熱紅外遙感PPT文檔

授課教師:周紀(jì)辦公室:研究院大樓511A熱紅外——從另一個視角看世界熱紅外——從另一個視角看世界熱紅外遙感是攝影測量與遙感的重要分支之一一、基本原理與概念二、地面熱紅外測量三、熱紅外遙感數(shù)據(jù)四、數(shù)據(jù)處理技術(shù)與流程五、典型應(yīng)用1.熱紅外遙感自然界中任何溫度高于絕對零度的物體，都在不斷地向外發(fā)射電磁波。熱紅外遙感即通過熱紅外傳感器收集地物輻射出來的人眼不可見的熱紅外輻射能量(3~14μm)，轉(zhuǎn)換為人眼可見的圖像。地面熱紅外測量數(shù)據(jù)處理的目的，一般是獲取真實地表溫度NDVI閾值法的形式為：OMIS實用型模塊化成像光譜儀2012年第192天12:10中國MODIS影像L↓λandL↑λaretheatmosphericdownwellingandupwellingradiance,國內(nèi)外熱紅外遙感研究進(jìn)展L↓λandL↑λaretheatmosphericdownwellingandupwellingradiance,常用儀器—長波輻射傳感器常用儀器—長波輻射傳感器自然界中任何溫度高于絕對零度的物體，都在不斷地向外發(fā)災(zāi)害預(yù)警與監(jiān)測（地震、林火、火山噴發(fā)等）利用遙感器觀測目標(biāo)物輻射或反射的電磁能量時，從遙感器2.黑體輻射黑體被定義為完全的吸收體和發(fā)射體。它吸收和重新發(fā)射它所接收到的所有能量(無反射)，即吸收率和發(fā)射率均為1。自然界并不存在黑體。黑體輻射重要的基本定律：普朗克定律、維恩位移定律、斯特藩-玻爾茲曼定律。3.普朗克定律(Planck’slaw)黑體的熱輻射與溫度、波長可以表示為：C1K1Bλ(Tλ)=5C2/(λTλ)λ[e?1]Tλ=ln[1+K2/Bλ(Tλ)]whereλwavelength/channelC11stradianceconstant,K2=C1/λ5C22ndradianceconstant,K1=C2/λTλtemperatureatλBλ(Tλ)theradiance不同溫度條件下黑體輻射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：4.維恩位移定律(Wien’sdisplacementlaw)利用普朗克方程可推導(dǎo)出：黑體輻射光譜中最強(qiáng)輻射的波長λm與黑體絕對溫度T成反比：表1.絕對黑體溫度與最大輻射所對應(yīng)波長的關(guān)系T(K)λm(μm)典型物體輻射曲線5.斯特藩-玻爾茲曼定律(Stefan-Boltzmann’slaw)黑體在整個電磁波譜范圍內(nèi)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到正無窮的定積分：∞M=Mλ()λdλ0由此，可推導(dǎo)出斯特藩—玻爾茲曼定律：絕對黑體的總輻射出射度與黑體溫度的四次方成正比。M=σT4σ為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)。6.比輻射率(發(fā)射率)自然界中黑體輻射是不存在，一般地物輻射能量總要比黑體輻射能量小。如果利用黑體輻射有關(guān)公式，則需要增加一個因子，那就是比輻射率(發(fā)射率)。發(fā)射率ε是指地物的輻射出射度M與同溫度的黑體輻射出射度M黑的比值。Mε=M黑實際物體的發(fā)射率與其性質(zhì)、表面狀況（如粗糙度、顏色）有關(guān)，且是溫度和波長的函數(shù)。依據(jù)發(fā)射率與波長的關(guān)系，將實際物體分為三種類型：黑體、灰體、選擇性發(fā)射體。(1)黑體或絕對黑體，其發(fā)射率ε=1，即黑體發(fā)射率對所有波長都是一個常數(shù)，并且等于1。(2)灰體，其發(fā)射率ε=常數(shù)＜1（因吸收率α＜1）。即灰體的發(fā)射率始終小于1，ε不隨波長變化。(3)選擇性輻射體，其發(fā)射率隨波長而變化，而且ε＜1（因吸收率α也隨波長而變化并且α＜1）。7.