遥感地质学课件：专题-热红外遥感.ppt

1、热红外遥感Thermography; Night Vision Systems地表物质的热学性质地表物质的热学性质热红外遥感图像的特点热红外遥感图像的特点Diurnal Heating Effects地表温度的反演地表温度的反演热红外遥感应用热红外遥感应用ThermographyThermography; Night Vision Systems; Night Vision Systems热红外图像在很多领域有广泛的应用，很多用到晚上。热红外图像在很多领域有广泛的应用，很多用到晚上。军事（军事（Gulf War of 1990 ）Many other applications can be c

2、ited: in industry, process control, energy audits (heat expenditure and loss), machinery function; in law enforcement, police surveillance; in firefighting, search and rescue, wild fire reconnaissance, smoke penetration; in medicine, abnormal variations of body heat related to disease and malfunctio

3、ns, in environment, wildlife observation and management, oil spill detection; and much more.ThermographyThermography; Night Vision Systems; Night Vision SystemsNight Goggles which can be worn by a person directly over the eyes. It has proved invaluable to police raiding a building, firefighters, and

4、 hunters, as well as military personnel in combat.ThermographyThermography; Night Vision Systems; Night Vision SystemsThermographyThermography; Night Vision Systems; Night Vision SystemsThe warmer areas are the river, particularly a light-toned plume that results from industrial fluids being dumped

5、and a cooling pond that receives water from a nearby plant (warm signature). In the residential section, houses are cool but the streets display higher temperatures since they are asphalt covered (this black tar material absorbs solar energy during the day and re-radiates thermal energy at night).Th

6、ermographyThermography; Night Vision Systems; Night Vision SystemsThe next scene is a colorized depiction of temperature variations in a series of homes and other buildings. The reds and white denote hot spots - either from small workshops or from individual houses in which excessive heat is being l

7、ost.ThermographyThermography; Night Vision Systems; Night Vision SystemsHeat variations abound in individual houses, as shown here:ThermographyThermography; Night Vision Systems; Night Vision SystemsAt the street level, this night scene shows people, an auto, and houses in terms of relative hotness:

8、ThermographyThermography; Night Vision Systems; Night Vision SystemsIndividuals in everyday clothing appear as distinct temperature variants. Their faces usually are warmer (reds) than their outside clothes (in cooler greens and blues):ThermographyThermography; Night Vision Systems; Night Vision Sys

9、temsThe human body, unclothed, reveals surprising differences in temperature, much being normal but occasionally with areas whose thermal departure from the norm may have significant health implications. In this case, the small white area on the back is indicative of a potential problem.Thermography

10、Thermography; Night Vision Systems; Night Vision SystemsReturning to a space theme, here is a thermal snapshot of the Space Shuttle as it landed at Cape Canaveral.解释航天飞机的两处热源。地表物质的热学性质地表物质的热学性质热容热容Heat Capacity (C): 温度每升高1度，给定体积的材料对应热能(Q)增加量的度量。表示了一种材料存储热的能力, 单位为cal cm-3 -1 。a calorie cal is the qua

11、ntity of heat needed to raise one gram of water by one degree Centigrade。1 cal = 4.184J 比热比热specific heat (c) : 一定条件下单位质量的物质升高1 所需的热量，c = C/r单位为cal g-1 -1地表物质的热学性质地表物质的热学性质热传导率热传导率Thermal Conductivity (K): 热量通过物体的速率的度量。单位时间内通过单位面积的热量与垂直于表面方向上的温度梯度的负值之比。单位为cal cm-1 sec-1 -1 。热惯量热惯量Thermal Inertia (P)

12、: 物质对温度变化的热反应的一种量度（一种材料对温度变化的阻抗），决定于热传导率(K)，热容量(C)和密度(r)。P = (Kc )1/2 单位：cal cm-2 sec-1/2 -1P是对热传过两种材料边界处的速率的度量，比如空气/土壤。大的P对应一个加热/制冷周期的小的温度变化。地表物质的热学性质地表物质的热学性质热扩散率热扩散率Thermal diffusivity (k): 表征物质内部温度变化的速率，其值决定于单位时间内沿法线方向通过单位面积的热量与物质的比热、密度、法向上温度梯度三者的乘积之比。k = K/(c r) 单位为cm2s-1 地表物质的热学性质地表物质的热学性质几种地物

13、的热学量:WaterSandy Soil Basalt Stainless SteelK 0.00140.00140.00500.030c1.00.240.200.12d1.01.822.807.83P0.0380.0240.0530.168以上物质中，哪种物质在一天24小时的周期中，温度波动最大？热红外遥感图像的特点热红外遥感图像的特点热红外遥感图像与可见光热红外遥感图像与可见光/近红外图像具有明显差别近红外图像具有明显差别Morro Bay as Recorded In Different TM bandsTM 1TM 2热红外遥感图像的特点热红外遥感图像的特点 TM 3TM 4 TM 5

