关于遥感的一篇课题论文

收稿日期： 基金项目： 作者简介：XXX(19XX-)，男，汉族，XXX，博士研究生，主要从事 XXXXX 的研究。Email：XXXXX
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提取地表的热异常信息，因此热红外遥感已成为获取地表热状况信息一种非常重要的手段。
1 地热简介
1.1 基本定义
地热是来自地球内部的一种可再生能量资源。 它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的 衰变。 地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后， 把热量从地下深处带至近表层。 地球上火山喷出的熔岩温度高达 1200℃～1300℃，天然温泉的温度大多在 60℃以上，有的 甚至高达 100℃～140℃。 与地热异常区地热泉形成和储存密切相关的地质条件主要有构造条件、 岩性条件和热源 条件。 如图 1 所示， 地热田的形成一般包括[3]： 一个稳定热源提供热量， 一个盖层用于保温， 一个储集层用于存储来自地表的地下水或降水， 且需要具有良好的断层构造能够使地下水或 者降水渗透到地下进行储存加热后喷出地面。
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热红外遥感在地热调查中的应用
XXX
（北京大学 XXXX，北京 100871）
摘 要：本文简要介绍了热红外遥感技术在地热资源调查中的应用进展及探测地热的原理与物理前提。通过
辽南地热调查中的几个地热实例说明了该项技术在地热调查中的效果和应用前景，客观地分析了该项技术的应用 潜力与局限性，强调了成像条件好坏是地热调查成败的关键。
图2
热红外遥感的基本过程
如图 2 所示，利用热红外波段进行成像，卫星所接收到的辐射信号主要包括： （1）地物 自身辐射:εB(Ts)， （2）地物反射的大气下行辐射:(1- ε)*Ra↓， （3）大气上行辐射:Ra↑。根据斯 特潘玻尔兹曼定律和维恩位移定律可知， 利用中红外波段进行成像， 卫星所接收到的辐射信 号除了上述部分外，还包括： （4）地表反射的太阳直接辐射:ρbi·Esun·cosθ， （5）地表反射的
Abstract: The author briefly describes the advances in the use of airborne thermal infrared remote Sensing techniquesin geothermal surveying and the optimal application conditions. Examples presented in the paper demonstrate the usefulness of such techniques in geothermal surveying and theirpromise for the future. The potential and limitations of the techniques are discussed in detail. The author emphasizes the importance of scanning conditions in obtaining good results. Key words:Thermal infrared remote sensing; Geothermal resource survey; Land surface temperature
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太阳散射辐射:(1- ε)*Rsl↓， （6）大气反射的太阳散射辐射 Rsl↑。 根据上述过程可知， 获得地表真实温度需要消除大气和地表等影响因子的影响。 在热红 外波段， 卫星传感器在热红外波段所接收到的地表离地辐亮度和大气层顶观测到的表观辐亮 度可分别用式（1）和式（2）表示：
L( ,) ( , )B(Ts ) [1 ( , )]R a
0 引言
地球是一个热的球体，由地表向深处逐渐增温，研究表明，不同地质构造单元具有不同 的热流值，随着构造单元的年龄由老至新，构造活动由弱至强，热流值有依次增高的趋势。 一般说来， 古老而稳定的地盾或地台区具有较低而均一的热流值， 而年轻的造山区和裂谷带 则具有较高而分散的热流值， 深大断裂作为深部热源的上升通道， 断裂活动时会产生一定的 摩擦热，张开的断裂带沿线势必在地表形成一定热异常川。因此，大地热流值和岩石的生热 率与地质构造特点的相关性，奠定了据地温异常判释地质构造的基础[1]。 地表温度是控制陆面水分和能量平衡的一个重要参数， 然而地表温度具有时空的动态分 布特征，很难依靠地面观测站大面积获取地表温度参数，宏观地把握其时空分布规律[2]。热 红外遥感技术能大面积重复获取同一地区的信息， 能够及时有效地掌握地表温度的分布特征，
若考虑到热辐射的方向性， 根据热辐射传输方程， 卫星遥感器接收到的热红外辐射能量 （辐射亮度）可表示为式（6） ：
Lsensor B (Ts ) L

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(
'
' ) L ( ) cos d
（6）
式中，L( )为观测天顶角为 时波长 的大气下行辐射，( )为地表二向反
观测到的表观辐亮度。 若假设地表和大气对热辐射具有朗伯体性质，大气下行辐射强度在半球空间内为常数， 则热辐射传输方程可简化为式（5） ：
Lsensor [ B (TS ) (1 )L L ]
式中 , 为有效中心波长 ; L
sensor
（5）
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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[9]。 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[10]。基于热红外遥感进行 地热资源探测的基本流程如图 3 所示。