熱紅外遙感信息獲取過程(輻射傳輸方程)熱紅外遙感傳感器獲得的能量主要包括三個部分：地物直接輻射大氣上行輻射地表反射的大氣下行輻射LBTLLλλλλλλλ=+?+ετλετ(,)(1)s↓↑Atmospherewhereλiswavelength;LλistheTOAradiance;ελisthesurfaceemissivity;τλisthetotaltransmittanceoftheatmosphere;B(λ,Ts)istheradianceemittedbyablackbodyattemperatureTs;L↓λandL↑λaretheatmosphericdownwellingandupwellingradiance,respectively.Ground1.地面測量目的工業(yè)應(yīng)用：管道泄漏、建筑能耗、養(yǎng)殖業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)等攝影測量與遙感：驗證和發(fā)展遙感模型、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)等2.常用儀器—手持式紅外輻射計2.常用儀器—固定式紅外輻射計2.常用儀器—固定式紅外輻射計2.常用儀器—固定式紅外輻射計周紀(jì)課題組獲得的長時間序列野外觀測數(shù)據(jù)3.常用儀器—熱紅外成像儀(熱像儀)3.常用儀器—熱紅外成像儀(熱像儀)4.常用儀器—長波輻射傳感器4.常用儀器—長波輻射傳感器5.黑體輻射源熱紅外測量精度要求高，使用中需要對設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定(校準(zhǔn))人造黑體：黑體輻射源Fluke4180黑體輻射源6.地面測量數(shù)據(jù)的處理地面熱紅外測量數(shù)據(jù)處理的目的，一般是獲取真實地表溫度處理原理：熱輻射遙感信息的獲取過程——輻射傳輸方程。對于不同的傳感器，因其波段寬度可能有差異，處理流程略有差異。對于紅外輻射計和熱像儀，當(dāng)離地表距離較近的時候，輻射傳輸方程可簡化為:Liiiii=+?ελεBTL(,)(1)s↓λmaxλλλλf()d?1L??(1)εL↓TBs=iiiλi=minmaxλf()λλdεiminλ6.地面測量數(shù)據(jù)的處理對于長波輻射傳感器，當(dāng)離地表距離較近的時候，輻射傳輸方程可簡化為:7.處理結(jié)果示例7.處理結(jié)果示例國內(nèi)外熱紅外遙感研究進(jìn)展熱紅外遙感的發(fā)展可以從1962年第一臺紅外測溫儀誕生算起；1978年美國發(fā)射熱慣量衛(wèi)星(HCMM)，首次用衛(wèi)星來觀測地球表面的溫度差異；隨后，紅外技術(shù)不斷發(fā)展，一系列航空航天遙感器運(yùn)用了熱紅外波段采集地面數(shù)據(jù)，并將其應(yīng)用于軍事、地質(zhì)填圖、熱制圖、熱慣量估算以及災(zāi)害監(jiān)測、環(huán)境污染等方面;我國從1975年研制第一臺紅外測溫儀以來，先后研制了包括了多個熱紅外波段在內(nèi)的多光譜掃描儀，并進(jìn)行了相應(yīng)的熱紅外遙感應(yīng)用研究，如巖溶區(qū)探水、熱紅外探礦、探地?zé)?、城市熱島、林火監(jiān)測等均取得不少成果;多種星載、機(jī)載傳感器的研制成功，特別是AVHRR、MODIS、ASTER、Landsat、HJ-1B等。表2.國內(nèi)外星載熱紅外傳感器技術(shù)及特點傳感器衛(wèi)星計劃波段數(shù)光譜范圍（μm）空間分辨率用途AIRS大氣紅外探測儀大氣溫度濕度ASTER射探測器高級空間熱輻射熱反EOS(美國)148-1290m陸地表面，水和云ATSR縱向掃描輻射儀1km*km云、海面溫度AVHRR甚高分辨率輻射儀NOAA-11(美國）1.1kｍ海面溫度、植被、氣溶膠CERES云和地球輻射能系統(tǒng)EOS（美國）地球輻射平衡HIRDLA分辨儀高分辨率臨界動態(tài)GLI全球成像儀EOS（美國）大氣溫度、水分及化學(xué)ADEOSII（日本）34可見,近紅及熱紅外1km碳循環(huán)HIRS/21測儀高分辨率紅外輻射探ILAS改進(jìn)型臨邊大氣光譜儀大氣溫度、濕度大氣IR-MSS紅外多光譜掃描儀CBERS(中國西)/巴40.5-12.578m,156m中等分辨率制圖表2.