第三章熱紅外遙感遙感地學(xué)應(yīng)用第三章熱紅外遙感遙感地學(xué)應(yīng)用第三章熱紅外遙感熱紅外遙感基本概念熱紅外遙感輻射源熱紅外遙感輻射的影響因素?zé)峒t外遙感系統(tǒng)地表溫度反演算法第三章熱紅外遙感熱紅外遙感基本概念1、熱紅外遙感基本概念1、熱紅外遙感基本概念熱紅外遙感定義紅外遙感包括：近紅外遙感中紅外遙感熱紅外遙感熱紅外遙感就是利用傳感器收集、記錄地物的熱紅外信息，并利用其來(lái)識(shí)別地物和反演地表參數(shù)（溫度、濕度、熱慣量等）的技術(shù)系統(tǒng)。熱紅外遙感定義紅外遙感包括：熱紅外遙感基本原理物體溫度高于絕對(duì)零度---發(fā)射紅外能量熱輻射能量強(qiáng)度和波譜分布由物質(zhì)類型和溫度決定熱紅外遙感的實(shí)質(zhì)是對(duì)地球熱輻射場(chǎng)的研究熱紅外遙感基本原理物體溫度高于絕對(duì)零度---發(fā)射紅外能量熱紅外遙感基本概念黑體基爾霍夫定律普朗克定律波爾茲曼定律維恩位移定律比輻射率熱紅外遙感基本概念黑體7

一般物體的紅外輻射率和吸收率都小于1，并且其輻射和吸收能力都與表面溫度和波長(zhǎng)有關(guān)。

黑體的紅外輻射率和吸收率為1（客觀世界不存在），其意義體現(xiàn)在為衡量自然物體的紅外輻射和吸收能力建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

黑體假想的全部吸收和輻射紅外電磁波的理想體，其紅外吸收和輻射能力與溫度無(wú)關(guān)。7一般物體的紅外輻射率和吸收率都小于1，并且其輻射和黑體輻射絕對(duì)黑體——任何波長(zhǎng)的電磁輻射全部吸收。1860年基爾霍夫：好的吸收體也是好的輻射體。一個(gè)不透明的物體，對(duì)反射到它上面的電磁波只有光譜吸收率和光譜反射率，二者之和恒等于1。絕對(duì)黑體：絕對(duì)白體：黑體輻射絕對(duì)黑體——任何波長(zhǎng)的電磁輻射全部吸收。普朗克定律1900年普朗克用量子理論推導(dǎo)出普朗克定律黑體輻射通量密度與溫度、波長(zhǎng)的關(guān)系滿足普朗克定律：Planck’sLaw普朗克定律1900年普朗克用量子理論推導(dǎo)出普朗克定律波爾茲曼定律與曲線下的面積成正比的總輻射通量密度W是隨溫度T的增加而迅速增加，總輻射通量密度W可在從0到無(wú)窮大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。對(duì)普朗克公式進(jìn)行積分，可得到面積的黑體輻射到半球空間里的總輻射通量密度的表達(dá)式是：波爾茲曼定律與曲線下的面積成正比的總輻射通量密度W是隨溫度T維恩位移定律分譜輻射能量密度的峰值波長(zhǎng)隨溫度的增加向短波方向移動(dòng)，微分普朗克公式，并求極值。維恩位移定律表明：黑體的絕對(duì)溫度增高時(shí)，它的最大輻射本領(lǐng)向短波方向位移。若知道了某物體溫度，就可以推算出它所輻射的波段。在遙感技術(shù)上，常用這種方法選擇傳感器和確定對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行熱紅外遙感的最佳波段。維恩位移定律分譜輻射能量密度的峰值波長(zhǎng)隨溫度的增加向短波方向比輻射率比輻射率通常用ε表示，定義為：物體在溫度T、波長(zhǎng)λ處的輻射強(qiáng)度與同溫度、同波長(zhǎng)下的黑體輻射強(qiáng)度的比值。黑體是一種理想物體，自然界中并不存在這樣的物體，大多數(shù)是灰體。因此地表溫度的反演需要考慮比輻射率的影響。如果沒(méi)有大氣的影響，地物的真實(shí)溫度可以直接用比輻射率求解。比輻射率比輻射率通常用ε表示，定義為：物體在溫度T、波長(zhǎng)λ熱輻射傳輸方程式中z是高度(z0表示地表面，zsat表示衛(wèi)星高度)；是大氣的總光譜透過(guò)率；A是大氣的向下光譜輻射量。公式右邊第1項(xiàng)表示地表面的光譜輻射量，第2項(xiàng)是地表面反射回來(lái)的太陽(yáng)和大氣輻射量，第3項(xiàng)是大氣的向上輻射對(duì)衛(wèi)星遙感器所接收到的輻射信號(hào)的貢獻(xiàn)。由于大氣質(zhì)量的分層性，大氣對(duì)遙感器信號(hào)的貢獻(xiàn)主要來(lái)自大氣低層，即接近地球表面的低層大氣的作用明顯大于大氣上層的作用。