14、TM 6warmer slopes 热红外遥感图像的特点热红外遥感图像的特点TM1TM7TM6Waterpocket Fold white sandstone Diurnal Heating EffectsDiurnal Heating Effects热红外图象随时间变化明显，以亚特兰大中心白天和黎明前的航空热红外图象为例。白天的图象类似于常规的航空相片（光照、阴影）；黎明前温差明显减小（无阴影），可以看到局部热岛效应，以及由沥青铺设的路面。白天黎明前Diurnal Heating EffectsDiurnal Heating Effects在一天的周期中 (diurnal cycle), 地

15、表50100cm被交替地加热、制冷。日平均地表温度通常与平均气温相近。5种表面24小时的辐射温度变化思考：依据右图预测沙漠表面及非流动水体在凌晨4点和下午2点的相对灰度变化Diurnal Heating EffectsDiurnal Heating Effects不同的热惯量(A)、表面反照率(B)、表面发射率(C)及大气辐射(D)与地表温度的关系:Diurnal Heating EffectsDiurnal Heating Effects地表30cm温度廓线 (for a low density soil with very low thermal inertia):在地表下的一定距离，温度

16、趋于稳定。这个深度可能是30-50 cm (depending on whether it is rock or soil, and its moisture content), 地表温度的反演地表温度的反演 为什么要测量地表温度？ 地表温度是地-气系统研究能量平衡的一个关键因子。除了太阳辐照度之外，地-气界面所有的通量都可参数化为温度的一个函数。 直接验证GCM输出的地表温度 可作为GCM模型的初始化数据地表温度的反演地表温度的反演为什么要测量地表比辐射率？ 地表比辐射率是描述表面特性的一个很好的参数。它的值取决于：表面的组成成分表面的粗糙度其它表面物理参数(比如湿度)波长地表比辐射率可用来

17、区分和识别不同的表面类型精确测定地表温度Ts Ts 30 60De/e地表温度的反演地表温度的反演如何获得地表温度？ 利用温度计或其它点接触探测头测定受时间和空间的限制，没有足够的空间覆盖数据受其它外界环境的影响很难获得精确的表面温度 利用热红外辐射仪来测定 在局部尺度上： 地面测量 在大、中尺度上： 卫星空间测量 测量的量是波谱辐射能 Ts，e, 大气和周围环境地表温度的反演地表温度的反演热红外遥感的主要原理热红外遥感的主要原理物体的波谱辐射能和大气窗口 物体的波谱辐射能Ll = elBl(T)Planck定律、Wien定律、Stefan-Boltaman定律航空平台：通常 3-5 m， 8

18、-14 m 航天平台：通常3-4 m， 10.5-12.5 m为什么只在晚上用 3-4 m测量常温地表？大气窗口(3.44.2, 4.55；89.4,1013)地表温度的反演地表温度的反演热红外遥感的主要原理热红外遥感的主要原理 辐射传输方程),(),(),(),(),(lllllsaRRRI地表温度的反演地表温度的反演热红外遥感的主要原理热红外遥感的主要原理 辐射传输方程地面：Rl = elBl(Ts)+(1-el)Ratl/ p (1-el)Rsl / p rbl Elcos(s)l(s)Ts地表温度Ratl 大气向下辐照度Rsl 大气对太阳辐射能的向下散射所产生的辐照度rbl在太阳角s和

19、观测角方向上的地表波谱二向性反射分布函数（BRDF）El大气顶太阳波谱辐照度l大气波谱透过率地表温度的反演地表温度的反演热红外遥感的主要原理热红外遥感的主要原理 辐射传输方程辐射计观测到的为一个波段内的加权平均值：星载辐射计在通道i所测的辐射可以表示为：Ii = Ri i Rati + Rsi如果忽略太阳的贡献Ii = Ri i Rati Ri = eiBi(Ts)+(1-ei)Rati/ p ) ) )00llllldfdIfIiii为了方便起见，人们习惯用通道i观测的辐射亮温Ti和地表辐射亮温Tgi来分别代替Ii 和Ri :Ii = Bi(Ti)Ri = Bi(Tgi)地表温度的反演地表温

20、度的反演- -大气及比辐射率对测温的影响大气及比辐射率对测温的影响 大气的作用及影响 吸收和再辐射（散射很小）热红外波段的主要吸收气体是水蒸气、二氧化碳和臭氧。在1012mm里，大气的主要吸收气体是水蒸气。透过率主要随水蒸气变化，但不仅仅是水汽总量函数，还受水蒸气分布及大气廓线的影响。为了对辐射传输方程进行简化，定义大气有效辐射温度： 大气有效温度 Ta Bi(Ta ) = Rati / 1 - i )地表温度的反演地表温度的反演- -大气及比辐射率对测温的影响大气及比辐射率对测温的影响 普朗克函数的一阶泰勒近似 利用大气有效温度，将大气辐射传输方程在Ti处进行一级泰勒展开，得到： ) )ii

