3.6热红外遥感

热红外遥感热红外遥感是利用热红外波段研究地球物质特性的技术手段，可以获取地球表面温度，在城市热岛效应、林火监测、旱灾监测等领域有很好的应用价值。

由于热红外遥感涉及知识多而且深，特别是地表温度反演，需要大气传输、几个定律等方面的知识，本文用通俗语言总结了热红外遥感基本原理和方法，能知道热红外遥感怎么回事及简单的应用。

本文主要包括：●基本定义和原理●常见名词●简单应用与温度反演●ENVI下地表温度反演1、基本定义和原理热红外遥感（infrared remote sensing ）是指传感器工作波段限于红外波段范围之内的遥感。

这是一个狭义的定义，只是说明的数据的获取。

另外一个广义的定义是：利用星载或机载传感器收集、记录地物的热红外信息，并利用这种热红外信息来识别地物和反演地表参数如温度、湿度和热惯量等。

热红外遥感的信息源来自物体本身，其基础是：只要其温度超过绝对零度，就会不断发射红外能量，即地表热红外辐射特性。

如下图为黑体的辐射光谱曲线（不同温度下物体辐射能量随波长变化的曲线），常温的地表物体（300K左右）发射的红外能量主要在大于3μm的中远红外区，即地表热辐射。

热辐射不仅与物质温度的表面状态有关，物质内部组成和温度对热辐射也有影响。

在大气传输过程中，地表热辐射能通过3-5μm和8-14μm两个窗口，这也是大多数传感器的设计波段范围。

热红外遥感在地表温度反演、城市热岛效应、林火监测、旱灾监测、探矿、探地热，岩溶区探水等领域都有很广的应用前景。

2、常见名词热红外遥感涉及的知识多而且深，下面来了解热红外遥感中几个基本的名词。

● 辐射出射度单位时间内，从单位面积上辐射出的辐射能量称为辐射出射度，单位是 2-⋅m W● 辐射亮度辐射源在某一方向上单位投影表面、单位立体角内的辐射通量，称为辐射亮度 (Radiance)，单位是瓦/平方米*微米*球面度(1-12μm --⋅⋅⋅Sr m W )。

很多地方会将辐射亮度和辐射强度区分，我这里理解的是一个概念。

可见光与热红外遥感原理与应用第一章遥感基本原理1.1电磁波及电磁波谱电磁波根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场能够在它周围引起变化的磁场，这一变化的磁场又在较远的区域内引起新的变化电场，并在更远的地方引起新的变化磁场。

这种变化的电场和磁场交替产生，以有限的速度由近及远在空间传播的过程称为电磁波。

电磁波的传播过程也就是能量的传递过程。

电磁波遥感：一切物体，由于种类、特征和环境条件不同，而具有完全不同的电磁波的反射或者发射特征。

遥感技术是建立在物体反射或发射电磁波的原理上。

电磁波的存在是获取遥感图像的物理前提。

电磁波在真空中传播的波长或者频率，按照递增或递减顺序排列成谱，就得到了电磁波谱。

电磁波谱的范围表示方法：波长/频率电磁波谱黑体辐射黑体（基尔霍夫1806年）是指在任何温度下，对所有波长的电磁辐射都能够完全吸收，同时能够在热力学定律所允许的范围内最大限度地把热能变成辐射能的理想辐射体。

它是作为研究物体发射的计量标准。

（黑色烟煤）电磁辐射的度量电磁辐射是具有能量的。

辐射能量（Q）的单位是焦耳（J）辐射通量：在单位时间内通过的辐射能量，单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）辐射出射度（辐射通量密度）: 单位面积上的辐射通量,单位是瓦/米²（W/m²）物理定律电磁波发射遵循三个物理定律：普朗克定律、斯特潘-波尔曼定律、维恩位移定律。

普朗克辐射（plank）定律对于黑体辐射源，普朗克成功给出了辐射通量密度Wλ与温度T、波长λ的关系：式中：W λ为辐射出射度（辐射通量密度），λ是以m为单位的波长，Ｔ绝对温度(Ｋ)，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，c是光速。

