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1、热红外遥感原理及应用,报告人：王凤敏,南京大学国际地球系统科学研究所2005年01月21号,主要内容,热红外遥感概念热红外遥感机理热红外遥感技术及研究进展热红外遥感大气校正温度与发射率反演热红外遥感应用实例热红外遥感问题与讨论,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。,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
2、温度和发射率及其应用!,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。热红外遥感比可见光、近红外、短波红外遥感复杂，主要原因在于：,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；,5）对复
3、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。,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。,2.热红外遥感机理,2.1热红外大气窗口和热红外波段,2.2热红外遥感成像,热红外扫描仪示意图,2.3地球温度与热辐射峰值,2.4地球表面的热量特征海洋表面温度：相对均质；陆地表面温度：物质非均质性，导致地表 温
4、度空间差异大，1米距离内可能有较大的温度变化。,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,（2）Plank定律,Where wavelength/channelC1 1st radiance constant,K2=C1/5 C2 2nd radiance constant,K1=C2/T temperature at B(T)the radiance,绝对黑体的辐射光谱对
5、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。,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,(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.绝对黑体温度与最大辐射所对应波长的关系,(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
6、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。,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；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。,Bi(Ti)=i()iBi(Ts)+(1-i)Ii+Ii Where Bi(Ti)observed radianceBi(Ts)ground r
7、adiance Ii downwell atmospheric radiance Ii upwell atmospheric radiance i()atmospheric transmittance i ground emissivityi channel,Thermal radiance transfer equation,Atmospheric emissions,式中Tz是高程为z处的气温，是遥感器的视角，Z是遥感器的高程，i(,z,Z)表示从高程z到遥感器高程Z之间的大气向上透射率。是大气的向下辐射方向，i(,z,0)表示从高程z到地表之间的大气向下透射率。,3.热红外遥感技术及研究
8、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;,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、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
9、阶段，定量研究还很不够；,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。,3.2目前国内外热红外传感器技术及特点,随着热红外遥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
10、国内外星载/航空热红外传感器的技术特点。,国内外星载热红外传感器技术及特点,国内外航载热红外传感器技术及特点,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。,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。,一般大气对热红外辐
11、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，水蒸气在是存在连续吸收。CO2在无强吸收带，仅在9.4m和10.4m有弱吸收带。,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
12、-15m间，因而在有云、雾的情况下，将有强的Mie散射和瑞利散射。,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，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。,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
13、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。,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,辐射
14、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,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
15、数据的光谱重建。,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。,MODTRAN 4,Card1：大气模式控制卡；Card2：气溶胶及云雨模式；Card3：探测几何方式；Card4：波段及分辨率；Car
16、d5：程序的停止或再运行；,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。,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
17、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。,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表面混合，是这些不同类型的混合平均温度。,地表温度反演的方法：,1）大气校正法:all thermal I
18、R 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。,2）单窗算法:Landsat TM、ETM（m,/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1.1K。覃志豪,M.Zhang,A.Karnieli and P.Berliner,2001,用陆地卫星T
19、M6数据演算地表温度的单窗算法J.地理学报,56(4)，456-466.J.C.Jimnez-Muoz and J.A.Sobrino,A generalized single-channel method for retrieving land surface temperature from remote sensing data J.J.Geophys.Res.,2003.,3）劈窗算法:NOAA-AVHRR（m，/1.1km）主要是利用在一个大气窗口的两个临近的红外通道存在不同的大气吸收来消除大气的影响，由两个亮度温度的线性组合(如NOAA-AVHRR的T4 和T5)计算LST。劈窗算
