长波红外空间光学遥感器高精度辐射定标技术

为了满足中国环保、国土、农业、气象、减灾等行业对地表温度遥感高精度监测的需求,近些年来中国长波红外空间光学遥感器空间分辨率从公里尺度提高到十米尺度分辨率,定量化应用的需求也越来越高。高精度的辐射定标是保证红外数据定量化应用的关键,本文通过全链路分析了影响辐射定标精度的因素,结合某型号任务的研制过程的具体实际,分析了主要影响因素的优化方法,包括星上定标方案优化、提高星上定标黑体控温精度和标定精度、提升长波探测器性能、提高长波探测器焦面控温精度等措施提高相机的性能和输出稳定性,并通过该型号真空辐射定标试验对辐射定标精度、系统定标响应情况进行了验证,试验结果绝对辐射定标精度为0.8 K@300 K,达到国内空间分辨率小于100 m的同类长波红外空间光学遥感器的较高水平。本文介绍的长波红外空间光学遥感器性能提升方法可为今后同类遥感器的研制及辐射定标提供参考借鉴,同时提供的定标试验验证结果也可以为同类红外卫星在轨应用提供参考。     

宁夏汝箕沟煤田火区高光谱定量遥感探测研究

通过航空高光谱遥感地面定标、波谱特征分析、火区特征地物和热异常信息提取,确定了用于温度反演的热红外波段、拟合关系式和热异常对应辐射温度,探测精度达到了1∶2 000比例尺精度;准确圈定了宁夏汝箕沟煤田火区范围,查清了火区燃烧强度,分析了热扩散规律以及遥感探测热异常与地下煤火热异常的对应关系,实现了将遥感定量调查结果直接用于灭火工程设计的目标。     

红外遥感器自身引起的背景辐射研究

针对折反射光学型式的红外遥感器,结合各组件辐射的传输特性,建立系统自身辐射的计算模型,分析了遥感器自身热辐射所形成的背景辐射.通过将背景辐射与目标辐射相比较,分析其对红外探测的影响,并讨论了背景辐射影响的消除方法.最后,利用该模型分析了天宫一号高光谱成像仪红外观测谱段的背景辐射,并讨论了光瞳像差的影响.     

野外测量中地物热红外发射率提取算法研究

热红外遥感利用传感器探测所得的地物热红外辐射来反演地表温度等重要的地表环境参数.地物的发射率是反演地表温度的关键参数,但地物表面结构、温度和观测角等影响因素使得地物发射率的直接测量变得较为复杂.在大量野外实验的基础上发现,光谱平滑迭代法最适合地物光谱发射率的野外测量,其反演的温度和实测温度最接近.     

短波红外波段高温目标识别的可行性分析

目前主要采用热红外遥感数据识别高温目标,研究发现短波红外数据也具有较好的高温目标识别能力。在高温目标混合像元中,高温地物的温度和面积是待求解的未知数,也是决定混合像元波谱特性的重要参数。首先基于能量守恒原理建立了地表高温目标混合像元的辐射能量方程,然后进行方程参数的敏感性分析。研究结果表明,高温目标面积百分比和常温地物反射率对高温地物的温度和面积反演最为敏感。以山西保德和陕西府谷研究区ETM+第7波段的数据为例进行了高温目标识别研究,所识别的火点像元辐射通量密度为背景的1.36~4.76倍。经野外验证,用马氏距离法识别高温目标的精度达到88%,表明短波红外波段的遥感数据可用于高温目标的识别。     

对于定量热红外遥感的一些思考

作者根据在热红外遥感工作中的长期实践经验,介绍了热红外遥感的现状,特别指出了定量反演地表温度的难点---地物比辐射率的测定和区域范围内的比辐射率估算。文中提出了定量热红外遥感研究中常见的一些问题。最后,讨论了定量热红外遥感的未来发展趋势和目前现实工作的对策,旨在抛砖引玉,以求得热红外定量遥感的发展。     

长春地区地表温度异常遥感分析

热红外遥感是一项探测地热资源、植被覆盖、农作物估产等生态环境评价研究的重要技术。本次使用Landsat 7/ETM＋热红外波段（band 6）,基于单通道算法,对长春地区地表温度应用反演,从而为研究该区地热资源、土地覆盖、城市热岛效应及环境评价提供可靠的依据。研究表明,热红外遥感能够有效探测到地表温度异常,而引起其异常的原因有待我们就一步验证和深入研究。     

矿山开发及矿山环境遥感探测研究进展

从矿山开发和矿山环境遥感探测目标出发,紧密结合矿山地物遥感图像特征,针对高空间分辨率、高光谱、微波和热红外遥感等不同数据对多类型矿山目标的可探测程度,全面总结了矿山开发和矿山环境遥感探测的应用现状、存在问题、研究重点和需要进一步深入研究的关键技术问题,并初步提出了解决的思路.     