'
射分布函数，
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积分符号代表半球积分， d 代表微分立体角。
'
目前，适用于热红外遥感陆面温度反演的算法主要包括：单通道算法、多通道算法、多 角度算法。反演精度大致保持在 1K～1.5K 内，基本能达到科学实验的要求。
3 热红外遥感地热应用实例
3.1 应用原理
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。
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蕴藏于熔融状和半熔融状岩石中的巨大能量， 温度在 600-1500℃左右， 埋藏部位最深， 目前还难以开发。
1.3 地热应用
地下热能的研究、开发和利用，对于工农业生产、人民生活及医疗卫生各方面都有很大 的价值。但是分散的地下热能并不能作为能源加以利用，只有某些地热异常地区，富集有大 量的天然水蒸气或热水，才能开采出来成为能源加以利用。我们把这些地域叫做地热田[5]。 用地热发电，既不耗费燃料，又无需锅炉设备，实在是一种廉价的新能源。我国劳动人 民在把地下热水用于种植、养殖和综合利用等方面，也积累了丰富的经验。例如用温泉水灌 溉、 土壤保温、 温室栽培、 水稻育苗、 繁殖喜热的水生动植物等。 地下热水用于饮用、 洗浴、 洗涤及取暖，不仅能节约大量煤炭和人力，而且可以改善环境卫生及劳动条件。辽宁某疗养 院用 70℃地下热水取暖，每年节约煤约 500 吨，福建一些城市利用 90℃的地下热水修建公 共浴池，每年可节煤达万吨。 利用热矿泉水治疗疾病，在我国已有悠久历史。各地温泉疗养院的大量病例表明，地下 热水对于治疗疾病， 增进人体健康方面都有积极作用。 有些多年经各种药物治疗无效的皮肤 病、关节炎等。用地下热水洗浴 1～2 个月后，即可好转或痊愈。
为星上辐亮度 , 即大气顶层（ TOA ）辐亮度，单位
W m 1m 2sr 1 ; 为地表发射率; B (Ts )为地表温度为Ts 时的黑体辐亮度; L L 、 分别
为大气上行辐射与下行辐射，单位W
m 1m 2sr 1 ; 为传感器观测路径上的大气透过率。
关键词：热红外遥感；地热调查；地表温度 中图分类号: 文献标志码:
The Application ofThermalInfraredRemoteSensing Techniques in Geothermal Surveying
XXXXX
(Peking University, XXXXXX, Beijing 100871)
2 热红外遥感简介
所有的物质，只要其温度超过绝对零度（0K 或-273℃）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 3um 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 3～5um 和 8～14um 两个窗口[6]。热红外遥感就是利用星载或机载传感器收集、记录地物在这两个大气 窗口范围内的热红外信息， 并利用热红外信息来识别地物和反演地表参数及温度、 湿度和热 惯量等,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。
Fra Baidu bibliotekR( ,) L( ,) ( ,) R a R sl
（4）
式中������ 为地表比辐射率，������为大气透过率，������，������为入射角度和反射角度，������地表反射率，
B(Ts )为地表温度为 Ts 时的辐射出射度， L( , )为地表离地辐亮度， R( , )为大气层顶
图3
地热资源的热红外遥感探测模型（以 TM 热红外图像为例）
3.2 基于航空热红外遥感测量温泉热通量及其流量
图 4 Pilgrim 温泉测区航空影像： （A）尼康 D700 拍摄的可见光影像，利用热红外影像识别出温泉位置和温度（红点）并分为两 大区域（虚线） ； （B）FLIR A325 相机拍摄的 2010 年 9 月 10 日的热红外影像； （C）2011 年 4 月 28 日的热红外影像。热红外影像 中可以识别出温泉、热渗泉、热池、和热河。同时可识别出冰雪融化显露出的加热地表（C） 。图（B）中黑点为温泉流量测站点。
图1
地热构造示意图
1.2 地热分类
地热资源根据其在地下储热中存在的不同形式，可以分为五种类型[4]： (1)蒸汽型地热资源 地下储热以温度较高的过热蒸汽为主，杂有少量其他气体，水很少或没有。 (2)热水型地热资源 地下热储以热水或湿蒸汽为主，根据其温度分为高温(150℃以上)、中温(90-150℃)和低 温(90℃以下)。 (3)地压型地热资源 以地压水的形式储于地表下 2-3km 以下的深部沉积盆地中，被岩石盖层封闭有着很高 压力， 温度在 150—260℃。 地压水中还溶有大量的甲烷等碳氢化合物， 构成有价值的产物。 (4)干热岩型地热资源 比上述各种资源规模更为巨大的地热资源， 广义上是指地下普遍存在的没有水或蒸汽的 热岩石。从现阶段来说，是专指埋深较浅、温度较高(150-650℃)、有较大开发利用价值的热 岩石。 (5)岩浆型地热资源
R( , ) L( , ) ( , ) R a
（3）和式（4）表示
（1） （2）
在中红外波段所接收到的地表离地辐亮度和大气层顶观测到的表观辐亮度可分别用式
L( ,) ( ,)B(Ts ) [1 ( ,)][(Ra Rsl )] b( ,,s ,s )E cos(s ) (s ,s ) （3）
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本文选取阿拉斯加州的 Pilgrim 温泉作为研究区域 （图 4） ， Pilgrim 温泉是一个中低温地 热系统，经过调查，该温泉可为苏华德半岛包括诺姆市在内的城市提供充足的电力资源。研 究者利用航空热红外遥感获得温泉区域的热红外影像反演陆表温度， 基于一个简单稳定热热 平衡模型（式 7）对其热通量和流量进行了测量和评估[7]。