地质大遥感地质学课件07热红外遥感

第七章热红外遥感热红外遥感是探测目标物的热辐射信息，根据黑体热辐射维恩位移定律公式计算，地表平均温度约288K，热辐射峰值波长为10．06μm，高温(500K～800K)地物辐射峰值波长在3.6—5.8μm。常温、高温地物最大的热辐射波长范围在中、远红外，热红外传感器可接收到足够辐射能量，因此对于地球资源和环境调查及监测，热红外遥感工作波段选择在中、远红外。中、远红外大气窗口有3.5～5μm和8～14μm，臭氧在9～l0μm范围内有弱的吸收作用，因而在9～l0μm范围内，在臭氧层下的机载热红外系统探测不受影响，航天热红外系统探测应给于考虑。

中红外波段

白天地物既有热辐射，又有反射太阳的辐射，高温地物热辐射大于它的反射，而常温地物热辐射小于它的反射，白天的中红外图像解译比较困难，

夜间由于常温地物热辐量小，因此夜间的中红外图像对常温地物解译效果差，而对高温地物解译效果明显，如森林起火、火山喷发等。远红外波段白天太阳辐射能量很少，地物反射太阳能量可以忽略不计，且常温地物热辐射峰值波长处于远红外，因此8～14μm热红外遥感是探测地物自身发射电磁波信息是遥感应用最广的波段范围，热红外遥感可以白天和夜间成像。

一、地物的热辐射特征

根据斯忒藩一玻尔滋曼定律公式及地物发射率定义公式，可推导出地物热辐射量计算公式，即

M＝σεT4式中σ为斯忒藩一玻尔滋曼常数，ε为地物发射率，T为地物的绝对温度从公式看出，地物的热辐射量的大小与它的发射率和温度的四次方成正比，即地物的温度引起的热辐射量差异远比地物发射率引起的热辐射量差异大得多，因此宽谱带红外遥感是探测地表温度的一种好办法。

地球表面有少数物体其能量来源(即物体的温度)于地球内部的能量和放射性元素蜕变释放的能量、化学变化释放的能量，它们的温度高于周围地物的温度，这种温度异常热红外遥感很容易探测。绝大多数物体其温度和能量来源于太阳，太阳日周期性辐射对地物的温度影响很大，白天在日照条件下地物增温，日落后地物降温。不同地物在太阳辐射的日周期变化下，白天增温的幅度与夜间降温的幅度却是不同的。如图3—39，岩石和土壤的温度在白天温度上升幅度大，在夜间降温幅度大；而植物、水体在白天增温幅度小，在夜间降温幅度小，这一特点主要取决于地物本身的热学性质。不同热学性质的物体在白天或夜间其温度是不同的，因而引起它们热辐射的差异，因此热红外遥感又可探测具有不同热学性质的地物。

(一)地物的热学性质

地物的热学性质可以用地物的热惯量、热传导率、热容量及热扩散率加以表述。其中热惯量是影响地物表面温度的决定因素。

1，物体的热惯量(P)

物体的热惯量是指物体阻止其温度变化程度的一种量度，换句话说，是物体对外界温度变化反应敏感程度的量度。热惯量大的物体对外界温度变化反映缓慢，热惯量小的物体，对外界温度变化反映较敏感。热惯量（P）可表示为

P＝√KρC式中K为物体的热传导率，ρ为物体密度，C为热容量从上式中可看出，物体的密度、传导率、热容量不同，其热惯量不同。在太阳日周期变化条件下，其温度上升、下降的幅度也是不同的，因此地面物体的热惯量值是进行热红外图像解译的必不可少的物理参数。不同岩石的热学性质参数见表3—10，从表中可以看出沉积岩热惯最值最高，在0.092～0.0643之间，其中白云岩最高，其次水镁大理岩、石英岩、石英砂岩；页岩的热惯量值最低。变质岩热惯量值居中，岩浆岩热惯量值均偏低，在0.0623～0.047之间，由中性一酸性一碱性岩有逐渐变小的趋势。粗粒结构的岩石比细粒结构的岩石的热惯量要低。

