熱紅外遙感機理及應(yīng)用

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1、熱紅外遙感原理及應(yīng)用報告人：王鳳敏南京大學(xué)國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所2005年01月21號主要內(nèi)容熱紅外遙感概念熱紅外遙感機理熱紅外遙感技術(shù)及研究進展熱紅外遙感大氣校正溫度與發(fā)射率反演熱紅外遙感應(yīng)用實例熱紅外遙感問題與討論1.熱紅外遙感概念1.1什么是熱紅外遙感？自然界任何溫度高于熱力學(xué)溫度（0K或-273oC）的物體都不斷地向外發(fā)射電磁波。熱紅外遙感即通過熱紅外探測器收集地物輻射出來的人眼看不到的熱紅外輻射通量，經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換而變成人眼能看到的圖像。熱紅外遙感技術(shù)的發(fā)展是為了獲取地物的熱狀況信息，從而推斷地物的特征及環(huán)境相互作用的過程，為科學(xué)和生產(chǎn)所應(yīng)用。簡而

2、言之，熱紅外遙感即確定地表溫度和發(fā)射率及其應(yīng)用!1.2熱紅外遙感的特點由于被遙感的物體在任何時間都在不斷地向外輻射熱紅外線，熱紅外遙感可以在白天或黑夜無人造光源的條件下實施，它是一種全天時的遙感手段。熱紅外遙感比可見光、近紅外、短波紅外遙感復(fù)雜，主要原因在于：1）地物從熱輻射的吸收到標志地物熱特性的溫度的升高，有一個熱儲存和熱釋放過程，這與地物本射的熱性質(zhì)和環(huán)境條件有關(guān)；2）改變地物熱狀況的熱源，不僅是熱輻射，而且還有顯熱輸送和潛熱輸送問題，這涉及到微氣象參數(shù)、土壤物理參數(shù)、植被生化參數(shù)；3）熱紅外遙感空間分辯率比較低，混合像元問題也是一個難點；4）另外還

3、有定標上的困難以及將測量值校正到目標真實物理量值；5）對復(fù)雜地形，如植被（包括森林）、斜地形、水體、裸土和城市景觀的混合系統(tǒng)進行精確評價表面通量；以及云影響的探測和消除等問題。植物生長、作物產(chǎn)量、地表水分的蒸發(fā)及循環(huán)、氣候變遷、全球變化以及地質(zhì)礦產(chǎn)的開發(fā)均與地球熱系統(tǒng)狀況有著密切的關(guān)系，用熱紅外遙感技術(shù)來獲取地球熱狀況的信息是一個非常重要的手段。故熱紅外遙感是一門既有難度又有廣闊應(yīng)用前景的學(xué)科，其基礎(chǔ)研究直接關(guān)系到技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用的推廣。2.熱紅外遙感機理2.1熱紅外大氣窗口和熱紅外波段2.2熱紅外遙感成像熱紅外掃描儀示意圖2.3地球溫度與熱輻射峰值2.4

4、地球表面的熱量特征海洋表面溫度：相對均質(zhì)；陸地表面溫度：物質(zhì)非均質(zhì)性，導(dǎo)致地表溫度空間差異大，1米距離內(nèi)可能有較大的溫度變化。2.5熱輻射基本定律在一定的溫度下，任何物體的輻射出射度與其吸收率的比值是一個普適函數(shù)。只是溫度、波長的函數(shù)．與物體的性質(zhì)無關(guān)。這就是基爾霍夫定律?；鶢柣舴蚨杀砻鳎喝魏挝矬w的輻射出射度，和其吸收率之比都等于同一溫度下的黑體的輻射出射度(1)基爾霍夫定律（2）Plank定律Where?wavelength/channelC11stradianceconstant,K2=C1/?5C22ndradianceconstant,K1=C2

5、/?T?temperatureat?B?(T?)theradiance絕對黑體的輻射光譜對于研究一切物體的輻射規(guī)律具有根本的意義，1900年普朗克引進量子概念，將輻射當(dāng)做不連續(xù)的量子發(fā)射，成功他從理論上得出了與實驗精確符合的絕對黑體輻射出射度隨波長的分布函數(shù)。不同溫度的黑體所輻射的能量隨波長而變化狀況，以及熱紅外波長區(qū)間的大氣透射狀況(3)維恩位移定律利用普朗克方程還可導(dǎo)出，黑體輻射光譜中最強輻射的波長?max與黑體絕對溫度T成反比：?max?T=bb為常數(shù),b=2.898x10-3m?k表.絕對黑體溫度與最大輻射所對應(yīng)波長的關(guān)系T（K）300500100

6、0200030004000500060007000λmax(μm)9.665.802.901.450.970.720.580.480.41(4)斯式藩—玻爾茲曼定律整個電磁波謠的總輻射出射度M，為某一單位波長的輻射出射度對波長做0到無窮大的積分，即:用普朗克公式對波長積分，便導(dǎo)出斯成藩—玻爾茲曼定律，即絕對黑體的總輻射出射度與黑體溫度的四次方成正比。2.6熱輻射傳輸方程式中z是高度(z0表示地表面，zsat表示衛(wèi)星高度)；??是大氣的總光譜透過率；A?是大氣的向下光譜輻射量。公式右邊第1項表示地表面的光譜輻射量，第2項是地表面反射回來的太陽和大氣輻射量，第

7、3項是大氣的向上輻射對衛(wèi)星遙感器所接收到的輻射信號的貢獻。由于大氣質(zhì)量的分層性，大氣對遙感器信號的貢獻主要來自大氣低層，即接近地球表面的低層大氣的作用明顯大于大氣上層的作用。Bi(Ti)=?i(?)[?iBi(Ts)+(1-?i)Ii?]+Ii?WhereBi(Ti)observedradianceBi(Ts)groundradianceIi?downwellatmosphericradianceIi?upwellatmosphericradiance?i(?)atmospherictransmittance?igroundemissivityichann

8、elThermalradiancetransferequation