红外遥感技术及其应用

热红外遥感技术及其应用

摘要：热红外遥感对研究全球能量变换和可持续发展具有重要的意义，尤其在生态学领域，借助地面实测数据和遥感数据，通过红外波段的解析、反演可以进行各种问题的定量化。遥感技术集合了空间、电子、光学、计算机、生物学和地学等科学的最新成就，是现代高新技术领域的重要组成部分。遥感技术的出现揭开了人类从外层空间观测地球的序幕，为人类认识国土、开发资源、监测环境、研究灾害以及分析全球气候变化等提供了新的途径。

关键词：红外遥感技术水质监测土壤水分遥感遥感考古赤潮遥感预报引言

红外遥感是指传感器工作波段限于红外波段范围之内的遥感。探测波段一般在0.76——1000微米之间，是应用红外遥感器探测远距离外的植被等地物所反射或辐射红外特性差异的信息，以确定地面物体性质、状态和变化规律的遥感技术。因为红外遥感在电磁波谱红外谱段进行，主要感受地面物体反射或自身辐射的红外线，有时可不受黑夜限制。又由于红外线波长较长，大气中穿透力强，红外摄影时不受烟雾影响，透过很厚的大气层仍能拍摄到地面清晰的像片。用于红外遥感的传感器有黑白红外摄影、彩色红外摄影、红外扫描仪和红外辐射计。

红外遥感技术（thermal infrared remote sensing）利用电磁波谱中8～14μm热红外波段本身和在大气中传输的物理特性的遥感技术统称。所有的物质，只要其温度超过绝对零度，就会不断发射红外能量。常温的地表物体发射的红外能量主要在大于3μm的中远红外区，是热辐射。它不仅与物质的表面状态有关，而且是物质内部组成和温度的函数。在大气传输过程中，它能通过3-5μm和

8-14μm两个窗口。热红外遥感就是利用星载或机载传感器收集、记录地物的这种热红外信息，并利用这种热红外信息来识别地物和反演地表参数如温度、湿度和热惯量等。

红外遥感探测的应用

随着科学技术的进步，光谱信息成像化，雷达成像多极化，光学探测多向化，地学分析智能化，环境研究动态化以及资源研究定量化，大大提高了遥感技术的实时性和运行性，使其向多尺度、多频率、全天候、高精度和高效快速的目标发展，例如在水质监测、裸土湿度、遥感考古、赤潮遥感监等等，这些技术的发展极大地促进了生产生活的进步，。下面将简略介绍这几项技术。

1 遥感技术在水质监测中的应用

1.1 水体遥感监测原理利用遥感技术进行水环境质量监测的主要机理是被污染水体具有独特的有别于清洁水体的光谱特征，这些光谱特征体现在其对特定波长的光的吸收或反射，而且这些光谱特征能够为遥感器所捕获并在遥感图像中体现出来。如当水体出现富营养化时，浮游植物中的叶绿素对近红外波段具有明显的“陡坡效应”[1]，故而这类水体兼有水体和植物的光谱特征，即在可见光波段反射率低，在近红外波段反射率却明显升高。

1.2 多光谱遥感数据在水质遥感监测中常用的多光谱遥感数据，包括美国Land sat卫星的MSS、TM、ETM+数据，法国SPOT卫星的HRV数据，气象卫星NOAA 的AVHRR数据，印度遥感IRS系统的LISS数据，日本JERS卫星的OPS(光学传感器)接收的多光谱图像数据，中巴地球资源1号卫星（CBERS--1）CCD相机数据等。Land sat数据是目前应用较广的数据。AVHRR(高级甚高分辨率辐射计)是装载在NOAA列卫星上的传感器，每天都可以提供可见光图像和两幅热红外图像，在水质监测等许多领域广泛应用。

1.3 发展趋势

（1）建立遥感监测技术体系。

（2）加强水质遥感基础研究。

（3）开展微波波段对水质的遥感监测。

（4）提高水质遥感监测精度。

（5）综合利用“3S”技术。

2 裸土湿度的热红外遥感

2.1裸土湿度的热红外遥感的特点和测试条件

对于裸土的水分含量可由土表温度变化测定，并可检测到50cm的深度。Bartholic 等发现[2]，农田裸地表面日最高温度随近地表水分含量的增加而减小。从实用

的角度考虑，在一定的气象条件下（晴朗、无风），用白天下垫面温度的空间分布可以有效地反映土壤水分的空间分布。

2.2目前的主要方法

热惯量法遥感土壤水分

Watson等最早成功地应用了热惯量模型，Rosema等进一步发展了他们的工作，提出了计算热惯量、每日蒸发的模型。Price等在能量平衡方程的基础上，简化了潜热蒸发（散）形式，引入地表综合参数概念，系统地阐述了热惯量方法及热惯量的成像机理，并提出了表观热惯量的概念，利用卫星热红外辐射温度差计算热惯量，然后估算土壤水分。这个方法已经得到普遍认可。隋洪智等在考虑了地面因子和大气因子的情况下，进一步简化能量平衡方程，使直接利用卫星资料推算得到地表热特性参量成为可能。余涛等提出了一种改进的求解土壤表层热惯量的方法，发展了地表能量平衡方程的一种新的化简方法。经过这样的处

理，可从遥感图像数据直接得到热惯量值，进而得到土壤水分含量分布。马蔼乃等均从不同角度、在不同的区域利用NOAA/AVHRR资料进行热惯量

法遥感土壤水分的监测试验。日本学者宇都宫阳二郎与中国科学院长春净月潭遥感实验站合作以中国东北吉林省为中心进行区域土壤水分调查，采用CDEE卫星资料，结合近地层小气候及地下热流量观测资料，进行热惯量计算，并与同步测定的0-15cm土壤水分资料建立统计模式，绘成土壤水分分布图。

随着热惯量法遥感土壤水分理论的日臻成熟，对于在裸露或植被覆盖度较低时土壤水分遥感采用热惯量法的效果已得到认可，但在实际应用中，仍需

根据当地的状况对模型参数的求解和某些因子的省略做一些必要的调整。

2.3土壤水分遥感研究的趋势与展望

(1) GIS技术的应用

地理信息系统（GIS）是最近几十年迅速发展并广泛使用的信息技术之一，与遥感技术的集成应用，在科研与生产中发挥了巨大作用。在土壤水分的遥感研究中，也大量引入GIS技术。例如，陈怀亮等在对河南省麦田土壤水分

NOAA/AVHRR监测中，利用GIS支持，重点探讨了不同土壤质地和风速对遥感干旱监测的影响，用遥感表层土壤水分耦合深层土壤水分的方法与模型、用单时相遥感资料反演土壤水分的方法等，并最终建立了河南省冬小麦干旱遥感监测应