熱輻射傳輸方程式中z是高度(z0表示地表面，zsat表示衛(wèi)星遙感地學(xué)應(yīng)用03-熱紅外遙感ppt課件

Bi(Ti)=i()[iBi(Ts)+(1-i)Ii]+Ii

WhereBi(Ti)

observedradiance

Bi(Ts) groundradiance

Ii

downwellatmosphericradiance

Ii

upwellatmosphericradiance

i()

atmospherictransmittance

i groundemissivity

i channelThermalradiancetransferequationBi(Ti)=i()[iBi(Ts)+(1-i)IAtmosphericemissions

式中Tz是高程為z處的氣溫，是遙感器的視角，Z是遙感器的高程，i(,z,Z)表示從高程z到遙感器高程Z之間的大氣向上透射率。’是大氣的向下輻射方向，’i(’,z,0)表示從高程z到地表之間的大氣向下透射率。Atmosphericemissions

2、熱紅外遙感輻射源2、熱紅外遙感輻射源輻射源自然輻射源太陽(yáng)輻射：可見(jiàn)光和近紅外的主要輻射源常用5900K的黑體輻射來(lái)模擬大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、反射和散射地球的電磁輻射：近似300K的黑體輻射。小于的波長(zhǎng)主要是太陽(yáng)輻射的能量；大于的波長(zhǎng)主要是地物自身的熱輻射；之間，太陽(yáng)和地球的熱輻射都要考慮。人工輻射源微波輻射源：0.8--30cm激光輻射源：激光雷達(dá)（測(cè)定衛(wèi)星的位置、高度、速度、測(cè)量地形等）。輻射源自然輻射源太陽(yáng)輻射太陽(yáng)是被動(dòng)遙感最主要的輻射源，遙感傳感器從空中或空間接收地物反射的電磁波。地球系統(tǒng)的能量絕大多數(shù)（>99%）來(lái)源于太陽(yáng)。太陽(yáng)輻射5%紫外線45%可見(jiàn)光50%紅外線太陽(yáng)輻射太陽(yáng)是被動(dòng)遙感最主要的輻射源，遙感傳感器從空中或空間太陽(yáng)與地球的輻射波譜太陽(yáng)與地球的輻射波譜太陽(yáng)輻射的特點(diǎn)太陽(yáng)光譜是連續(xù)的。輻射特性與黑體基本一致。紫外到中紅外波段區(qū)間能量集中、穩(wěn)定。主要利用可見(jiàn)光、紅外波段等穩(wěn)定輻射。海平面處的太陽(yáng)輻射照度分布曲線與大氣層外曲線有很大不同，這主要是地球大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和散射造成的。太陽(yáng)輻射的特點(diǎn)太陽(yáng)光譜是連續(xù)的。一般物體的發(fā)射輻射自然界中實(shí)際物體的發(fā)射和吸收的輻射量都比相同條件下絕對(duì)黑體的要低。不僅依賴于波長(zhǎng)和溫度，還與構(gòu)成物體的材料、表面狀況等因素有關(guān)。我們用發(fā)射率來(lái)表示它們之間的關(guān)系：。發(fā)射率就是實(shí)際物體與同溫度的黑體在相同條件下輻射功率之比。一般物體的發(fā)射輻射自然界中實(shí)際物體的發(fā)射和吸收的輻射量都比相發(fā)射率按照發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系，把地物分為：黑體或絕對(duì)黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)?；殷w：發(fā)射率小于1，常數(shù)。選擇性輻射體：反射率小于1，且隨波長(zhǎng)而變化。理想反射體：反射率等于0.影響地物反射率的因素：地物的性質(zhì)表面狀況溫度（比熱、熱慣量）比熱大、熱慣量大、以及具有保溫作用的地物一般發(fā)射率大，反之反射率就小。發(fā)射率按照發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系，把地物分為：主要地物的發(fā)射率主要地物的發(fā)射率等效黑體溫度實(shí)際測(cè)定物體的光譜輻射通量密度曲線并不像描繪的黑體光譜輻射通量密度曲線那么光滑。常常用一個(gè)最接近灰體輻射曲線的黑體輻射曲線作為參照，這時(shí)的黑體輻射溫度稱為等效黑體輻射溫度（或稱等效輻射溫度）等效黑體溫度實(shí)際測(cè)定物體的光譜輻射通量密度曲線并不像描繪的黑基爾霍夫定律在任一給定溫度下，輻射通量密度與吸收率之比任何材料都是一個(gè)常數(shù)，并等于該溫度下黑體的輻射通量密度。任何材料的發(fā)射率都等于其吸收率根據(jù)能量守恒定律對(duì)于不透射電磁波的物體

