遙感地質(zhì)學(xué)：專題-熱紅外遙感

熱紅外遙感Thermography;NightVisionSystems地表物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)熱紅外遙感圖像的特點(diǎn)DiurnalHeatingEffects地表溫度的反演熱紅外遙感應(yīng)用Thermography;NightVisionSystems熱紅外圖像在很多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，很多用到晚上。軍事（GulfWarof1990）Manyotherapplicationscanbecited:inindustry,processcontrol,energyaudits(heatexpenditureandloss),machineryfunction;inlawenforcement,policesurveillance;infirefighting,searchandrescue,wildfirereconnaissance,smokepenetration;inmedicine,abnormalvariationsofbodyheatrelatedtodiseaseandmalfunctions,inenvironment,wildlifeobservationandmanagement,oilspilldetection;andmuchmore.Thermography;NightVisionSystemsNightGoggleswhichcanbewornbyapersondirectlyovertheeyes.Ithasprovedinvaluabletopoliceraidingabuilding,firefighters,andhunters,aswellasmilitarypersonnelincombat.Thermography;NightVisionSystemsThermography;NightVisionSystemsThewarmerareasaretheriver,particularlyalight-tonedplumethatresultsfromindustrialfluidsbeingdumpedandacoolingpondthatreceiveswaterfromanearbyplant(warmsignature).Intheresidentialsection,housesarecoolbutthestreetsdisplayhighertemperaturessincetheyareasphaltcovered(thisblacktarmaterialabsorbssolarenergyduringthedayandre-radiatesthermalenergyatnight).Thermography;NightVisionSystemsThenextsceneisacolorizeddepictionoftemperaturevariationsinaseriesofhomesandotherbuildings.Theredsandwhitedenote"hotspots"-eitherfromsmallworkshopsorfromindividualhousesinwhichexcessiveheatisbeinglost.Thermography;NightVisionSystemsHeatvariationsaboundinindividualhouses,asshownhere:Thermography;NightVisionSystemsAtthestreetlevel,thisnightsceneshowspeople,anauto,andhousesintermsofrelativehotness:Thermography;NightVisionSystemsIndividualsineverydayclothingappearasdistincttemperaturevariants.Theirfacesusuallyarewarmer(reds)thantheiroutsideclothes(incoolergreensandblues):Thermography;NightVisionSystemsThehumanbody,unclothed,revealssurprisingdifferencesintemperature,muchbeingnormalbutoccasionallywithareaswhosethermaldeparturefromthenormmayhavesignificanthealthimplications.Inthiscase,thesmallwhiteareaonthebackisindicativeofapotentialproblem.Thermography;NightVisionSystemsReturningtoaspacetheme,hereisathermalsnapshotoftheSpaceShuttleasitlandedatCapeCanaveral.解釋航天飛機(jī)的兩處熱源。地表物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)熱容HeatCapacity(C):溫度每升高1度，給定體積的材料對(duì)應(yīng)熱能(Q)增加量的度量。表示了一種材料存儲(chǔ)熱的能力,單位為calcm-3℃

-1。acalorie[cal]isthequantityofheatneededtoraiseonegramofwaterbyonedegreeCentigrade。1cal=4.184J比熱specificheat(c)

:一定條件下單位質(zhì)量的物質(zhì)升高1℃

所需的熱量，c=C/r單位為calg-1

℃

-1地表物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)熱傳導(dǎo)率ThermalConductivity(K):

熱量通過(guò)物體的速率的度量。單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量與垂直于表面方向上的溫度梯度的負(fù)值之比。單位為calcm-1sec-1

℃-1。熱慣量ThermalInertia(P):物質(zhì)對(duì)溫度變化的熱反應(yīng)的一種量度（一種材料對(duì)溫度變化的阻抗），決定于熱傳導(dǎo)率(K)，熱容量(C)和密度(r)。P=(Kcρ)1/2

單位：calcm-2sec-1/2℃

-1P是對(duì)熱傳過(guò)兩種材料邊界處的速率的度量，比如空氣/土壤。大的P對(duì)應(yīng)一個(gè)加熱/制冷周期的小的溫度變化。地表物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)熱擴(kuò)散率Thermaldiffusivity(k):