✓在给定温度下，黑体的光谱辐射能力随波长而变化。

✓温度愈高，Wλ愈大，即光谱辐射能力越强。

斯特潘-玻尔曼（Stefan-boltzmann）定律将普朗克公式从零到无穷大的波长范围内积分，得到从单位面积的黑体上辐射到半球空间里的总辐射出射度w。

关于地震监测预报的理论研究作者：赵桂宝来源：《城市建设理论研究》2013年第24期摘要：本文论述了地震监测预报的作用、理论基础及主要预测手段，并对如何加强地震监测预报工作的对策措施进行了分析探讨。

关键词：地震监测预报监测手段观测环境应对措施中图分类号：P315 文献标识码：A 文章编号：近年来，全球地震频发，一次次的地震显示出大自然对人类的喜怒无常和不可捉摸。

地震造成的人员伤亡和财产损失牵动着人们敏感而脆弱的的神经。

经过中国地震科技工作者不懈的努力，我国的地震预测研究在观测、实验、理论等方面开展了大量的工作，通过对大地震震例研究，提出了以前兆分析为基础的预报新思路，并对一些特定类型的地震，做出了若干成功的预测预报，在地震预测预报方面居国际领先地位。

据统计，1949年—2005年止，中国地震灾害造成27.8万人死亡，民房毁坏约1100万间，直接经济损失超过420亿元。

我国地震死亡人数约占全球地震死亡人数的一半，是世界上地震灾害最严重的国家之一。

2008年5月12日，汶川8.0级地震造成了巨大人员伤亡和财产损失，2010年4月14日，青海省玉树藏族自治州玉树县的7.1级地震使得社会公众对地震这一严重的自然灾害给予了空前的关注，也对地震预报提出了更高的要求。

1 地震监测预报的作用1.1实现有显著影响和具有破坏性地震的速报，积累地震孕育过程中的地球介质及各种物理场变化的连续、完整和可靠的资料，为地震的预测预报和各项地震科学研究提供基础数据。

1.2进一步加强地震监测预报体系建设，持续推进地震监测预报科技进步，坚持科学发展观，是实现新时期防震减灾目标的重要保障。

地震监测预报是减轻地震灾害的重要手段之一，一次成功的地震预报可以大大减轻人员的伤亡和财产的损失。

1.3能够对某些类型的地震作出一定程度的预报，经过统计分析，用比较严格的三要素标准来衡量年度预报的报准率约30%，若把时间尺度略放长一些，把发生在圈定的区域边缘的地震计算在内，则报准率可接近60%。