基爾霍夫定律在任一給定溫度下，輻射通量密度與吸收率之比任何材地球熱紅外輻射地球熱紅外輻射由地表輻射率和地表溫度兩個(gè)因素決定。地表溫度與地表反射率、地表熱學(xué)性質(zhì)和地表紅外比輻射率相關(guān)。地球熱紅外輻射地球熱紅外輻射由地表輻射率和地表溫度兩個(gè)因素決輻射溫度和地表溫度輻射溫度被定義為所測(cè)量的物體的輻射能量所對(duì)應(yīng)的溫度。對(duì)于黑體而言，物體的輻射溫度等于它的真實(shí)溫度。但對(duì)于真實(shí)物體而言，熱遙感器所記錄的輻射溫度與物體的地表溫度之間的關(guān)系可以近似地表示為。式中ε為比輻射率。由于ε<1，地物的輻射溫度總小于它的熱力學(xué)溫度。因此，對(duì)于任何給定的地物,熱遙感器所記錄的輻射溫度小于它的真實(shí)溫度。輻射溫度和地表溫度輻射溫度被定義為所測(cè)量的物體的輻射能量所對(duì)典型地物熱力學(xué)溫度與輻射溫度關(guān)系對(duì)象發(fā)射率ε真實(shí)溫度（K）輻射溫度（K）黑體1.0303303植被0.985303298.455濕地0.956303289.668干燥地0.925303280.275水體0.99303299.97典型地物熱力學(xué)溫度與輻射溫度關(guān)系對(duì)象發(fā)射率ε真實(shí)溫度（K）輻3、熱紅外遙感輻射的影響因素3、熱紅外遙感輻射的影響因素大氣熱輻射的影響大氣自身熱輻射大氣對(duì)熱紅外能量的吸收大氣熱輻射的影響大氣自身熱輻射大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收在紫外、紅外與微波區(qū)，電磁波衰減的主要原因是大氣吸收。主要成分：氧氣、臭氧、水、二氧化碳。大氣吸收的影響主要是造成遙感影像暗淡。大氣對(duì)紫外線有很強(qiáng)的吸收作用，因此，現(xiàn)階段中很少使用紫外線波段。大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收在紫外、紅外與微波區(qū)，電磁波衰減的主要原大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射在可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)，大氣分子吸收的影響很小，主要是散射引起的衰減。太陽(yáng)輻照到地面又反射到傳感器的過(guò)程中，二次通過(guò)大氣，傳感器所接收到的能量除了反射光還增加了散射光。二次影響增加了信號(hào)中的噪聲部分，造成遙感影像質(zhì)量的下降。散射的方式隨電磁波波長(zhǎng)與大氣分子直徑、氣溶膠微粒大小之間的相對(duì)關(guān)系而變，散射類型包括：米氏散射均勻散射瑞利散射大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射在可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)，大氣分子吸收的影響很大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的反射由于大氣層中有云層，當(dāng)電磁波到達(dá)云層時(shí)，就像到達(dá)其他物體界面一樣，不可避免地要產(chǎn)生反射現(xiàn)象，這種反射同樣滿足反射定律。各波段受到不同程度的影響，削弱了電磁波到達(dá)地面的強(qiáng)度，因此應(yīng)盡量選擇無(wú)云的天氣接收遙感信號(hào)。四川省江油市大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的反射由于大氣層中有云層，當(dāng)電磁波到達(dá)云層時(shí)，熱輻射的地-氣作用在熱輻射波段，物體反射率越大，發(fā)射率越??；反之亦然，可通過(guò)測(cè)量反射率來(lái)測(cè)量發(fā)射率。大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的反射和大氣熱紅外輻射對(duì)傳感器接收有影響。熱輻射的地-氣作用在熱輻射波段，物體反射率越大，發(fā)射率越??；熱輻射過(guò)程式中：：遙感器所接受的波長(zhǎng)λ的熱輻射強(qiáng)度：地表黑體輻射強(qiáng)度：波長(zhǎng)λ的地表比輻射率