20、法是目前最成熟的方法，精度最高，且相对而言比较不需要太精确的大气温度/水气廓线，尤其是用来分析NOAA-AVHRR数据。,1.Kerr et al.1992)2.Ottl and Vidal-Madjar 19923.Price 19844.Becker and Li 19905.Prata and Platt 19916.Vidal 19917.Uliverir et al.19968.Coll et al.19949.Sobrino et al.1991,10.Prata 199311.Frana and Cracknell 199412.Qin et al.200113.Sobrino
21、and Raissouni 200014.Franois and Ottl 1996/Q15.Franois and Ottl 1996/W16.Becker and Li 199517.Sobrino et al.1994,4）多通道算法:MODIS(Band276.535-6.895 m,Band287.175-7.475 m,Band298.400-8.700 m,Band309.580-9.880 m,Band1010.780-Band3111.280 m,Band3211.770-12.270 m,Band3313.185-13.485 m,Band3413.485-13.785 m
22、,Band35:13.785-14.085 m，Band36:14.085-14.385 m,/1km);ASTER（Band10:8.125-8.475 m,/90m）;其它航载遥感器.Wan,Z.M.,and Z.L.Li,1997,A physics-based algorithm for retrieving land-surface emissivity and temperature from EOS/MODIS data.IEEE Trans.Geoscience remote Sens.,35(4):980-996.利用ASTER遥感数据反演陆面温度的算法及应用研究刘志武,党安
23、荣,雷志栋,黄聿刚 2003年9月地理科学进展,22(5):507-516,利用多个热红外通道数据来反演地表温度的方法，如Wan和Li针对MODIS数据提出的一个7通道反演方法。该方法最大的优点在于它能同时反演地表温度和比辐射率。,5）多角度法 即假定大气柱在空间上是一致的，当观测目标在给定的通道以不同观测角度进行观测时由于大气倾斜度不一致而产生的路径长度不同，从而使得大气对热辐射产生不同的吸收，同时利用多角度遥感数据中所包含的大气信息来消除大气的影响。,我国MODIS地表温度产品,成像时间 2003/06/14 02:41-02:52,温度值范围（K）,301.05,319.17,基于AST
24、ER影像的贵州黎平地区温度制图（2000年5月20日）,基于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),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 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。,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
25、定的辐射能波长、观测角度等条件变化而变化。,比辐射率反演方法,1、昼-夜法（Day-night Method）2、模式发射率方法（Model emissivity Method/Reference Method）3、归一化发射率方法(NEM:Normalized Emissivity Method)4、灰体发射率法（Graybody Emissivity Method）5、分类法（Classification Method）6、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（
26、Residual Method）9、比值法（Ratio Method）10、加权比值法（Weighted Ratio 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）,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）,花岗岩波普曲线,新疆哈密地区发射率制图参考通道法：11、12、13波段合成,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
27、境污染等方面有了非常广泛的应用，现举例如下。,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；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。,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
28、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。,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。,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
29、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。,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。,热红外遥感技术
30、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。,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。,St
31、rangway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。Hochstel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。,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
32、化学方法相结合对地热进行了较深入的研究工作。,1971年联合国承包单位（U.N.Scbcontraetor）在埃塞俄比亚进行了热红外成像调查,发现了105个至少为10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。,我国也曾于197
33、9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。,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。,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
34、置和热异常的分布特征,为查清导热、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。,常用航空/卫星传感器ASTERHYMAPLANDSAT TM/ETM+MasterFTHSIHyperSpecTIR,应用示范,ASTER data is used to conduct over the Brady Hot Springs region,A true-color HyMap image subset that centers on the 40 MW Casa Diablo ge
35、othermal plant,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。,(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,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、