热红外遥感的原理及应用1. 热红外遥感的原理热红外遥感是一种利用物体自身辐射的红外辐射进行探测和观测的技术。

其原理基于热物理学中的黑体辐射定律和斯特藩－玻尔兹曼定律，即物体的温度决定了其辐射的能量和频率分布。

根据这一原理，热红外遥感通过测量地面目标的红外辐射能量，可以获取目标的温度信息以及其他相关的热学参数。

2. 热红外遥感的应用热红外遥感技术在许多领域得到广泛应用，以下列举一些主要应用领域：2.1 军事和安全领域热红外遥感技术在军事和安全领域发挥着重要作用。

通过热红外遥感技术，可以对潜在目标进行侦查和监测，如军事目标、地下设施和边界监控等。

此外，热红外遥感还可用于火灾和爆炸等事故的监测和警报。

2.2 环境监测和资源调查热红外遥感技术在环境监测和资源调查方面具有广泛应用。

通过测量地表温度和地表辐射，可以监测土地利用、植被生长和生态系统变化等。

此外，热红外遥感还可以用于水资源调查、矿产资源勘探和气候变化观测等方面。

2.3 建筑和城市规划热红外遥感技术在建筑和城市规划方面也有广泛的应用。

通过测量建筑物和城市地区的热态，可以分析建筑物的热效应和能耗，进而优化建筑设计和能源利用。

此外，热红外遥感还可以用于城市热岛效应研究、城市规划和交通管理等方面。

3. 热红外遥感的优势和挑战虽然热红外遥感技术具有广泛的应用前景，但也面临一些挑战。

3.1 信号解析和处理热红外遥感技术所获取的数据量庞大，需要进行信号解析和处理才能得到有用的信息。

目前，研究人员正致力于开发高效的算法和技术，以提高数据处理的效率和准确性。

3.2 仪器和设备热红外遥感技术需要借助特殊的仪器和设备进行数据采集和测量。

这些仪器和设备的性能和精度对于数据的质量和可靠性至关重要。

因此，研究人员需要不断改进和优化热红外遥感设备，以满足不同应用领域的需求。

3.3 数据解释和分析热红外遥感技术所获得的数据需要经过解释和分析才能得出准确的结论。

这需要研究人员对数据进行深入的理解和分析，以及对所研究对象的特性有足够的了解。

第五章、热红外遥感基础热辐射热红外遥感就是利用星载或机载传感器收集、记录地物的这种热红外信息。

并利用这种热红外信息来识别地物和反演地表参数，如温度、湿度和热惯量等td Q =φ是时间的函数与面积无关，任何面积都有辐射能通过！由此来引出另外两个概念：辐射出射度、辐射入射度st d d d M φ=sds t d d d E φ=sd (辐射照度，简称：辐照度)θ法线Ωφ)()(θφθCOS I Ω=LQ0Q RQAQT黑体、灰体、选择性吸收体C；光谱发射率是比值的概念是比值的概念；！是能量的累积！光谱发射度是能量的累积发射度==辐射出射度发射度前提条件：与物体的温度和电磁波的波长无关；黑体的吸收率最大，同时它的发射率也最大；它是理想的辐射体。

黑体概念是理解热红外遥感的基础在任何温度下，对各种波长的电磁辐射能的吸收系数恒等于1的物体称为黑体只是由于热辐射是随着构成物体的物质和条件的不同而变化，因而需要引入黑体这一概念作为热辐射定量研究的基准。

黑色无烟煤记住黑体不一定是黑色的物体，而要看它的发射率是否最大！金属水银灯氙灯()112,/52−•=T hc hc T M λκλλπλl λ——波长黑体辐射公式由此引出了另一个黑体辐射定律温度4)(T d M M σλλ==∫∞绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比！黑体的辐射能量是该黑体表面温度的函数。

——斯忒藩-波耳兹曼常数=5.6697×10-8(Wm -2K -4)T A m =λ在黑体辐射光谱中最强辐射的波长λm 与黑体绝对温度T 成反比。

地球辐射能主要集中在：中红外、远红外物体热辐射的强度和峰值波长都是随物体的温度而变化！但是对非黑体的真实物体，由于比辐射率的影响，要获得地表真实温度的难度便大得多。

石英250 K250 K 黑体黑体石英对应于每一波长的光谱辐射出射度！实际地物辐射出射度与同温下黑体的辐射出射度比值永远小于或接近于1，之间存在一个系数，即，比辐射率ε！TTM T E ,),(λλαλ⋅=它是衡量物体发射本领的参数，它也表明了物体的吸收本领的高低。

