热红外遥感
遥感专题讲座——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。
大气遥感第五章：大气中的热红外辐射传输
空间分辨率 (水平/垂直)
视 场 瞬时视角
(度)
mrad
AIRS大气红外探测仪 EOS(美国) 2300;6 3.74-15.4 13.5km-1km 49.5
1.1
用途 大气温度湿度
ASTER高级空间热辐射 热反射探测器
ATSR纵向扫描辐射仪
EOS (美国)
ERS-1 (欧空局)
14
2 (MWR)
ASTER模拟仪器
美国
20
8-12
始于1991年 65或104 2或5.0
云,陆地测量
CIS中国成像光谱仪
DAIS-7915数值式 航空成像光谱仪 DAIS-16115数值式 航空成像光谱仪 GER-63通道扫描仪
ISM红外成像光谱仪
中国 美国 美国 美国 法国
1
3.53-3.94
始于1993年
80
大气不仅是削弱热红外辐射的介质，而且它本身也发射热红外 辐射，有时甚至发射的辐射会超出吸收的部分。
总之，热红外辐射在大气中的传输，是一种漫射辐射在无散射 但有吸收又有发射的介质中的传输。
热红外光谱和温室效应
➢ 地气系统维持辐射平衡状态，吸收太阳辐射的同 时，也向太空发射辐射，地气系统发射的辐射称 为热红外辐射。由能量守恒原理，令 表示地
热红外遥感系统
热红外遥感在海面温度、陆面温度、大气温度、大气 水汽、云顶温度的遥测中具有无可替代的地位。热红外遥 感传感器的发展十分迅速，现在使用和即将投入使用的热 红外传感器达几十种之多。我们把主要的热红外传感器的 有关信息列于下表。
传感器
现在及将来地球观测计划红外传感器概览(星载部分)
卫星/计划 波段数 光谱范围
态分辨仪
遥感概论第7章 热红外遥感数据 62.7 第7章 热红外遥感数据
TM4
TM6
热红外图像的辐射定标
内定标法是在扫描仪内部附有2个温度参考源，一个为 “最冷”，一个为“最热”，他们的温度被精确控制。此 法不能计算大气效应，因此测量辐射温度误差较大。
相关定标法是通过建立实际地表的测量值与相应扫描数据 之间的经验关系，来消除大气影响。完全校正大气影响所 需信息是不可能的，通常采用近似值或已选样本进行推算。
地物的日温度变化
热红外图像的成像波段
热红外遥感主要选用3～５μm和8～14μm两个光谱段 在3～5μm谱区，传感器可同时记录反射及发射的热辐射 在8～14μm谱区，热图像主要记录了地物自身的热辐射 白天的热红外图像，往往由于太阳光的直射性，不同方向
的地物会接收不同的太阳辐射量，形成热“阴影”，这种 现象一方面有助于目标识别，加强地形感，但也增加了影 像分析的复杂性。
常见地面的热特性
地面白天温度高，呈暖色调。夜间温度低，呈冷色调 水体的热惯性大，自身辐射的发射率高，在白天呈现冷色
调（暗色调），夜间呈现为比暖色调（亮色调） 海岸夜间或黎明前为浅色调；午后图像色调差异不明显。 由于水分蒸发时的冷却效应,湿地昼夜均较干燥地面冷 由于白天植被水分的蒸腾作用，在白天为冷色调（暗色
转换定标法是通过建立不同传感器热辐射值之间的转换关 系进行辐射温度定标。例如
RTM =0.99255*R AVHRR-4.10172
传感器仅记录地物表面热辐射状况，与地物实际温度有误 差。多数情况，热红外图像的解译是定性的，定量解译是 热红外遥感研究中的重要问题。
热红外图像的成像时间
根据研究的目的不同，最佳的成像时间也不同，因为地物 的日温度是变化的。
第五章热红外遥感图像判读
（二）植被判读
白天，绿色植物在图像上一般为冷显示，呈较 暗的色调，而夜间一般为热显示，出现中到亮 灰色调。 但草地的情况则不同，夜间它在热图像上呈暗 色调的冷显示。 干燥的植物，如农作物秸秆等，在夜间的图像 上呈暖色调。 这是因为干燥植物保护了其下面的地面热量， 从而形成暖的夜间显示。
（三）岩石判读
热红外扫描图像的信息特征
一、图像的空间信息特征 （一）投影性质——中心轴线投影 热红外扫描属点扫描式成像：仪器在飞行过程 中依靠扫描镜左右摆动完成一行行扫描线，即 每条扫描线由一系列扫描点构成。 而每一条扫描线都有一个透视中心，这样在一 条航带的飞行轨迹上就有一条由许多透视中心 的连线构成的投影轴线。 因此热红外扫描图像属中心轴线投影。
必须指出，这些图像上所表示的温度是地物的 辐射温度（又叫亮度温度），而不是地物的实 际温度。辐射温度是根据地物辐射能量大小标 定出来的，它等于具有同等辐射能量的黑体的 温度。 地物的辐射温度（T辐）与其实际温度（T实） 的关系为： T辐=ε3/4T实 由于各种地物的发射率都小于1，所以地物的 辐射温度总是低于其实际温度
