遥感地质学：专题-热红外遥感

热红外遥感Thermography;NightVisionSystems地表物质的热学性质热红外遥感图像的特点DiurnalHeatingEffects地表温度的反演热红外遥感应用Thermography;NightVisionSystems热红外图像在很多领域有广泛的应用，很多用到晚上。军事（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.解释航天飞机的两处热源。地表物质的热学性质热容HeatCapacity(C):温度每升高1度，给定体积的材料对应热能(Q)增加量的度量。表示了一种材料存储热的能力,单位为calcm-3℃

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

:一定条件下单位质量的物质升高1℃

所需的热量，c=C/r单位为calg-1

℃

-1地表物质的热学性质热传导率ThermalConductivity(K):

热量通过物体的速率的度量。单位时间内通过单位面积的热量与垂直于表面方向上的温度梯度的负值之比。单位为calcm-1sec-1

℃-1。热惯量ThermalInertia(P):物质对温度变化的热反应的一种量度（一种材料对温度变化的阻抗），决定于热传导率(K)，热容量(C)和密度(r)。P=(Kcρ)1/2

单位：calcm-2sec-1/2℃

-1P是对热传过两种材料边界处的速率的度量，比如空气/土壤。大的P对应一个加热/制冷周期的小的温度变化。地表物质的热学性质热扩散率Thermaldiffusivity(k):

表征物质内部温度变化的速率，其值决定于单位时间内沿法线方向通过单位面积的热量与物质的比热、密度、法向上温度梯度三者的乘积之比。k=K/(cr)

单位为cm2s-1地表物质的热学性质几种地物的热学量:WaterSandySoilBasaltStainlessSteelK0.00140.00140.00500.030c1.02d1.01.822.807.83P0.0380.0240.0530.168以上物质中，哪种物质在一天24小时的周期中，温度波动最大？热红外遥感图像的特点热红外遥感图像与可见光/近红外图像具有明显差别MorroBayasRecordedInDifferentTMbands

TM1TM2热红外遥感图像的特点

TM3TM4

TM5TM6warmerslopes热红外遥感图像的特点TM1TM7TM6WaterpocketFoldwhitesandstoneDiurnalHeatingEffects热红外图象随时间变化明显，以亚特兰大中心白天和黎明前的航空热红外图象为例。白天的图象类似于常规的航空相片（光照、阴影）；黎明前温差明显减小（无阴影），可以看到局部热岛效应，以及由沥青铺设的路面。白天黎明前DiurnalHeatingEffects在一天的周期中(diurnalcycle),地表50~100cm被交替地加热、制冷。日平均地表温度通常与平均气温相近。5种表面24小时的辐射温度变化思考：依据右图预测沙漠表面及非流动水体在凌晨4点和下午2点的相对灰度变化DiurnalHeatingEffects不同的热惯量(A)、表面反照率(B)、表面发射率(C)及大气辐射(D)与地表温度的关系:DiurnalHeatingEffects地表30cm温度廓线(foralowdensitysoilwithverylowthermalinertia):在地表下的一定距离，温度趋于稳定。这个深度可能是30-50cm(dependingonwhetheritisrockorsoil,anditsmoisturecontent),地表温度的反演为什么要测量地表温度？地表温度是地-气系统研究能量平衡的一个关键因子。除了太阳辐照度之外，地-气界面所有的通量都可参数化为温度的一个函数。直接验证GCM输出的地表温度可作为GCM模型的初始化数据地表温度的反演为什么要测量地表比辐射率？

地表比辐射率是描述表面特性的一个很好的参数。它的值取决于：表面的组成成分表面的粗糙度其它表面物理参数(比如湿度)波长地表比辐射率可用来区分和识别不同的表面类型精确测定地表温度TsTs

≈30–60De/e地表温度的反演如何获得地表温度？

利用温度计或其它点接触探测头测定受时间和空间的限制，没有足够的空间覆盖数据受其它外界环境的影响很难获得精确的表面温度利用热红外辐射仪来测定在局部尺度上：地面测量在大、中尺度上：卫星空间测量测量的量是波谱辐射能Ts，e,大气和周围环境地表温度的反演—热红外遥感的主要原理物体的波谱辐射能和大气窗口