國內(nèi)外星載熱紅外傳感器技術(shù)及特點(續(xù))ISTOK-1統(tǒng)紅外光譜掃描儀系LISS-3器3型線形成像自掃描傳感MODIS譜輻射儀中等高分辨率成像光大氣輻射陸地和水資源管理（美國）EOS360.4-14.5250m,500m,1km地球物理過程、大氣、海洋、陸地SCARAB輻射收支掃描儀全球輻射收支SR掃描輻射儀FY-2中國氣象SROM海洋監(jiān)測光譜掃描儀ALMAZ-1B(俄)中/600m星下點海洋、葉綠素、生物生產(chǎn)率TMG溫室氣體干涉檢測儀溫室氣體制圖VIRS可見光紅外廣掃描儀TRMM(美/日)53.75，12.010.8，2km云輻射VISSR輻射掃描儀可見光紅外光旋轉(zhuǎn)式VISSR射掃描儀可見光紅外光自旋輻（日本）GMS30.5-12.52.5*2.5km,5*5km70.45-12.515m,28.5m,60m,地球制圖、云覆蓋METEOSAT(空局）歐地球、大氣觀測TM專題繪圖儀LANDSAT（美）獲取地球表層信息120mETM+增強(qiáng)型專題繪圖儀LANDSAT(美)80.45-12.530m,15m,120m獲取地球表層信息表3.國內(nèi)外機(jī)載熱紅外傳感器技術(shù)及特點傳感器國別波段數(shù)波段范圍(μm)工作期間瞬時視場mard用途AMSS航空多光譜掃描儀澳大利亞始于1985年2.1*環(huán)境監(jiān)測3.1ASTER模擬儀器美國208-12始于199125.0或1.2*1.2云、陸地測量CIS中國成像光譜儀中國始于1993年陸地表面觀測DAIS-7915儀數(shù)值式航空成像光譜美國DAIS-16115譜儀數(shù)值式航空成像光GER-63通道掃描儀始于1993年3.3，5.02.5，陸地海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測陸地海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測美國始于1994年3美國始于1986年3.3、5.02.5或環(huán)境監(jiān)測地質(zhì)研究ISM紅外成像光譜儀法國始于1991年1.2*11地質(zhì)、云、雪、植被地球物理大氣海洋陸地表面MASMODIS航空模擬儀器美國始于1992年2.5MIVI儀多光譜紅外及可見光光譜美國MUSIS多光譜紅外照相機(jī)9090始于1993年2.0地質(zhì)和環(huán)境研究美國始于1989年0.5化學(xué)蒸發(fā)、光譜特征陸地和海洋資源勘察及環(huán)境監(jiān)測OMIS實用型模塊化成像光譜儀中國始于2000年3SMIFTS換光譜儀空間可調(diào)成像傅立葉變美國始于1993年0.77陸地表面觀測2012年第192天12:10中國MODIS影像左：R/G/B=2/1/4；右：31；空間分辨率：1km。2012年第192天23:15中國MODIS影像左：R/G/B=2/1/4；右：31；空間分辨率：1km。2012年5月30日12:12甘肅省張掖綠洲ASTER影像左：R/G/B=3/2/1；空間分辨率：15m；右：13；空間分辨率：90m。2012年8月2日12:12甘肅省張掖綠洲ASTER影像左：R/G/B=3/2/1；空間分辨率：15m；右：13；空間分辨率：90m。2012年6月30日14:13-18:11與7月10日甘肅省張掖綠洲航空TASI影像空間分辨率：3m1.幾何校正原始遙感圖像常包含嚴(yán)重的幾何變形，一般分為系統(tǒng)性和非系統(tǒng)性的兩大類。幾何校正的目的就是要糾正這些系統(tǒng)及非系統(tǒng)性因素引起的圖像變形，從而使之實現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)圖像或地圖的幾何整合。