1.4热红外遥感

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红外谱段是位于可见光和微波区域之间的，波长在0.76-1000 \mu m 范围内的区域。我们通常将3-15 \mu m 范围内称为热红外。在热红外波段范围内，物体的热辐射能量大于太阳的反射能量，因此，热红外遥感主要使用遥感手段感应地面物体发射热辐射能的差异。本章将主要介绍热红外遥感的成像原理，图像特征，并概括介绍解译方法、典型系统及主要应用。

一、热红外遥感成像原理

1.黑体辐射与真实物体的辐射

此处需要用到前面介绍道的四定律，详见：物理基础

黑体被定义为完全的吸收体和发射体，吸收率和发射率均为1。

由上我们可以得知以下两点：

一方面，在确定温度T的情况下，从普朗克定律和维恩位移定律，可以确定辐射源的光谱分布，从而推算出物体的峰值波长。

另一方面，在确定温度T的情况下，从斯蒂芬-玻尔兹曼定律，可以计算出物体辐射的总功率。

反之，从物体的峰值波长和辐射总功率，也可以计算出物体温度。这也是热红外遥感的一个典型，同时也是最广泛的应用。

真实物体通常并不具备黑体的特点，它们的吸收率和发射率通常并不为1。基尔霍夫定律表明，真实物体与黑体辐射间存在一个关系式。真实物体的辐射出射度与黑体的辐射出射度的比值为比辐射率。

2.热辐射与地面-大气的相互作用

1）与地表的相互作用：

能量入射到地表物体后，被吸收、反射或透射。一般情况下，在遥感应用中，我们将物体假设为热辐射的不透明体，因此忽略物体对能量的透射。又因物体的发射率近似等于物体的吸收率，因此我们得到：

\varepsilon(\lambda)+\rho(\lambda)=1

式中， \varepsilon(\lambda) 表示物体发射率， \rho(\lambda) 表示物体反射率。因此通过测定物体的反射率，我们可以得到物体的发射率，从而定量表示热辐射与地表的相互作用。

2）与大气的相互作用：

大气的短波辐射指大气对太阳辐射的散射。而大气的长波辐射指大气的热辐射效应，空气中的水汽、氧气等均产生影响，可以概括为下图：

红外波段的大气透过率和大气发射

上图中可以观察到5-8\mu m 以及14 \mu m 以上的长波辐射不能透过大气层，因此我们在选择成像波段时避开这两段波长范围。

3.成像时波段的选择

考虑到红外波段的大气透过率，我们通常选择3-5\mu m 以及8-14 \mu m 两个大气窗口作为成像波段。

热红外遥感的波段选择

3-5\mu m 波段范围内主要用于调查地表一般物体的热辐射特性遥感应用，如城市热岛。

8-14 \mu m 谱段对于高温目标识别敏感，常用于森林火灾、活火山识别。

二、热红外遥感特征

1.热红外遥感图像的特点

热红外遥感图像记录地物的热辐射特性，可以简单地认为是地物辐射温度的分布图像，用黑白色调来记录地物不同的热特性。一般来说，浅色调表示温度高，深色调表示温度低。

热红外图像中有一个重要特点就是阴影。主要分为热阴影和冷阴影，与光学图像中的阴影的含义不一样。阴影产生的原因一般有两种情况：一种是由于阳光未直接照射地面，温度较周围温度低，因而热辐射较弱，呈现冷阴影。这种阴影虽然范围与光学阴影范围相近，但是不会在阳光消失后马上消失，二市逐渐消散。第二种情况是，地面上的热源或冷源，如暖风或冷风吹过地面，由于地面物体的阻挡，背风面容易产生阴影。此外，飞机的热喷气流也会产生热阴影，且不会马上消失，而是逐渐消散。

2.典型地物的热学性质

一般地物白天受太阳辐射，温度较高，呈暖色调；夜晚温度较低，呈冷色调。

水体比热容较大，白天温度低于地表，呈冷色调；夜晚温度高于地表，呈暖色调。

植被辐射温度较高，在夜晚呈暖色调；白天虽然受阳光照射，但因水分蒸腾作用降低叶面温度，因此呈冷色调。

岩石的热容量较低，因此白天呈现较暖的色调；夜晚呈现较冷的色调。不同的岩石热学性质有差异，在图像上的表现也不尽相同。

土壤表面常常有植被或作物覆盖，因此传感器记录的温度常常是表面作物的温度而不是土壤的温度。由于干燥的作物隔开地面，使之保持了一定的热量，因此在夜晚，农作物覆盖区域的色调呈暖色调，而裸土则是冷色调。

三、热红外遥感图像解译

热红外遥感图像解译之前首先应当确定是白天成像还是夜晚成像，再根据不同地物的热学性质及其在图像上反应的特点进行解译。

四、热红外遥感系统

常见的系统主要有Landsat 8 TIRS、NOAA/AVHRR和MODIS，反演温度常用数据也来自于以上三种系统。

五、热红外遥感应用

热红外遥感最常见的应用是温度反演。首先需要分辨三个名词：真实温度、辐射温度和亮度温度。

真实温度：物体表面真正的温度。

辐射温度：假设温度之一。若实际物体的总辐射亮度 (包括全部波长) 与绝对黑体的总辐射亮度相等，则黑体的温度称为实际物体的辐射温度。

亮度温度：假定温度之一。同一波长下，若实际物体与黑体的光谱辐射强度相等, 则此时黑体的温度被称为实际物体在该波长下的亮度温度。

辐射温度是所有波长的表征温度，亮度温度是某一波长下的表征温度。微波遥感中常用亮度温度，热红外遥感中常用辐射温度。

实际应用中，我们常常利用辐射温度或者亮度温度来计算地表的真实温度。通用的算法有单窗算法和劈窗算法等。

注释与预告

万年不变的参考文献《遥感应用分析原理与方法》赵英时著

下次介绍微波遥感部分。

（编辑：海南站长网）

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