物体的波谱辐射能Ll

=elBl(T)Planck定律、Wien定律、Stefan-Boltaman定律航空平台：通常3-5µm，8-14µm航天平台：通常3-4µm，10.5-12.5µm为什么只在晚上用3-4µm测量常温地表？大气窗口(3.4~4.2,4.5~5；8~9.4,10~13)地表温度的反演—热红外遥感的主要原理辐射传输方程地表温度的反演—热红外遥感的主要原理辐射传输方程地面：Rl=elBl(Ts)+(1-el)Ratl/p

+(1-el)Rsl/p

+rbl

Elcos(qs)tl(qs)Ts地表温度Ratl

大气向下辐照度Rsl

大气对太阳辐射能的向下散射所产生的辐照度rbl在太阳角qs和观测角q方向上的地表波谱二向性反射分布函数（BRDF）El大气顶太阳波谱辐照度tl大气波谱透过率地表温度的反演—热红外遥感的主要原理辐射传输方程辐射计观测到的为一个波段内的加权平均值：星载辐射计在通道i所测的辐射可以表示为：Ii

=Ri

ti

+Rati+Rsi如果忽略太阳的贡献Ii

=Ri

ti

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

为了方便起见，人们习惯用通道i观测的辐射亮温Ti和地表辐射亮温Tgi来分别代替Ii和Ri

:Ii=Bi(Ti)Ri

=Bi(Tgi)地表温度的反演-大气及比辐射率对测温的影响

大气的作用及影响吸收和再辐射（散射很小）热红外波段的主要吸收气体是水蒸气、二氧化碳和臭氧。在10~12mm里，大气的主要吸收气体是水蒸气。透过率主要随水蒸气变化，但不仅仅是水汽总量函数，还受水蒸气分布及大气廓线的影响。为了对辐射传输方程进行简化，定义大气有效辐射温度：大气有效温度Ta

Bi(Ta)=Rati

/(1-

ti

)地表温度的反演-大气及比辐射率对测温的影响普朗克函数的一阶泰勒近似利用大气有效温度，将大气辐射传输方程在Ti处进行一级泰勒展开，得到：

地表温度的反演-大气及比辐射率对测温的影响大气吸收和辐射所引起的温度改正：对于干燥的大气(ti接近于1)或者逆增的大气温度廓线(Ta

接近于Ti)，DTatm较小。反之对于潮湿的大气来说，DTatm通常很大。对于给定的大气，大气校正值与亮温Ti或Tgi成线性关系。地表温度的反演-大气及比辐射率对测温的影响比辐射率的影响：地表比辐射率el的变化范围8~13mm,el可以在0.9~0.99间变化3~5mm,el变化范围更大Planck函数的指数近似表达式Bi(T)=aiTniai

和ni是取决于参考温度的通道常数，n11mm

≈4.5,n3mm

≈13地表温度的反演-大气及比辐射率对测温的影响比辐射率的影响：比辐射率改正可近似为：可以看出，给定温度，当水蒸气量变大时，bi变大，DTe变小。如果没有大气，bi

=0，DTe达到最大值。因此大气越干燥，比辐射率影响越大。一定大气，温度越高，DTe越大。DTe大小与ni成反比。对于同样的比辐射率误差，波长越长，所引起的温度误差越大。比辐射率误差所引起的反演温度的误差:地表温度的反演-比辐射率的测定比辐射率的测定不是按照定义的简单测量。因为1）在自然环境下要证明被测物和一个黑体的表面温度相同很困难。2）测量到的信号包含了环境辐射，不知道比辐射率就无法与物体的辐射出射度分开。

基于改变环境辐照度的原理，两种测定方法：黑体筒测定法（封闭式，基于点的测量）非封闭测定法（叠加红外辐射源或CO2激光辐射源）比辐射率的实验测定地表温度的反演-比辐射率的测定根据可见光和近红外光谱信息估计根据热红外光谱仪里最小比辐射率与最大相对比辐射率之差的统计关系来确定。在假定比辐射率不变或与温度无关的热红外波谱指数不变的条件下，利用多时相数据来确定。比辐射率的空间测定地表温度的反演-地表温度反演算法单通道法

多通道法（分窗法）单通道多角度法多通道多角度法用卫星遥感数据反演地表温度最早可以追溯到60年代初期发射的TIROS-II，出现的表面温度反演算法可归纳为：地表温度的反演-地表温度反演算法单通道法利用卫星传感器上单独的一个热红外通道获得的辐射，借助无线电探空或卫星遥感确定的大气廓线数据（温度、湿度、压力），结合辐射传输方程来修正大气和比辐射率的影响。设太阳的影响可忽略：大气参数的计算需要知道大气的温度和在通道上大气吸收体密度的垂直廓线，而且还需知道这些大气吸收体的物理特性。地表温度的反演-地表温度反演算法单通道法的精度取决于：大气辐射传输模型的精度对水气连续统一体的吸收还不完全清楚。相对精度约10%，且没有温度低于280K的有用吸收系数。