表征物質(zhì)內(nèi)部溫度變化的速率，其值決定于單位時(shí)間內(nèi)沿法線方向通過(guò)單位面積的熱量與物質(zhì)的比熱、密度、法向上溫度梯度三者的乘積之比。k=K/(cr)

單位為cm2s-1地表物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)幾種地物的熱學(xué)量:WaterSandySoilBasaltStainlessSteelK0.00140.00140.00500.030c1.02d1.01.822.807.83P0.0380.0240.0530.168以上物質(zhì)中，哪種物質(zhì)在一天24小時(shí)的周期中，溫度波動(dòng)最大？熱紅外遙感圖像的特點(diǎn)熱紅外遙感圖像與可見(jiàn)光/近紅外圖像具有明顯差別MorroBayasRecordedInDifferentTMbands

TM1TM2熱紅外遙感圖像的特點(diǎn)

TM3TM4

TM5TM6warmerslopes熱紅外遙感圖像的特點(diǎn)TM1TM7TM6WaterpocketFoldwhitesandstoneDiurnalHeatingEffects熱紅外圖象隨時(shí)間變化明顯，以亞特蘭大中心白天和黎明前的航空熱紅外圖象為例。白天的圖象類似于常規(guī)的航空相片（光照、陰影）；黎明前溫差明顯減?。o(wú)陰影），可以看到局部熱島效應(yīng)，以及由瀝青鋪設(shè)的路面。白天黎明前DiurnalHeatingEffects在一天的周期中(diurnalcycle),地表50~100cm被交替地加熱、制冷。日平均地表溫度通常與平均氣溫相近。5種表面24小時(shí)的輻射溫度變化思考：依據(jù)右圖預(yù)測(cè)沙漠表面及非流動(dòng)水體在凌晨4點(diǎn)和下午2點(diǎn)的相對(duì)灰度變化DiurnalHeatingEffects不同的熱慣量(A)、表面反照率(B)、表面發(fā)射率(C)及大氣輻射(D)與地表溫度的關(guān)系:DiurnalHeatingEffects地表30cm溫度廓線(foralowdensitysoilwithverylowthermalinertia):在地表下的一定距離，溫度趨于穩(wěn)定。這個(gè)深度可能是30-50cm(dependingonwhetheritisrockorsoil,anditsmoisturecontent),地表溫度的反演為什么要測(cè)量地表溫度？地表溫度是地-氣系統(tǒng)研究能量平衡的一個(gè)關(guān)鍵因子。除了太陽(yáng)輻照度之外，地-氣界面所有的通量都可參數(shù)化為溫度的一個(gè)函數(shù)。直接驗(yàn)證GCM輸出的地表溫度可作為GCM模型的初始化數(shù)據(jù)地表溫度的反演為什么要測(cè)量地表比輻射率？

地表比輻射率是描述表面特性的一個(gè)很好的參數(shù)。它的值取決于：表面的組成成分表面的粗糙度其它表面物理參數(shù)(比如濕度)波長(zhǎng)地表比輻射率可用來(lái)區(qū)分和識(shí)別不同的表面類型精確測(cè)定地表溫度TsTs

≈30–60De/e地表溫度的反演如何獲得地表溫度？

利用溫度計(jì)或其它點(diǎn)接觸探測(cè)頭測(cè)定受時(shí)間和空間的限制，沒(méi)有足夠的空間覆蓋數(shù)據(jù)受其它外界環(huán)境的影響很難獲得精確的表面溫度利用熱紅外輻射儀來(lái)測(cè)定在局部尺度上：地面測(cè)量在大、中尺度上：衛(wèi)星空間測(cè)量測(cè)量的量是波譜輻射能Ts，e,大氣和周圍環(huán)境地表溫度的反演—熱紅外遙感的主要原理物體的波譜輻射能和大氣窗口