21、iiiTTTBTBTB-)TBRRTTTTiatiiiiaiiiis-ee11地表温度的反演地表温度的反演- -大气及比辐射率对测温的影响大气及比辐射率对测温的影响大气吸收和辐射所引起的温度改正： 对于干燥的大气(i接近于1)或者逆增的大气温度廓线(Ta 接近于Ti)，DTatm较小。反之对于潮湿的大气来说， DTatm通常很大。 对于给定的大气，大气校正值与亮温Ti或Tgi成线性关系。)-DaiiiigiatmTTTTT1Tgi250255260265270275280285290295300305310315320Tgi-Ti-2-10123456789101112TropicalMidl

22、atitude summerMidlatitude winterChannel 4 地表温度的反演地表温度的反演- -大气及比辐射率对测温的影响大气及比辐射率对测温的影响比辐射率的影响： 地表比辐射率el的变化范围813mm, el可以在0.90.99间变化35mm, el变化范围更大 Planck函数的指数近似表达式Bi(T) = aiTniai 和ni是取决于参考温度的通道常数，n11mm 4.5 , n3mm 13 )TBRRTTTiatiiiigis-Deee1地表温度的反演地表温度的反演- -大气及比辐射率对测温的影响大气及比辐射率对测温的影响比辐射率的影响： 比辐射率改正可近似为：

23、)iigiiinTTeee-D11)giiatiiTBR可以看出，给定温度，当水蒸气量变大时，i变大，DTe变小。如果没有大气， i =0， DTe达到最大值。因此大气越干燥，比辐射率影响越大。一定大气，温度越高， DTe越大。DTe大小与ni成反比。对于同样的比辐射率误差，波长越长，所引起的温度误差越大。eeeDD6 . 02 . 0T比辐射率误差所引起的反演温度的误差:ei0,890,900,910,920,930,940,950,960,970,980,991,00Ts-Tgi0123456TropicalMidlatitude summerMidlatitude winterChann

24、el 4different slopes correspond to different Ts (20 C variation) for same atmosphere 地表温度的反演地表温度的反演- -比辐射率的测定比辐射率的测定比辐射率的测定不是按照定义的简单测量。因为1）在自然环境下要证明被测物和一个黑体的表面温度相同很困难。2）测量到的信号包含了环境辐射，不知道比辐射率就无法与物体的辐射出射度分开。 基于改变环境辐照度的原理，两种测定方法：黑体筒测定法（封闭式，基于点的测量） 非封闭测定法（叠加红外辐射源或CO2激光辐射源）比辐射率的实验测定比辐射率的实验测定地表温度的反演地表温度的反

25、演- -比辐射率的测定比辐射率的测定 根据可见光和近红外光谱信息估计 根据热红外光谱仪里最小比辐射率与最大相对比辐射率之差的统计关系来确定。 在假定比辐射率不变或与温度无关的热红外波谱指数不变的条件下，利用多时相数据来确定。比辐射率的空间测定比辐射率的空间测定地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法 单通道法 多通道法（分窗法） 单通道多角度法 多通道多角度法用卫星遥感数据反演地表温度最早可以追溯到60年代初期发射的TIROS-II，出现的表面温度反演算法可归纳为：地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法 单通道法利用卫星传感器上单独的一个热

26、红外通道获得的辐射，借助无线电探空或卫星遥感确定的大气廓线数据（温度、湿度、压力），结合辐射传输方程来修正大气和比辐射率的影响。设太阳的影响可忽略： )-iatiiiatiiiisiRRTBBTee11大气参数的计算需要知道大气的温度和在通道上大气吸收体密度的垂直廓线，而且还需知道这些大气吸收体的物理特性。地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法单通道法的精度取决于： 大气辐射传输模型的精度对水气连续统一体的吸收还不完全清楚。相对精度约10%，且没有温度低于280K的有用吸收系数。 测定的或已知的通道比辐射率的精度eeeDD6 . 02 . 0T 大气廓线的精度地表温

27、度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法 多通道法（分窗法）起初用来反演海水温度，后被推广到陆地。利用1013mm里，两个相邻通道（一个在11mm附近，另一个在12mm附近）上大气的吸收作用不同，通过两通道的组合来剔除大气的影响水的比辐射率在热红外窗口10 12mm里是已知的，并且非常接近于1(0.99)，辐射传输方程可简化为：Bi(Ti) = Bi(Ts)i + (1 - i) Bi(Ta) 海水表面温度反演地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法用泰勒级数在Ti附近的一级展开近似普朗克函数： 海水表面温度反演 ) )iiiiiTTTBTBTB-