测定的或已知的通道比辐射率的精度大气廓线的精度地表温度的反演-地表温度反演算法多通道法（分窗法）起初用来反演海水温度，后被推广到陆地。利用10~13mm里，两个相邻通道（一个在11mm附近，另一个在12mm附近）上大气的吸收作用不同，通过两通道的组合来剔除大气的影响水的比辐射率在热红外窗口10~12mm里是已知的，并且非常接近于1(≈0.99)，辐射传输方程可简化为：Bi(Ti)=Bi(Ts)ti

+(1-ti)Bi(Ta)海水表面温度反演地表温度的反演-地表温度反演算法用泰勒级数在Ti附近的一级展开近似普朗克函数：海水表面温度反演可有：Ts-Ti=(1-

ti)(Ts-Ta)对通道j也有：Ts-Tj=(1-tj)(Ts-Ta)地表温度的反演-地表温度反演算法整理得到：海水表面温度反演Ts=Ti+A(Ti-Tj)A=(1-ti)/(ti

-tj)如果大气在通道i,j上吸收很小：A与大气参数和观测角度无关，仅取决于水蒸气在通道i,j上吸收系数之比地表温度的反演-地表温度反演算法海水表面温度反演算法的一般形式：Ts=Ti+A(Ti-Tj)+B或：Ts=aTi+bTj+c地表温度的反演-地表温度反演算法两种确定系数A,B或a,b,c的方法:经验法利用最小二乘法通过对亮温和海面实测温度的拟合模拟法通过有大气辐射传输模型的计算程序产生不同条件的模拟数据，进行拟合。(会产生不同的系数)当水蒸气量W介于0.5和2g/cm2之间时，A和B几乎为常数，与水蒸气量和观测角无关。当W>2g/cm2时，需精确给出A和B与与水蒸气量和观测角的函数关系。海水表面温度反演地表温度的反演-地表温度反演算法分窗技术用到海水表面温度反演很成功，可以小于0.7K误差，但在陆地上比海面困难许多。陆地表面温度的反演精度受下面几种因素影响：陆地表面的比辐射率在时空领域变化大(11~12mm0.9~0.99)陆地表面的比辐射率随波长变化陆地表面的比辐射率随观测角变化陆地表面温度和近地表气温差远大于海水表面温度和近海水气温差（普朗克一级近似不适用）陆地表面温度在一个像元内变化很大地表反射的大气向下辐射不可忽略陆地表面温度反演地表温度的反演-地表温度反演算法分窗技术的主要目的是剔除大气的影响，一般形式：Ts=a(atm,q,ei,ej)Ti+b(atm,q,

ei,

ej)Tj+c(atm,q,

ei,

ej)思路：分段考虑对不同的大气，观测角度及地表参数进行模拟。所有的方法仅在一定范围内有效。地表温度的反演-地表温度反演算法通过误差分析，目前用分窗技术反演的地表温度的精度在1~2K之间，取决于大气和比辐射率的校正误差，大气和比辐射率的校正误差又取决于水蒸气量和比辐射率的测定误差。例：Sobrinoetal.,1996:(NOAA11)g0=0.4–0.48W;g1=2+0.28W;g2=53.1–3.6W;g3=-148.6+26.1W;地表温度的反演-地表温度反演算法

如何减少大气水蒸气量的测定误差如何减少比辐射率的测定误差如何在地面上验证地表温度的反演算法地表温度的时空变化，点与面相比的意义？由于缺乏地面有效的表面温度测量，由卫星数据反演的地表温度的精度目前只能通过理论误差分析和反演算法间的相互比较来估计。未来可能的发展方向地表温度的反演-地表温度反演算法单通道多角度法同一物体从不同角度观测所经过的大气路径不同而产生不同的大气吸收。象分窗算法，大气的作用可通过单通道在不同角度观测下所获得的亮温的线性组合来消除。大量的工作用于研究海水表面温度的反演只有少量的关于陆面温度反演的研究。（由于不同角度的地面分辨率不同，以及陆地表面状况很不均匀和地物类型复杂）地表温度的反演-地表温度反演算法多通道多角度法提供了反演组分温度的可能。热红外遥感应用FireMonitoring,MappingandModelingSystem:

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