通过实验测量表明，影响岩石热惯量的因素主要是热传导率，其次是比热和物质的密度，而Si02含量对物质的热惯量没有影响。

水体的热惯量极大，平静的水体P＝13400，慢流水P＝330000，而快流水P＝710000(这里P的单位为焦耳／米2·秒1/2K)。2、热惯量影响地物温度变化的规律地物在太阳昼夜变化下，具有不同热惯量的物体其温度变化如图3—40，从图中可以看出，在五种不同岩性中，白天热惯量最大的白云岩温度最低，在夜间温度最高，温度日周期变化为15℃，而热惯量小的闪长岩，白天温度最高，夜间温度最低，温度日周期变化为27℃。不同热惯量的五种岩性的日周期温度变化曲线有两个交点，即岩石表面温度基本一样，在日出和日落后1，5小时左右，最大的温度差在中午12点～16点和午夜零点到凌晨6点。

在白天热惯量大的白云岩分布区为“冷区”，闪长岩分布区为“暖区”；在夜间白云岩分布区为“暖区”，闪长岩分布为“冷区”。在白天水体与岩石、土壤，岩石、土壤分布区为“暖区”，水体分布区为“冷区”；在夜间，水体分布区为“暖区”，岩石、土壤分布区为“冷区”(图3—39)。这些地物热学性质的差异表现出的温度差，在热红外遥感图像上可显示出来，尤其在夜间的热红外图像上所表现出的温度差更为明显。3.发射率影响温度的变化规律不同发射率的岩石在日周期温度变化下温度变化规律如图3—41所示。发射率大的岩石昼夜的辐射温度都比较低，发射率低的岩石昼夜的辐射温度都比较高，最大的温度差在中午和夜间凌晨，且夜间温度差较白天大。此外，地形、天气变化、成像时间环境等对地物温度也有影响，如白天地形所造成的阳坡、阴坡温度有明显不同，特殊的地形如风口或山谷，冷风或热风的吹拂比周围温度偏低或偏高，天气突然降温造成局部温度异常等都可影响地物的温度(二)地物的发射率物体的发射率取决于物体成分、结构及其表面状况等物理性质，在同温度下发射率是波长的函数。表3—11是常温下几种岩石在8～13μm的平均发射率。岩石发射率不仅与其矿物成分、晶体化学特点、岩石结构有关，而且与地物表面粗糙度有关，通常情况下粗糙的表面要比平滑的表面发射能力强。图3—42是岩浆岩类岩石的发射波谱曲线，它有明显的变化规律，即不同岩石的发射率都有一个极小值，极小值相应波长是不同的，如花岗岩发射率极小值波长在8.8μm处，中性安山岩在9.7μm处，基性玄武岩在10.4μm处，超基性纯橄榄岩在10.4μm处。总之，随着SiO2含量的减少，发射率最小值的波长逐渐增大图3—43是10种沉积岩发射波谱曲线，这10种沉积岩岩性及化学成分见表3一l2；碳酸盐岩类岩石在1l.3μm附近有低的发射率波谱带，为C03/2—基团内部基谐振动引起的特征波谱带，如图3—43中的l、2、3、4曲线；碎屑岩中由于石英和硅质岩屑中Si—O基团伸缩振动引起在8.lμm、9.2μm有低发射率特征波谱带，如图中9、10曲线；以粘土矿物为主的泥质岩石，在8．0～10，0μm存在着Si—O基团伸缩振动引起的低的宽缓的波谱带为特征但其谱带的中心波长比碎屑岩中心波长略长，如7、8曲线。碎屑岩中随着钙质胶结和粘土矿物含量增高，会导致在11．3μm、12.5μm附近的CO3/2-基团内部基谐振动谱带和AL—O—H基团弯曲振动谱带出现；碳酸盐岩中随着石英和粘土矿物含量增高，会导致在8.0～10.0μm之间Si—O基团伸缩振动谱带出现，如图中5、6曲线。l、2、3、4曲线为碳酸盐岩类岩石在1l.3μm附近有低的发射率波谱带，9、10曲线为碎屑岩中由于石英和硅质岩屑中Si—O基团伸缩振动引起在8.lμm－9.2μm有低发射率特征波谱带7、8曲线为碎屑岩中随着钙质胶结和粘土矿物含量增高，会导致在11.3μm12.5μm附近的CO3/2-基团内部基谐振动谱带和AL—O—H基团弯曲振动谱带出现。5、6曲线为碳酸盐岩中随着石英和粘土矿物含量增高，会导致在8.0～10.0μm之间Si—O基团伸缩振动谱带出现。