物體的波譜輻射能Ll

=elBl(T)Planck定律、Wien定律、Stefan-Boltaman定律航空平臺(tái)：通常3-5μm，8-14μm航天平臺(tái)：通常3-4μm，10.5-12.5μm為什么只在晚上用3-4μm測(cè)量常溫地表？大氣窗口(3.4~4.2,4.5~5；8~9.4,10~13)地表溫度的反演—熱紅外遙感的主要原理輻射傳輸方程地表溫度的反演—熱紅外遙感的主要原理輻射傳輸方程地面：Rl=elBl(Ts)+(1-el)Ratl/p

+(1-el)Rsl/p

+rbl

Elcos(qs)tl(qs)Ts地表溫度Ratl

大氣向下輻照度Rsl

大氣對(duì)太陽(yáng)輻射能的向下散射所產(chǎn)生的輻照度rbl在太陽(yáng)角qs和觀測(cè)角q方向上的地表波譜二向性反射分布函數(shù)（BRDF）El大氣頂太陽(yáng)波譜輻照度tl大氣波譜透過(guò)率地表溫度的反演—熱紅外遙感的主要原理輻射傳輸方程輻射計(jì)觀測(cè)到的為一個(gè)波段內(nèi)的加權(quán)平均值：星載輻射計(jì)在通道i所測(cè)的輻射可以表示為：Ii

=Ri

ti

+Rati+Rsi如果忽略太陽(yáng)的貢獻(xiàn)Ii

=Ri

ti

+RatiRi=eiBi(Ts)+(1-ei)Rati/p

為了方便起見(jiàn)，人們習(xí)慣用通道i觀測(cè)的輻射亮溫Ti和地表輻射亮溫Tgi來(lái)分別代替Ii和Ri

:Ii=Bi(Ti)Ri

=Bi(Tgi)地表溫度的反演-大氣及比輻射率對(duì)測(cè)溫的影響

大氣的作用及影響吸收和再輻射（散射很小）熱紅外波段的主要吸收氣體是水蒸氣、二氧化碳和臭氧。在10~12mm里，大氣的主要吸收氣體是水蒸氣。透過(guò)率主要隨水蒸氣變化，但不僅僅是水汽總量函數(shù)，還受水蒸氣分布及大氣廓線的影響。為了對(duì)輻射傳輸方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，定義大氣有效輻射溫度：大氣有效溫度Ta

Bi(Ta)=Rati

/(1-

ti

)地表溫度的反演-大氣及比輻射率對(duì)測(cè)溫的影響普朗克函數(shù)的一階泰勒近似利用大氣有效溫度，將大氣輻射傳輸方程在Ti處進(jìn)行一級(jí)泰勒展開(kāi)，得到：

地表溫度的反演-大氣及比輻射率對(duì)測(cè)溫的影響大氣吸收和輻射所引起的溫度改正：對(duì)于干燥的大氣(ti接近于1)或者逆增的大氣溫度廓線(Ta

接近于Ti)，DTatm較小。反之對(duì)于潮濕的大氣來(lái)說(shuō)，DTatm通常很大。對(duì)于給定的大氣，大氣校正值與亮溫Ti或Tgi成線性關(guān)系。地表溫度的反演-大氣及比輻射率對(duì)測(cè)溫的影響比輻射率的影響：地表比輻射率el的變化范圍8~13mm,el可以在0.9~0.99間變化3~5mm,el變化范圍更大Planck函數(shù)的指數(shù)近似表達(dá)式Bi(T)=aiTniai

和ni是取決于參考溫度的通道常數(shù)，n11mm

≈4.5,n3mm

≈13地表溫度的反演-大氣及比輻射率對(duì)測(cè)溫的影響比輻射率的影響：比輻射率改正可近似為：可以看出，給定溫度，當(dāng)水蒸氣量變大時(shí)，bi變大，DTe變小。如果沒(méi)有大氣，bi