热红外遥感图像判读在当今的科技领域中，遥感技术犹如一双“千里眼”，让我们能够从遥远的地方获取地球表面的信息。

而热红外遥感作为遥感技术的一个重要分支，凭借其独特的优势，在众多领域发挥着关键作用。

那么，什么是热红外遥感图像判读呢？热红外遥感图像，简单来说，就是通过传感器对物体发射的热红外辐射进行记录和测量所得到的图像。

这些图像中的每一个像素都包含着物体表面温度的信息。

要准确判读热红外遥感图像，首先得了解热红外辐射的基本原理。

所有物体，只要其温度高于绝对零度（－27315℃），就会不断地向外发射热红外辐射。

物体的温度越高，其发射的热红外辐射能量就越强。

而且，不同的物体由于其材质、结构和物理状态的差异，对热红外辐射的吸收、反射和发射特性也各不相同。

在判读热红外遥感图像时，温度差异是一个关键的因素。

比如，在城市热岛效应的研究中，我们可以通过热红外遥感图像清晰地看到城市中心区域的温度明显高于周边郊区。

这是因为城市中建筑物密集、人口众多、交通繁忙，产生了大量的热量。

再比如，在森林火灾的监测中，火灾区域的温度会急剧升高，在热红外遥感图像中表现为高亮的区域，从而能够及时发现和定位火灾。

然而，仅仅依靠温度差异来判读热红外遥感图像是不够的，还需要考虑其他因素。

比如，物体的比辐射率。

比辐射率是指物体的辐射出射度与同温度下黑体辐射出射度的比值。

不同的物体具有不同的比辐射率，这会影响到它们在热红外遥感图像中的表现。

例如，金属的比辐射率通常较低，在热红外遥感图像中可能显得较暗；而水的比辐射率较高，在图像中则相对较亮。

此外，环境因素也会对热红外遥感图像的判读产生影响。

比如，天气状况、时间和季节等。

在晴朗的天气条件下，热红外遥感图像的质量通常较好；而在多云或有雾的天气下，图像可能会受到干扰。

一天中的不同时间和一年中的不同季节，由于太阳辐射的强度和角度不同，物体的温度也会有所变化，这也需要在判读时加以考虑。

为了更有效地判读热红外遥感图像，还需要掌握一些判读方法和技巧。

浅谈热红外遥感及其运用一、概念：热红外遥感即通过热红外探测器收集、记录地物辐射出来的人眼看不到的热红外辐射信息，并利用这种热红外信息来识别地物和反演地表参数（如温度、发射率、湿度、热惯量等）。

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其与环境相互作用的过程，并为科学和生产所应用。

简而言之，热红外遥感即确定地表温度和发射率及其应用!二、常用波段及特点：0.76 ~ 1000 μm ：红外辐射（红外谱段）；其中0.76 ~ 3.0 μm ：反射红外波段 3.0 ~ 14 μm ：发射红外波段3 to 5 μm 、8 to 14 μm8 to 14 μm ：波段范围较宽，因此对于许多特定的物质类型，它的发射率较稳定，但还是有细微差异（10.5~11.5μm、11.5~12.5μm ）。

用于调查地表一般的热辐射特性，探测常温下物体温度分布、目标的温度场从而进行热制图。

3 to 5 μm：对高温目标物的识别敏感，常用于获取高温目标的信息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。

优点——夜间成像、浅层探测、地物热特性。

局限性——空间分辨率低、光谱分辨率低、易受环境影响、混合像元问题、温度与发射率分离问题。

三、三大定律：（一）黑体辐射定律1.普朗克公式（Plank）M——黑体辐射出射度T——温度h ——普朗克常数，6.626´10-34J·Sk——波耳滋曼常数，1.3806 ´10-23J·k-1C——光速，2.998´108m/sl——波长2.斯忒藩——波耳兹有曼定律（Stefen-Boltzmann）任何给定温度的黑体表面的总辐射度，可由其光谱辐射度曲线与波长轴围成的面积给出。

即，在所有波长范围内，如果一个传感器能测量黑体辐射度，记录的信号与在给定温度下黑体辐射度曲线下面积与波长轴围成的面积成正比，斯忒藩——波耳兹曼定律给出了该面积的数学表达式：s——斯忒藩-波耳兹曼常数=5.6697´10-8(Wm-2K-4)斯忒藩——波耳兹曼定律绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比！黑体的辐射能量是该黑体表面温度的函数。

热红外遥感147603676 133****************1 2 3 4 51热红外遥感基本理论1.普朗克定律——分谱辐射通量密度，单位（ ）；λ ——波长，单位μm ；h——普朗克常数=6.6256⨯10-34J·s ；c ——光速3⨯108 m/s ；k——玻耳兹曼常数=1.38⨯10-23 J / K ；T——绝对温度K 。

151152,)1()1(22---⋅=-=T c T k ch e c E h c E T λλλλπλ黑体辐射公式是由普朗克于1900年导出的：1.普朗克定律2.1.2.3.4.342.3. 比辐射率获取根据基尔霍夫定律，比辐射率是目标红外特性的重要参数，可通过地面测量得到各类目标的比辐射率。

