热红外遥感机理及应用

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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-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

2、言之，热红外遥感即确定地表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

3、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

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/channelC11stradianceconstant,K2=C1/5C22ndradianceconstant,K1=C2

5、/TtemperatureatB(T)theradiance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。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=bb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T（K）300500100

6、0200030004000500060007000λmax(µm)9.665.802.901.450.970.720.580.480.41(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

7、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WhereBi(Ti)observedradianceBi(Ts)groundradianceIidownwellatmosphericradianceIiupwellatmosphericradiancei()atmospherictransmittanceigroundemissivityichann

8、elThermalradiancetransferequation