=0，DTe達(dá)到最大值。因此大氣越干燥，比輻射率影響越大。一定大氣，溫度越高，DTe越大。DTe大小與ni成反比。對(duì)于同樣的比輻射率誤差，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，所引起的溫度誤差越大。比輻射率誤差所引起的反演溫度的誤差:地表溫度的反演-比輻射率的測(cè)定比輻射率的測(cè)定不是按照定義的簡(jiǎn)單測(cè)量。因?yàn)?）在自然環(huán)境下要證明被測(cè)物和一個(gè)黑體的表面溫度相同很困難。2）測(cè)量到的信號(hào)包含了環(huán)境輻射，不知道比輻射率就無(wú)法與物體的輻射出射度分開(kāi)。

基于改變環(huán)境輻照度的原理，兩種測(cè)定方法：黑體筒測(cè)定法（封閉式，基于點(diǎn)的測(cè)量）非封閉測(cè)定法（疊加紅外輻射源或CO2激光輻射源）比輻射率的實(shí)驗(yàn)測(cè)定地表溫度的反演-比輻射率的測(cè)定根據(jù)可見(jiàn)光和近紅外光譜信息估計(jì)根據(jù)熱紅外光譜儀里最小比輻射率與最大相對(duì)比輻射率之差的統(tǒng)計(jì)關(guān)系來(lái)確定。在假定比輻射率不變或與溫度無(wú)關(guān)的熱紅外波譜指數(shù)不變的條件下，利用多時(shí)相數(shù)據(jù)來(lái)確定。比輻射率的空間測(cè)定地表溫度的反演-地表溫度反演算法單通道法

多通道法（分窗法）單通道多角度法多通道多角度法用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演地表溫度最早可以追溯到60年代初期發(fā)射的TIROS-II，出現(xiàn)的表面溫度反演算法可歸納為：地表溫度的反演-地表溫度反演算法單通道法利用衛(wèi)星傳感器上單獨(dú)的一個(gè)熱紅外通道獲得的輻射，借助無(wú)線電探空或衛(wèi)星遙感確定的大氣廓線數(shù)據(jù)（溫度、濕度、壓力），結(jié)合輻射傳輸方程來(lái)修正大氣和比輻射率的影響。設(shè)太陽(yáng)的影響可忽略：大氣參數(shù)的計(jì)算需要知道大氣的溫度和在通道上大氣吸收體密度的垂直廓線，而且還需知道這些大氣吸收體的物理特性。地表溫度的反演-地表溫度反演算法單通道法的精度取決于：大氣輻射傳輸模型的精度對(duì)水氣連續(xù)統(tǒng)一體的吸收還不完全清楚。相對(duì)精度約10%，且沒(méi)有溫度低于280K的有用吸收系數(shù)。

測(cè)定的或已知的通道比輻射率的精度大氣廓線的精度地表溫度的反演-地表溫度反演算法多通道法（分窗法）起初用來(lái)反演海水溫度，后被推廣到陸地。利用10~13mm里，兩個(gè)相鄰?fù)ǖ溃ㄒ粋€(gè)在11mm附近，另一個(gè)在12mm附近）上大氣的吸收作用不同，通過(guò)兩通道的組合來(lái)剔除大氣的影響水的比輻射率在熱紅外窗口10~12mm里是已知的，并且非常接近于1(≈0.99)，輻射傳輸方程可簡(jiǎn)化為：Bi(Ti)=Bi(Ts)ti

+(1-ti)Bi(Ta)海水表面溫度反演地表溫度的反演-地表溫度反演算法用泰勒級(jí)數(shù)在Ti附近的一級(jí)展開(kāi)近似普朗克函數(shù)：海水表面溫度反演可有：Ts-Ti=(1-

ti)(Ts-Ta)對(duì)通道j也有：Ts-Tj=(1-tj)(Ts-Ta)地表溫度的反演-地表溫度反演算法整理得到：海水表面溫度反演Ts=Ti+A(Ti-Tj)A=(1-ti)/(ti