(,,)(,)(,)(1(,))()t B B s t D W R Lh L T L θλεθλλεθλλ=+-(,,)()(,)(,)()DWR t BB s DWR L T L L T L θλλεθλλλ-=-•大气下行辐射测量•目标辐射测量3. 比辐射率获取2001/04/21 08:002001/04/21 10:002001/04/21 12:002001/04/21 14:002001/04/21 16:002001/04/21 18:002001/04/21 20:002001/04/22 00:00冬小麦辐射方向性分布变化3. 比辐射率获取2 热红外辐射在大气中的传输1. 大气热红外辐射的性质22 36.34.315 9.6外波长区间的大气透射状况1. 大气热红外辐射的性质0.52. 热红外辐射的大气传输方程12345θθθθππλλd L F sin cos )(22/0⋅⋅=⎰θθθϕθϕπλπλd L d F sin cos ),(2/020⋅=⎰⎰λF λL 2. 热红外辐射的大气传输方程L λθϕ12. 热红外辐射的大气传输方程(,)()()(,)()()[1](,)i i s i a i a R f B T d f L d f L d λλλλλλλθϕλετθϕλλλλετθϕλ↑↓=+⋅+-⋅⎰⎰⎰ ↑↓+-+=i i i s i i i i I I T B T B ])1()()[()(εεθτ3 热红外遥感系统地球观测计划红外传感器概览(星载部分)传感器卫星/计划波段数光谱范围( )空间分辨率(水平/垂直)视场(度)瞬时视角mrad用途ASTER高级空间热辐射热反射探测器EOS(美国)148-1290m21urad陆地表面,水和云ATSR纵向扫描辐射仪ERS-1(欧空局)2(MWR)3.7,11.012.01km×1km1km×1km云,海面温度AVHRR甚高分辨率辐射仪NOAA-11(美国)50.58-12.4 1.1km星下点1.4海面温度植被,气溶胶CERES云和地球辐射能系统EOS(美国)30.3-12.021km星下点7824地球辐射平衡HiRDLA高分辨率临界动态分辨仪EOS(美国)21 6.0-18.010km/1km1km×10km大气温度水分及化学GLI全球成像仪ADEOSII(日本)34可见光,近红外,热红外1km碳循环HIRS/21高分辨率红外辐射探测仪NOAA-11(美国)200.69-14.9520.4m大气温度湿度ILAS改进型临边大气光谱仪ADEOS(日本)30.753-11.7713km/2km大气IR-MSS红外多光谱扫描仪CBERS(中国/巴西)40.5-12.578m,156m8.78中等分辨率制图ISTOK-1红外光谱辐射仪系统PRIRODA-1(俄罗斯)640.4-16.00.75-3km大气辐射LISS-3线形成像自扫描传感器3型IRS-1C/1D(印度)40.52-17.523.5m陆地和水资源管理6198592 2.1 3.1 201991651042 5.0CIS中国成像光谱仪12199380 1.2 1.21 619935.0612199478361986905.0 64199140 1.211 50199285.92 2.5 10199370 2.090901989 1.30.5 10019930.70.774 热红外遥感数据预处理()()[]λτεελλλλλλLatm L l T L L sky bb +-+=λελλbb L λsky L λτλatm L●●●●●●●●●1 A. 劈窗算法(,)()s toa L B T L λλλ∆=-(,)(1(0))()s atm L B T L λλλτλ↑∆=--()(,)(0)()toa s atm L B T L λλλτλ↑=+01(,)(1(0))(,())s aL B T B T z d λλλλτλτλτ∆=--⎰01()(,())a atm L B T z d λλτλλτ↑=⎰1(,)(1(0))(,())s a L B T B T z d λλλλτλτλτ∆=--⎰ 1 A. 劈窗算法1((,)(,()))saL B T B T z d λλλτλλτ∆=-⎰dzz k d e )(ρτλλ-=1 A. 劈窗算法此处为水汽的吸收系数，假定它只是波段的函数，不随高度而变，事实上还是气压 和温度的弱函数。