具體步驟：地面控制點(GCP)的選取多項式糾正模型重新取樣(重采樣)、內(nèi)插2.輻射校正利用遙感器觀測目標(biāo)物輻射或反射的電磁能量時，從遙感器得到的測量值與目標(biāo)物的光譜輻亮度等物理量是不一致的。遙感器本身的光電系統(tǒng)特征、太陽高度、地形以及大氣條件等都會引起光譜輻亮度的失真。這種消除影像數(shù)據(jù)中依附在輻亮度里的各種失真的過程稱為輻射校正。具體步驟：遙感器校正大氣校正太陽高度和地形校正遙感器校正：輻射定標(biāo)Lλ=MlQcal+AlRADIANCE_MULT_BAND_1=1.2184E-02RADIANCEMULTBAND2=1.2477E-02___RADIANCE_ADD_BAND_1=-60.92190RADIANCEADDBAND2=-62.38477___………………functionConversion_to_Radiance,DN_arr1,gains_offsets,band_indexgain_band=gains_offsets[band_index-1,0]offset_band=gains_offsets[band_index-1,1]print,gain_band,offset_bandDN_arr2=DN_arr1*gain_band+offset_bandreturn,DN_arr1end……遙感器校正：輻射定標(biāo)3.發(fā)射率的估算：目前，用于確定地表發(fā)射率的主要方法有α殘差法、日夜算法、發(fā)射率邊界法、灰體法、最大-最小值差值法、參考通道法、歸一化方法、比值法、溫度光譜指數(shù)法、分類法等。對于AVHRR、MODIS等較低空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)而言，使用較多的是分類法和NDVI閾值法（NDVITHM）。NDVI閾值法的形式為：abλλ+<ρReds,NDVINDVIεεε=+?+≤≤PPC()1,NDVINDVINDVIλλλλvvsvsvvvε+λλC,NDVI>NDVI式中，λ為波長，代表某波段；ελ為發(fā)射率；ρRed為紅外波段的地表反射率；εvλ與εsλ為分別為植被、裸土的發(fā)射率；Pv為植被覆蓋度；Cλ用于糾正由于地表粗糙度導(dǎo)致的腔體效應(yīng)，對于平坦地表取值為0；NDVIs、NDVIv為區(qū)分純凈裸土區(qū)域、裸土與植被混合區(qū)域、純凈植被區(qū)域的閾值。簡化方法輻射傳輸方程方法單窗算法/單通道算法分裂窗算法地表溫度/發(fā)射率分離算法其它AtmosphereGround使用Landsat8數(shù)據(jù)反演地表溫度的流程Landsat8數(shù)據(jù)Calibration大氣廓線MOD07product反射波段數(shù)據(jù)熱紅外波段數(shù)據(jù)大氣廓線OLIdataTIRSdataMOD07輻射傳輸模型MODTRAN地表反射率MODTRANReflectance模擬上下行大氣輻亮度和大氣透過率NDVI（NDVI閾值法）各像元發(fā)射率地表溫度反演Pixelemissivity地表溫度真實性檢驗基于MODIS數(shù)據(jù)反演地表溫度生成的時間：LST(AquaMODIS)2003181.2050版本:2015年4月MODIS產(chǎn)品：MYD11_L2海陸邊界生成的LST產(chǎn)品MODISLST產(chǎn)品生成的時間：版本:2015LST(AquaMODIS)2013133.1935年4月MODIS產(chǎn)品：MYD11_L2基于MODIS數(shù)據(jù)反演地表溫度生成的LST產(chǎn)品湖泊湖泊MODISLST產(chǎn)品熱紅外遙感應(yīng)用非常廣泛，如：災(zāi)害預(yù)警與監(jiān)測（地震、林火、火山噴發(fā)等）全球、區(qū)域氣候變化（全球增溫等）建筑能耗與人居環(huán)境評估（城市熱島效應(yīng)等）環(huán)境監(jiān)測（核電站廢水監(jiān)測等）