热红外遥感机理及应用PPT学习教案

美国
10
8.2-12.7
始于1993年
MUSIS多光谱红外照相机
美国
90
90
2.5-7.0 6.0-14.5
始于1989年
OMIS实用型模块化成像光谱仪 中国
3.0-5.0 8.7-12.7
3.0-5.0 8.0-12.0
8.0-12.5
始于1993年 始于1993年 始于1994年 始于1986年
ISM红外成像光谱仪
法国
64
1.6-3.2
始于1991年
MAS MODIS航空模拟仪器
美国
50 0.547-14.521 始于1992年
MIVI多光谱红外及可见光光谱 仪
1st radiance constant, K2=C1/5 2nd radiance constant, K1=C2/ temperature at
绝对黑体的辐射光
谱对于研究一切物体的 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。
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
确定地表温度和发射率及其应
用!
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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。
热红外遥感机理及应用
会计学
1
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-273ºC）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 过能量转换第而1页/共变125页成人眼能看到 的图像。
热红外遥感技术的发展是
64
0.4-16.0
0.75-3km
大气辐射
4 0.52-17.5
23.5m
陆地和水资源管理
36 0.4-14.5
250m,500m,1 地球物理过程、大气、
km
海洋、陆地
SCARAB辐射收支扫描仪
POEM/WNVISA
4
T-1(欧)
0.2-50.0
60km
全球辐射收支
SR扫描辐射仪
FY-2中国
3
0.55-12.0
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1.25-2.5km
地球制图、 云覆盖
2.5*2.5km, 地球、大气观测 5*5km
15m,28.5m,6 0m, 120m
30m,15m,120 m
获取地球表层信息 获取地球表层信息
国内外航载热红外传感器技术及特点
传感器 AMSS航空多光谱扫描仪 ASTER模拟仪器
国别
波段数
M
M M d
0
用普朗克公式对波长积分，便导出斯成藩—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 。
M T 4
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2.6热辐射传输方程
Ls
2
B (Tsurface ) (z0 )d
1
2 1
(1
)
1
( A
B (Tsun )) (z0 )d
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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
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(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
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;
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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;
5.73km
气象
SROM海洋监测光谱扫描仪 TMG温室气体干涉检测仪
ALMAZ-1B(中/ 俄)
ADEOS (日本)
11
0.405-12.5 600m星下点 海洋、叶绿素、生物生
Байду номын сангаас
产率
0.33-14.0
10km/2-6km 温室气体制图
VIRS可见光红外广扫描仪
TRMM(美/日)
5
3.75，10.8， 2km
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。
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2.热红外遥感机理
2.1热红外大气窗口和热红外波段
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2.2热红外遥感成像
热红外扫描仪示意图
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2.3地球温度与热辐射峰值
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2.4地球表面的热量特征
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：
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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；
i
channel
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Atmospheric emissions
I
i
Z 0
Bi
(Tz
)
i
( , z,
z
Z
)d
z
I
i
2
/2 0
0
Bi
(Tz
)
'i
( '
z
,
z,0)
cos
'
sin
'
dz
d
'
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。
大气温度、湿度 大气
IR-MSS红外多光谱扫描仪
CBERS(中国/巴
4
西)
0.5-12.5
78m,156m
中等分辨率制图
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ISTOK-1红外光谱扫描仪系 统
LISS-3线形成像自扫描传感 器3型
MODIS中等高分辨率成像光 谱辐射仪
PRIRODA-1
IRS-1C/1D
EOS （美国）
Where Bi(Ti)
observed radiance
Bi(Ts) ground radiance
Ii
radiance
downwell atmospheric
Ii
upwell atmospheric radiance
i()
atmospheric transmittance
i
ground emissivity
FT E,T
AT
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FT ，和其吸收率 AT 之比都等于同一温度
下的黑体的辐射出射度 E,T
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（2）Plank定律
B
(T
)
C1
[e 5 C2 /(T
)
1]
T
ln [1
K1 K2 / B (T )]
Where
wavelength / channel C1 C2 T B(T) the radiance
2 zsat
B (Tair [z])
1 z0
z
dzd
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。
T（K） 300 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 λmax(µm) 9.66 5.80 2.90 1.45 0.97 0.72 0.58 0.48 0.41
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(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:
ERS-1
2
11.0
1km*km
(欧空局)
12.0
云、海面温度
AVHRR甚高分辨率辐射仪
NOAA-11 (美国）
5
0.58-12.4 1.1kｍ
海面温度、植被、气溶 胶
CERES云和地球辐射能系统 EOS（美国）
3
0.3-12.0
21km
地球辐射平衡
HIRDLA高分辨率临界动态
EOS（美国）
21
分辨仪
但许多热红外遥感应用主要是 以亮度温度第为21页信/共125息页 源的定性分 析阶段，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；
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 温度空间差异大，1 米距离内可能有较大的温度变 化。
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2.5热辐射基本定律
(1)基尔霍夫定律
在一定的温度下，任何物体的辐射出射度 FT 与其
吸收率 AT 的比值是一个普适函数E,T 。E,T
只是温度、波长的函数．与物体的性质无关。
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；
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5）对复杂地形，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 非常重要的第手5页/共段125页。
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 。
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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 国内外 星载/航 空热红 外传感 器的技 术特点 。
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3.热红外遥感技术及研 3.1国内外热红外遥究感进研究展进展
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
GLI全球成像仪
ADEOSII（日本） 34
HIRS/21高分辨率红外辐射探
NOAA-11
20
测仪
ILAS改进型临边大气光谱仪 ADEOS(日本)
3
6.0-18.0
10km/1km
可见,近红及 热红 外
0.69-14.95
1km 20.4m
0.753-11.77 13km/2km
大气温度、水分及化学 碳循环
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国内外星载热红外传感器技术及特点
传感器 AIRS大气红外探测仪
卫星计划 EOS(美国)
波段数 6
光谱范围 （μ m）
3.74-15.4
空间分辨率
用途
13.5-1km 大气温度湿度
ASTER高级空间热辐射热反
EOS(美国)
14
8-12
射探测器
90m
陆地表面，水和云
ATSR纵向扫描辐射仪
12.0
云辐射
VISSR可见光红外光旋转式 辐射扫描仪
GMS （日本）
2
0.5-0.75
10.5-12.5
VISSR可见光红外光自旋辐 射扫描仪
METEOSAT(欧 空局）
3 0.5-12.5
TM专题绘图仪
LANDSAT（美） 7 0.45-12.5
ETM+增强型专题绘图仪
LANDSAT(美)
8 0.45-12.5
波段范围 (μm)
澳大利 亚
6
8.5-12.0
美国
20 8-12
工作期间 始于1985年 始于1991
CIS中国成像光谱仪
中国
1
2
DAIS-7915数值式航空成像光谱 仪
美国
1 6
DAIS-16115数值式航空成像光 谱仪
美国
6 12
GER-63通道扫描仪
美国
6
3.53-3.94 10.5-12.5
第16页/共125页
Remote Sensing of LST
Atmospheric emittance
2
3
4
Ground surface
Remote sensor
1 Ground emittance
第17页/共125页
Thermal radiance transfer equation
Bi(Ti)=i()[iBi(Ts)+(1-i)Ii]+Ii