-tj)如果大氣在通道i,j上吸收很小：A與大氣參數(shù)和觀測(cè)角度無(wú)關(guān)，僅取決于水蒸氣在通道i,j上吸收系數(shù)之比地表溫度的反演-地表溫度反演算法海水表面溫度反演算法的一般形式：Ts=Ti+A(Ti-Tj)+B或：Ts=aTi+bTj+c地表溫度的反演-地表溫度反演算法兩種確定系數(shù)A,B或a,b,c的方法:經(jīng)驗(yàn)法利用最小二乘法通過(guò)對(duì)亮溫和海面實(shí)測(cè)溫度的擬合模擬法通過(guò)有大氣輻射傳輸模型的計(jì)算程序產(chǎn)生不同條件的模擬數(shù)據(jù)，進(jìn)行擬合。(會(huì)產(chǎn)生不同的系數(shù))當(dāng)水蒸氣量W介于0.5和2g/cm2之間時(shí)，A和B幾乎為常數(shù)，與水蒸氣量和觀測(cè)角無(wú)關(guān)。當(dāng)W>2g/cm2時(shí)，需精確給出A和B與與水蒸氣量和觀測(cè)角的函數(shù)關(guān)系。海水表面溫度反演地表溫度的反演-地表溫度反演算法分窗技術(shù)用到海水表面溫度反演很成功，可以小于0.7K誤差，但在陸地上比海面困難許多。陸地表面溫度的反演精度受下面幾種因素影響：陸地表面的比輻射率在時(shí)空領(lǐng)域變化大(11~12mm0.9~0.99)陸地表面的比輻射率隨波長(zhǎng)變化陸地表面的比輻射率隨觀測(cè)角變化陸地表面溫度和近地表氣溫差遠(yuǎn)大于海水表面溫度和近海水氣溫差（普朗克一級(jí)近似不適用）陸地表面溫度在一個(gè)像元內(nèi)變化很大地表反射的大氣向下輻射不可忽略陸地表面溫度反演地表溫度的反演-地表溫度反演算法分窗技術(shù)的主要目的是剔除大氣的影響，一般形式：Ts=a(atm,q,ei,ej)Ti+b(atm,q,

ei,

ej)Tj+c(atm,q,

ei,

ej)思路：分段考慮對(duì)不同的大氣，觀測(cè)角度及地表參數(shù)進(jìn)行模擬。所有的方法僅在一定范圍內(nèi)有效。地表溫度的反演-地表溫度反演算法通過(guò)誤差分析，目前用分窗技術(shù)反演的地表溫度的精度在1~2K之間，取決于大氣和比輻射率的校正誤差，大氣和比輻射率的校正誤差又取決于水蒸氣量和比輻射率的測(cè)定誤差。例：Sobrinoetal.,1996:(NOAA11)g0=0.4–0.48W;g1=2+0.28W;g2=53.1–3.6W;g3=-148.6+26.1W;地表溫度的反演-地表溫度反演算法

如何減少大氣水蒸氣量的測(cè)定誤差如何減少比輻射率的測(cè)定誤差如何在地面上驗(yàn)證地表溫度的反演算法地表溫度的時(shí)空變化，點(diǎn)與面相比的意義？由于缺乏地面有效的表面溫度測(cè)量，由衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的地表溫度的精度目前只能通過(guò)理論誤差分析和反演算法間的相互比較來(lái)估計(jì)。未來(lái)可能的發(fā)展方向地表溫度的反演-地表溫度反演算法單通道多角度法同一物體從不同角度觀測(cè)所經(jīng)過(guò)的大氣路徑不同而產(chǎn)生不同的大氣吸收。象分窗算法，大氣的作用可通過(guò)單通道在不同角度觀測(cè)下所獲得的亮溫的線性組合來(lái)消除。大量的工作用于研究海水表面溫度的反演只有少量的關(guān)于陸面溫度反演的研究。（由于不同角度的地面分辨率不同，以及陸地表面狀況很不均勻和地物類型復(fù)雜）地表溫度的反演-地表溫度反演算法多通道多角度法提供了反演組分溫度的可能。熱紅外遙感應(yīng)用FireMonitoring,MappingandModelingSystem:

FireM3FireM3detectionAlgorithm(NOAA-14AVHRR)SingledateAVHRRCalibration,radiometricandgeometriccorrectionTemperatureband3(T3)>315KNOYesFirepixelFireclearpixelLietal.,1998CCRSW