如上图所示，扫描角（θ ）和瞬时视场 （β）不同。前者是个变量，它取决于扫 描镜摆动的幅度，其所对应的地面宽度 是瞬时视场线度的累积。 但对于某一具体扫描仪而言，它有一个 最大的扫描角或称总扫描角，这是个常 数，其所对应的地面宽度范围即为整个 扫描条带的宽度。
瞬时视场的大小和扫描条带的宽度，还 与航高有关。航高增加，地面分辨力减 小，整个地面覆盖宽度加大。 机下点（或星下点）的瞬时视场线度 D=βH 式中β为瞬时视场角(弧度)，H为航高（m）
2、切线比例尺
3.6热红外遥感
热红外遥感中3—5μm的短波红外谱段， 对火灾、活火山等高温目标的识别敏感， 常用于捕捉高温信息，进行各类火灾、 活火山、火箭发射等高温目标的识别、 监测。特别是对于森林火灾，它不仅可 以清楚地显示火点、火线的形状、大小、 位置，而且对小的隐火、残火，也有很 强的识别能力。
二、热辐射原理
从理论上讲，自然界任何温度高于绝对 温度0°K(或—273°C)的物体都不断地 向外发射电磁波，即向外辐射具有一定 能量和波谱分布位置的电磁波。其辐射 能量的强度和辐射波谱分布位置是物质 类型和温度的函数。正因为这种辐射依 赖于温度，因而称“热辐射”
Question: Of the materials in this table, which will show the largest temperature fluctuation during a 24-hr heating/cooling cycle; which the smallest?
Question:All of the above factors play a role but some are more influential in determining the radiant temperatures than others. List, in your opinion, the five most important of these.
三、影响因素
For any material, certain internal properties play important roles in governing the temperature of a body at equilibrium with its surroundings. Heat Capacity (C): The measure of the increase in thermal energy content (Q) per degree of temperature rise. It denotes the capacity of a material to store heat. and we give it cgs units of calories per cubic cm. per degree Centigrade (recall from physics that a calorie [cal] is the quantity of heat needed to raise one gram of water by one degree Centigrade). We calculate heat capacity as the ratio of the amount of heat energy, in calories, required to raise a given volume of a material by one degree Centigrade (at a standard temperature of 15° Centigrade) to the amount needed to raise the same volume of water by one degree Centigrade. A related quantity, specific heat (c), is defined as C = c/ρ (units are calories per gram per degree Centigrade) where ρ (rho) = density. This property associates Heat Capacity to the thermal energy required to raise a mass of one gram of water by one degree Centigrade.
