperature difference map from an image of the Hekla volcanic cloud acquired at 1350UT on 27
47、February 2000 showing positive BTD values indicative of ice.The total mass of the ice cloud was ca.200 kt.第88页/共125页第89页/共125页 6.3热红外遥感在找油中的应用热红外遥感找油机理：主要是以油气藏烃类微渗漏理论为依据的。油气田中的烃类以微烃方式沿孔隙和微裂隙垂直向上运移并与周围物质相互作用，在地表和近地表处相对应的形成近似圆形的烃蚀变区，并产生一系列标志。其中在热红外波段范围内（8-14微米），利用遥感数据能提取热异常标志，这主要是由于烃类物质渗漏至地表或近地表后改变了地表
48、物质的理化形状，是地表物质热导率降低，热容量增加或者由于氧化热所致。一般温度比周边地区高出1-3度。第90页/共125页与陆上油气遥感直接勘探技术相同,海洋油气资源的遥感探测机理仍是以油气藏普遍存在的烃类渗漏理论为依据。只不过海上油气藏烃类渗漏受其上方海洋水体的影响,在海面形成的烃类渗漏标志有所不同,应用的具体遥感技术手段也因而有所不同。u热红外遥感在探测海上油气资源中的应用第91页/共125页无论是对油的勘探还是环境保护，发展一种通过遥感技术来探测海上浮油的可靠的方法都很重要。在勘测上，持续且可再生的海上浮油是海底石油渗漏的特征；而在环境应用上，人为造成的海上浮油的及早发现为我们既是保护日益
49、严峻的生活环境以及确认污染源大有帮助。第92页/共125页珠江口两外轮相撞后在水面形成了一条长长的油带（2004年12月7日）第93页/共125页在利用遥感探测海上浮油的技术上已经做过了相当多的努力，这些技术利用了几乎整个从紫外到微波的电磁波谱段。一个较为成功的技术是利用紫外线谱段（Maurer and Edgerton,1976;Camagni et al.,1988），但是大气传输在这个谱段非常弱，以至卫星传感器很难探测到。也有人在可见光及反射近红外谱段做过努力（Deutsch and Estes，1980），然而不同原油在这个谱段的光谱特征各不相同。方法：第94页/共125页第95页/共
50、125页且水面的粗糙度会改变水的反射，同时海上泡沫的存在也会对水的光谱反射造成影响。所以，水和浮油在可见光及近红外的反射光谱都会由于海水的状态而有所不同，从而没有一种简单的法则能在可见光及近红外谱段识别出所有的海上浮油。从雷达微波谱段获取水上浮油的虑波效果也已被探测（Estes et al.,1985），然而依然存在其它能造成与海上浮油同样虑波效果的因素，而且这种误判率非常高。第96页/共125页然而：海上浮油和海水在8-14微米的大气窗口的光谱行为特征有明显的区别并且不为各种各样所预想能改变它们的因素（如泡沫、水的搅动、浮油的厚度、浮油的年龄等）所影响。第97页/共125页第98页/共125