综上所述，地物的热辐射取决于它的温度和发射率，在热红外的宽谱带地物温度对其热辐射量有较大的影响，地物的温度稍有变化就会引起其热辐射较大的变化。地物的热学性质不同引起地物的温度变化亦不同，致使热辐射发生变化，因此宽谱带的热红外是探测地物的热异常及地物的热学性质。沉积岩、岩浆岩具有特征的发射波谱曲线，它们的特征谱线取决于岩石的成分及其含量，因而热红外多波段图像可直接探测岩石的成分信息，识别不同的岩性，从而进行地质制图。(一)热红外图像波谱特性热红外图像记录了地物热辐射的强弱，热辐射强的地物在图像上呈浅色调，反之，热辐射弱的地物在图像上呈深色调。辐射量的大小通常用辐射温度(又称亮度温度)表示，辐射温度等于同等能量黑体的温度。热红外扫描仪内有参考辐射源，根据接收到地物的热辐射能量大小标定的温度为黑体的温度，地物的辐射温度(Tb)与实际温度(T)的关系为

Tb＝εT

从上式中可知，地物的辐射温度都低于地物的实际温度。热红外图像色调记录了地物瞬时的辐射温度，辐射温度高的地物在图像上为浅色调，辐射温度低的地物在图像上为深色调。在热红外图像上有灰阶和彩色标尺(彩色图像)，每一个灰阶或色彩表示一定的辐射温度范围。根据3—5式将辐射温度换算成地物实际温度，所以热红外图像的色调实际上是记录了地物的温度，温度高的地物在热红外图像上为浅色调，温度低的地物在图像上为深色调。如地表热水、热泉水、放射性矿物由于蜕变较周围岩石温度稍高，在白天或夜间的热红外图像上均为浅色调显示。又如水体与岩石、土壤，在白天的热红外图像上，水体为“冷区”显示深色调，岩石、土壤为“暖区”显示浅色调；在夜间的热红外图像上，水体为“暖区”显示浅色调，岩石、土壤为“冷区”显示深色调，如白云岩P＝0.0962，灰岩P＝0.0765，花岗岩P＝0.0593土，它们的热惯量差异较大，夜间白云岩区为暖区，在热红外图像上呈浅色调，花岗岩分布区为“冷区”，在图像上呈深色调(图3—44)。(二)热红外图像热阴影及热晕效应由于地形的影响，使得白天阳坡、阴坡的温度存在着较大的差异，因此在白天热红外图像上存在着阴影称热阴影，在日落后，当阳坡与阴坡的温度差异还未消失，获得的热红外图像仍存在着热阴影，热阴影持续的时间随地物的热学性质差异有长有短，一般在黎明前基本消失，此时的热红外图像不存在热阴影，区分不同热学性质地物的效果最好。热红外图像的地面分辨率比较低，小的热目标通过温度差异显示出来，热目标与相邻地物的温度不会截然变化，因此，它的大小通常比实际目标要大，尤其是温度比较高的地物在热红外图像上的阴影比原地物大许多倍，这就是热红外图像的热晕效应．(三)热红外图像的温度分辨率热红外图像有两种分辨率，一是地面分辨率二是温度分辨率。

温度分辨率指能分辨出地面上最小的温度差异。现代技术条件可以使热红外扫描仪温度分辨率达到0.01℃，但是由于提高图像的温度分辨率必须加大扫描仪的瞬时视场角，因而在提高图像温度分辨率的同时，降低了图像的地面分辨率，对于资源遥感图像希望有一定的地面分辨率，又有一定的温度分辨率，往往热红外图像温度分辨率在0.1—0．5℃之间。

(四)热红外图像信息特征

热红外图像是地表温度分布的图像，利用它可以作温度等值线图，固定地表热异常，寻找地热资源、放射性矿、硫化矿，可固定并监测工业热污染和化学污染区．水有特殊的热学性质在热红外图像上反应敏感，对于识别水体寻找水体、浅层地下水、水库漏水、含水量不同的沉积物，发现古河道、研究河流的变迁。充水断裂等效果比较好。对于火山、森林火灾可进行连续监测、预报、预警、圈定准确位置、火势强弱的评估等。利用热红外图像热异常区可进行地震预报，因在地震发生前，地表电磁场的异常变化会轰击岩层，裂缝中释放出热量，使得地震区的低空大气增温，通过连续的热红外图像结合地形、地貌等气象情况，进行综合分析、判断地震可能发生的地区、震级和时间，对地震进行预报。另外，在地震