红外遥感
(5)热探测器所获得的物体发射辐射信息包含 了两个重要的信息，即物体的温度以及表示物 体辐射能力的比辐射率。温度与比辐射率的分 离是热红外遥感的一个难点。
(6)热红外遥感图像的空间分辨率一般低于可 见光—近红外遥感图像，因此“混合像 元”(非同温像元)的问题，显得相当突出。
4.2 热辐射原理
4.2.1 黑体辐射规律
(2)热红外信息，还受地球表层热状况的影响，比 如风速、风向、空气温度、湿度等微气象参数，土 壤水分、组成、结构等土壤参数，植物覆盖状况、 地表粗糙度、地形地貌等多种因素影响。 (3)地物本身的热过程是复杂的。 地物从热辐射的能量吸收(增温)到能量发射(降温)， 存在着一个热储存和热释放过程。这个过程不仅与 地物本身的热学性质(热传导率、热容量、热惯量 等)有关，还与环境条件等多因素有关。整个热过 程存在着“滞后”效应，要定量表达这一过程，是 相当复杂的。
第四章 热红外遥感
4.1 概 述
1．大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3~5微米和8~14微米的热红外线却是 透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口” 。利用这两个窗口，可以 使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况。正是 由于这个特点，热红外成像技术军事上提供了先进的夜视装备并为飞机、舰艇和坦克 装上了全天候前视系统。这些系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用。
• 普朗克(Planck)定律给出了黑体辐射的出射 度与温度、波长的定量关系。 • 维思(wien)位移定律给出了黑体的发射峰值 波长与温度的定量关系，指出随着黑体温 度的增加、发射峰值波长减小，两者呈反 比关系 。 • 斯特藩—玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律 数学描述了随着黑体温度的增加，总发射 辐射也增加，即黑体的辐射强度与温度的4 次方成正比。
热红外遥感的原理及应用
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。
热红外遥感图像温度反演
M s (T , ) (T , ) M b (T , )
2.3 真实物体的辐射——比辐射率
典型平均比辐射率 物质 清水 湿雪 人的皮肤 粗冰 健康绿色植被 湿土 沥青混凝土 砖 木 玄武岩 干矿物质 8‐14μm 0.98‐0.99 0.98‐0.99 0.97‐0.99 0.97‐0.98 0.96‐0.99 0.95‐0.98 0.94‐0.97 0.93‐0.94 0.93‐0.94 0.92‐0.96 0.92‐0.94 物质 水泥混凝土 油漆 干植被 干雪 花岗岩 玻璃 粗铁片 光滑金属 铝箔 亮金 典型平均比辐射率 8‐14μm 0.92‐0.94 0.90‐0.96 0.88‐0.94 0.85‐0.90 0.83‐0.87 0.77‐0.81 0.63‐0.70 0.16‐0.21 0.03‐0.07 0.02‐0.03
第三讲 热红外遥感图像温度反演
胡德勇 deyonghu@
《遥感图像处理》课程内容
第一讲 第二讲 第三讲 第四讲 第五讲 第六讲 第七讲 第八讲 概论（遥感数字图像基础） 遥感图像辐射校正 热红外遥感图像温度反演 遥感图像几何纠正 遥感数字图像增强 遥感图像融合 遥感图像模式识别与分类 遥感图像变化检测
2、温度反演的基本原理
2.2 Planck's Radiation Law for Blackbodies
辐射出射度
(w m -2 )
M , T 和辐射亮度L的关系
(w m -2 sr -1 m -1 )
L, T ,
表示为辐射出射度形式：
M , T L( , T , )d L
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熟悉envi处理热红外遥感的影像步棸
实验一：
一：实验内容：定位查找像元，快速查找像元，察看像元的剖面图以及投影的设置。
二：实验步骤：
1.右击图片，打开piexl locator 修改sample line 单击apply
象元值查找
右击cursor location拖动鼠标，象元值会随着光标的移动而改变
2．剖面图
右击图像单击spectral profile 单击option<<plot key 可以显示指定象元的z profile 单击option<<new window 把指定象元的z profile 拖入其中就可以同时显示不同象元的z profile
3.投影
打开map 《geroference aster 《geroference data 选择热红外波段文件点击OK 选择投影方式选择输出方式：file 或memory 并选择文件路径。
打开basic tools 《convert data 选择刚刚投影后保存的文件单击OK 选择bil或bip
格式单击OK
打开投影后图片，查看象元值与投影前比较。
三、实验感想：在熟悉envi软件基础上，再次学习envi的一些操作，变得简单。
实验在掌握步骤的基础上要了解实验的原理，如像元剖面图是像元在不同波段上得值。
实验二：
一、实验内容：投影设定，不同波段图像噪音的查看，监督分类图像的选择，非监
督分类与监督分类。
二、实验步骤：
1.地图投影的定义
单击map geoference aster geoference data
通过我截的图可以看见图像有了投影信息：
2.查看噪音选择噪音少得图像Basic tools statistics compute statistics
3．Resize data（spatial/spectral）选择想要的波段（在tools中animation可以快速观看不同波段图片）
4.Classification unsupervised isodata
5.打开memory3 tools buildmask 在mask definition中的options选择selected areas ”off”然后import data range
6.在basic tools中得masking applymask 得到非监督分类图像。
7.监督分类选择要分类图形并建立连接（1）选择感兴趣区域roi
（2）.在classification 中选择supervised parallelepiped
得到图像：
（3）在overlay中单击annotation在对话框的object中选择map key即得到以下对话框，并设置参数：
在memory9 中单击则出现图例得到完整图形：
三、实验感想：从整体过程来看这个实验，这样不仅能学会操作，更能动的每一步的原理与作用。
学习就是要这样，学习到本质。