28、可有：Ts- Ti = (1 - i) (Ts - Ta) 对通道j也有：Ts- Tj = (1 - j) (Ts - Ta) 地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法整理得到： 海水表面温度反演Ts = Ti+A (Ti - Tj) A = (1 - i) / (i - j) 如果大气在通道i, j上吸收很小：)jikWAekWAkk,cos1cos-11-ijAAAA与大气参数和观测角度无关，仅取决于水蒸气在通道i, j上吸收系数之比地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法 海水表面温度反演算法的一般形式：Ts = Ti+A (Ti -

29、Tj) +B或：Ts = aTi+bTj + c地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法两种确定系数A,B或a,b,c的方法: 经验法利用最小二乘法通过对亮温和海面实测温度的拟合模拟法通过有大气辐射传输模型的计算程序产生不同条件的模拟数据，进行拟合。(会产生不同的系数)当水蒸气量W介于0.5和2g/cm2之间时，A和B几乎为常数，与水蒸气量和观测角无关。当W 2g/cm2时，需精确给出A和B与与水蒸气量和观测角的函数关系。 海水表面温度反演地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法分窗技术用到海水表面温度反演很成功，可以小于0.7K误差，但在陆

30、地上比海面困难许多。陆地表面温度的反演精度受下面几种因素影响： 陆地表面的比辐射率在时空领域变化大(1112mm 0.90.99)陆地表面的比辐射率随波长变化陆地表面的比辐射率随观测角变化 陆地表面温度和近地表气温差远大于海水表面温度和近海水气温差（普朗克一级近似不适用）陆地表面温度在一个像元内变化很大地表反射的大气向下辐射不可忽略 陆地表面温度反演地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法分窗技术的主要目的是剔除大气的影响，一般形式：Ts = a(atm, , ei, ej)Ti+b (atm, , ei, ej) Tj + c (atm, , ei, ej)思路：分

31、段考虑对不同的大气，观测角度及地表参数进行模拟。所有的方法仅在一定范围内有效。地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法通过误差分析，目前用分窗技术反演的地表温度的精度在12K之间，取决于大气和比辐射率的校正误差，大气和比辐射率的校正误差又取决于水蒸气量和比辐射率的测定误差。例：Sobrino et al., 1996: (NOAA11)eeD-32541041TTTTs0 = 0.4 0.48W; 1 = 2 + 0.28W; 2 = 53.1 3.6W; 3 = -148.6 + 26.1W; )5454;2eeeeee-D地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度

32、反演算法地表温度反演算法 如何减少大气水蒸气量的测定误差 如何减少比辐射率的测定误差 如何在地面上验证地表温度的反演算法 地表温度的时空变化，点与面相比的意义？ 由于缺乏地面有效的表面温度测量，由卫星数据反演的地表温度的精度目前只能通过理论误差分析和反演算法间的相互比较来估计。 未来可能的发展方向未来可能的发展方向地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法 单通道多角度法同一物体从不同角度观测所经过的大气路径不同而产生不同的大气吸收。象分窗算法，大气的作用可通过单通道在不同角度观测下所获得的亮温的线性组合来消除。大量的工作用于研究海水表面温度的反演只有少量的关于陆面温度

33、反演的研究。（由于不同角度的地面分辨率不同，以及陆地表面状况很不均匀和地物类型复杂）地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法 多通道多角度法提供了反演组分温度的可能。热红外遥感应用热红外遥感应用Fire M3 detection Algorithm (NOAA-14 AVHRR)Single date AVHRRCalibration, radiometric andgeometric correctionTemperature band 3 (T3) 315 KNOYesFire pixelFire clear pixelLi et al., 1998CCRS WW

34、WFirst test: Marking potential forest firesusing thermal band (3)T3 - T4 14 KT4 260 KR2 0.22 Eliminates warm backgroundEliminates cloudsLand cover cropland or grassland Eliminates highlyreflective clouds & surfaceT4 - T5 4.1 K andT3 - T4 19 KOne of neighbour pixelssuccessful at first 6 tests TRUE FI

35、RE PIXELEliminates cropland andgrassland false firesEliminates thin cloudswith warm backgroundEliminates single pixel fireLi et al., 1998CCRS WWWForest Fires - Aug 11, 1998CCRSCCRS热红外遥感应用热红外遥感应用Figure 1. The initial stage of the forest fire. Several fires are visible in neighbouring Russia but none

36、in China.热红外遥感应用热红外遥感应用Figure 2. The start of the forest fire. This image was received on May 6, 1987. There were three fire sources in China, one of which did not develop.热红外遥感应用热红外遥感应用Figure 3. Rapid spread of the forest fire, morning of May 8, 1987. 热红外遥感应用热红外遥感应用Figure 4. The later stage of the forest fire. The surface fires had been extinguished and the damage situation could be seen clearly.