36、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。,(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。,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。,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
37、、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).,It also has a channel centred at 8.65 Am 29 that can be used(with the splitwindow channels)to quantify SO2 burdens(Realmuto et a
38、l.,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-Am channel 30(Yu and Rose,2001),and a new SO2 algorithm using the 7.3-Am channel 28(Prata et al
39、.,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.,One significant improvement in using MODIS data to observe volcanic emissions is that we can now meas
40、ure co-erupted species from the same image.,(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 same image as(A)using red greenblue 28,31,32 composite at 1-km resolution;(C)the same image georeferencedsingle cha
41、nnel 28showing location of SO2 cloud relative to geographic boundaries.,Brightness temperature difference map from an image of the Hekla volcanic cloud acquired at 1350UT on 27 February 2000 showing positive BTD values indicative of ice.The total mass of the ice cloud was ca.200 kt.,6.3热红外遥感在找油中的应用,
42、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。,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,
43、应用的具体遥感技术手段也因而有所不同。,热红外遥感在探测海上油气资源中的应用,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严峻的生活环境以及确认污染源大有帮助。,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）,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
44、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：,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。,然而：海上
45、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。,图示说明：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所影响。如果这些实验室测得的结果能够被野外的实测所证实，那么利用航空或航天多光谱热红外遥感进行海上浮油的探测将会成为一种简便而且可靠的技术手段。,基于MODIS（32波段）的温度反演,海洋温度信息拉伸,6.4热红外遥感估算岩石中的SiO2含量,地质矿产工作担负着为国家提供矿产资源和地质资料，维护矿产资源的国家所有权，保护地质环境，实
46、施地质勘查工作的科学管理任务，是国民经济建设的基础性、战略性和公益性工作。遥感以直观清晰的图像显示现代地表景观，反映大量地表和前地表的地质信息，为解决地质问题增添了一种新的科学依据。,硅酸盐矿物在各类矿物中的地位极为重要。硅酸盐矿物种类繁多，日前已知的有548种，约占己知矿物种类的24左右。在常见的矿物中约有40是硅酸盐矿物，据估计地壳中大约有90是硅酸盐矿物，因此它是主要的造岩矿物，广泛分布于自然界中。,硅酸盐光谱特征曲线（正长石、石英和角闪岩）,红外辐射的峰值波长与岩石二氧化硅含量关系,大多数硅酸盐矿物在可见光至近红外（VNIR，波长0.41.0 m）和短波红外区（SWIR，波长1.52.
47、5 m）仅显示出很少的光谱特征，而在热红外区（TIR：812m）显示出极强的分子振动谱带；在热红外区的所谓余射特征谱与组成该物质的化学成分（特别是SiO2的含量的多少）密切相关；因此，多谱段热红外遥感适用于物质表面化学成分制图。,根据火成岩的热红外谱数据和用化学测定的该岩石中的SiO2的含量这两者之间的关系，用多元线性回归法分析推导出了一个能用于估计SiO2含量的方程，通过此推导方程，利用光谱估计研究区中SiO2的含量(Y.Ninomiya&T.Massunaga)。,SiO2含量的估算：,6.5热红外遥感在其它领域的应用,如地震预测、利用发射率制图进行地物识别、利用热红外多光谱遥感技术提取和
48、识别岩石矿物信息、在城市环境调查中的应用、在现代化学战中的作用等。,在地震预测方面的应用,利用发射率制图进行地物识别,7.问题与讨论,温度与发射率的分离定标与大气校正角度影响尺度精度结果校验与评价,参考文献,1赵英时等，遥感应用分析原理与方法，科学出版社，2003.2徐冠华.论热红外遥感中的基础研究，中国科学（E辑），2000，30（8）：15 3柳钦火 地表温度的遥感反演方法及应用，北京大学博士研究生学位论文 1997年6月 4郭裕元，程红.热红外遥感的成像原理及温度定标.影像技术 1998（4），37425宫鹏，史培军等.对地观测技术与地球系统科学.北京：科学出版社，1996，12086梅
49、安新，彭望禄等.遥感导论 高等教育出版社，2001年7陈良富，徐希儒，张仁华.地表温度遥感反演的现状与发展趋势，地理科学进展，1998，17（增刊）：208-2158李小文等.地球表面热量交换定量遥感研究，1998，国家攀登项目书9李小文，汪骏发等.多角度与热红外对地遥感，2001，科学出版社10张仁华.对热红外遥感的一些思考，1999，国土资源遥感，39（1）11Wan Z&Li Z-L.,1997,A physics-based algorithm for retrieving land-surface emssivity and temperature from EOS/MODIS da
50、ta IEEE Trans.Geosci.Remote Sens.,35(4):986-996 12Sobrino JA,Raissouni N.Toward remote sensing methods for land cover dynamic monitoring:application to Morocco.International Journal of Remote Sensing,2000,21(2)：353-36613A.Berk,G.P.Anderson.MODTRAN4 Users Manual.Air Force Research Laboratory Space Ve