：從地面到遙感器的大氣透過(guò)率：波長(zhǎng)λ的大氣上行熱輻射強(qiáng)度：波長(zhǎng)λ的大氣下行熱輻射強(qiáng)度。熱輻射過(guò)程4、測(cè)定熱紅外遙感系統(tǒng)4、測(cè)定熱紅外遙感系統(tǒng)熱紅外傳感器設(shè)計(jì)原則預(yù)期探測(cè)目標(biāo)在所選擇熱紅外波段具備最強(qiáng)的信號(hào)特征所探測(cè)的遙感信息能最大限度地透過(guò)大氣到達(dá)傳感器熱紅外傳感器設(shè)計(jì)原則預(yù)期探測(cè)目標(biāo)在所選擇熱紅外波段具備最強(qiáng)的熱紅外傳感器波段選擇示例地表溫度通常在－45～+45°C之間，大部分地區(qū)平均為27°C左右。根據(jù)維恩位移定律，地面物體的熱輻射峰值波長(zhǎng)在9.26～12.43μm之間，恰好位于8～14μm的大氣窗口內(nèi)。因此這個(gè)譜段區(qū)間通常被用來(lái)調(diào)查地表一般物體的熱輻射特性,探測(cè)常溫下的溫度分布和目標(biāo)的溫度場(chǎng)，進(jìn)行熱制圖等。隨溫度升高,熱輻射譜段峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。對(duì)于地表高溫目標(biāo)，如火燃等，其溫度達(dá)600K，熱輻射譜段峰值在4.8μm，位于熱紅外譜段3～5μm的大氣窗口內(nèi)。所以為了對(duì)火災(zāi)、活火山等高溫目標(biāo)識(shí)別，通常把熱紅外遙感波段選擇在這個(gè)區(qū)間內(nèi)。熱紅外傳感器波段選擇示例地表溫度通常在－45～+45°C之NASA’sEarthObservingSystem--missionswithIRcapabilityTRMMCERESLandsat-7(launchedApril1999)ETM+has60mbandat10.5-12.5mEOSTerra(launchedDecember1999)CERES,MODIS,ASTER,MOPITTEOSAqua(launchedMay2002)AIRS,CERES,MODISEOSAura(launchedJuly2004)HIRDLS,TESNASA’sEarthObservingSystem-CERES—Cloud-EarthRadiantEnergySystemCERES—Cloud-EarthRadiantEnerASTER—AdvancedSpaceborneThermalEmissionandReflectionRadiometer14bands(15-90m)inVIS,NIR,SWIR,andTIRMaunaLoaimagesShortwaveinfraredThermalinfraredASTER—AdvancedSpaceborneTherASTERspectralbandsonmodelatmosphereASTERspectralbandsonmodelMODIS—Moderate-ResolutionImagingSpectroradiometer36bands,1inSWIR,6inmidIR,10inthermalIRMeasurementsofSurface/cloudtemperatureAtmospherictemperatureCirruscloudsandwatervaporOzoneCloudtopaltitudeMODIS—Moderate-ResolutionImag遙感地學(xué)應(yīng)用03-熱紅外遙感ppt課件CalibrationandvalidationofMODISTandEinSevilleta,NMCalibrationandvalidationofSource:JeffDozierSource:JeffDozierAIRS—AdvancedInfraredSounder2400bandsinIR(3.7-15m)and4bandsinvisible(0.4-1.0m)Absorption“signature”around4.2mand15m(CO2)and6.3m(H2O)enablestemperatureandhumiditysoundingto1kmverticalresolutionSpatialresolutionis13.5kmComplementedbymicrowavesounderstodealwithcloudsAIRS—AdvancedInfraredSounder5、地表溫度反演算法5、地表溫度反演算法熱紅外遙感應(yīng)用熱紅外遙感是目前唯一可以進(jìn)行區(qū)域或全球的陸面溫度反演的手段，具有覆蓋面廣、信息量大、動(dòng)態(tài)性好及分辨率高等明顯的優(yōu)點(diǎn)。熱紅外遙感應(yīng)用熱紅外遙感是目前唯一可以進(jìn)行區(qū)域或全球的陸面溫地表溫度反演算法單通道算法分窗算法地表溫度反演算法單通道算法單通道算法借助于衛(wèi)星傳感器上的一個(gè)熱紅外通道獲得的輻射能來(lái)得到地表溫度的算法。需要大氣溫度和濕度的垂直廓線數(shù)據(jù)，利用一定的大氣模式計(jì)算大氣輻射和大氣透過(guò)率，根據(jù)大氣的輻射傳輸方程，計(jì)算地表的輻射亮度值，假設(shè)地表比輻射率已知，就可以求出地表溫度。單通道算法借助于衛(wèi)星傳感器上的一個(gè)熱紅外通道獲得的輻射能來(lái)得分窗算法以衛(wèi)星觀測(cè)到的熱輻射數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用大氣在