机载高光谱热红外数据的地表温度和发射率反演与应用

机载高分辨率遥感是高分对地观测的重要部分,其中高分辨率高光谱热红外数据的光谱发射率可以用于矿物识别,是对可见光遥感地物识别的有效补充。机载高光谱热红外传感器TASI（Thermal Airborne Hyperspectral Imager）在8—11.5 μm范围内设置了32个波段,在国内外常被用于地表热辐射信息、矿产资源探测等领域。本文利用2018-10在新疆富蕴县研究区的TASI航空飞行数据,首先基于再分析大气廓线NCEP数据与MODTRAN实现了TASI高光谱热红外数据的大气校正,并在基础上发展了温度与发射率分离方法TES（Temperature and Emissivity Separation method）反演研究区地表温度与发射率,采用多波段热辐射计CE312测量的地面发射率对反演结果进行了有效验证,结果表明波长大于9.6 μm的波段的发射率误差约为0.01。最后,结合反演的TASI发射率光谱曲线,采用光谱角度匹配方法提取了研究区高岭石的空间分布。研究工作涉及的相关算法与应用成果可为星载高分辨率热红外载荷数据的应用提供了相关参考。     

基于多脉冲探测模式的激光三维成像性能研究

以Geiger模式探测器为基础的单光子探测技术因灵敏度高、精度高、体积小等特点而适用于激光三维成像系统。本文通过理论分析与数值仿真,证明了多脉冲探测模式能有效提高单光子探测的探测概率、降低虚警概率。且随着噪声强度的增大,多脉冲探测模式对激光三维成像系统在探测概率、虚警概率方面的性能提升更为明显。     

海洋一号卫星水色水温扫描仪红外信息获取

对海温分布与变化的探测是海洋一号卫星主载荷水色水温扫描仪（简称水色仪，COCTS）的主要任务之一。考虑到对海冰和海洋上空台风等气象要素的同时探测，实际水温探测通道的动态范围要求涵盖200—320 K的温度区间。由于某些洋面区域微弱温度的变化将会导致严重天气灾害的发生，因此海温探测通道还需满足探测灵敏度与定量化的精度要求。本文旨在依据技术指标要求，设计水色仪红外通道的信息获取电路，包括对探测器微弱信号进行放大的前置放大电路，消除基础电平以提高动态范围的交流放大器，以及实现信号的直流恢复与动态范围调整的通道放大电路。基于对所使用的光导型红外探测器工作机理的研究，结合水色仪的系统组成与特性，为确保同时满足高动态范围与高灵敏度这一对相互矛盾的指标要求，通过理论分析计算、电路仿真等方法，确定各级放大电路的形式及参数。在真空环境模拟实验室对水色仪的系统性能进行测定，以验证信息获取电路设计的合理性。在实验室进行的红外辐射定标结果表明和在轨测试结果均表明，水色仪两个红外通道的动态范围和噪声等效温差（NETD）均能较好的满足技术指标要求。红外通道能够实时跟踪星上黑体信号随时间与周围环境的变化，可据此来对红外通道的定标系数进行即时修正，从而达到预期的在轨实时辐射定标的目的，为定量化反演海温奠定了基础，并能获取且制作出高质量的全球海温产品。     

Geothermal area detection using Landsat ETM+ thermal infrared data and its mechanistic analysis—A case study in Tengchong,China

Thermal infrared (TIR) remote sensing is an important technique in the exploration of geothermal resources. In this study, a geothermal survey is conducted in Tengchong area of Yunnan province in China using TIR data from Landsat-7 Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) sensor. Based on radiometric calibration, atmospheric correction and emissivity calculation, a simple but efficient single channel algorithm with acceptable precision is applied to retrieve the land surface temperature (LST) of study area. The LST anomalous areas with temperature about 4–10 K higher than background area are discovered. Four geothermal areas are identified with the discussion of geothermal mechanism and the further analysis of regional geologic structure. The research reveals that the distribution of geothermal areas is consistent with the fault development in study area. Magmatism contributes abundant thermal source to study area and the faults provide thermal channels for heat transfer from interior earth to land surface and facilitate the present of geothermal anomalies. Finally, we conclude that TIR remote sensing is a cost-effective technique to detect LST anomalies. Combining TIR remote sensing with geological analysis and the understanding of geothermal mechanism is an accurate and efficient approach to geothermal area detection.     

闪电河流域水循环和能量平衡遥感综合试验

遥感试验是进行遥感原理的验证、遥感模型与反演方法的发展、遥感产品的真实性检验,推动卫星计划的论证实施及其观测在地球系统科学中应用的重要途径。闪电河流域水循环和能量平衡遥感综合试验以滦河上游闪电河流域为核心试验区,以地球表层系统的水循环过程和能量平衡为研究对象,旨在通过天—空—地一体化的观测手段,针对不同典型地表类型开展全波段主被动协同遥感观测,研究异质地表和山地条件下像元尺度遥感关键参量的观测方案,研究重要水热参量的遥感方法及其同陆面/水文过程模型的结合,支撑国家民用空间基础设施和空间科学先导专项相关卫星计划的论证实施。其中,航空飞行遥感试验搭载L波段主被动一体化微波载荷、双角度热红外相机、四波段多光谱相机和高光谱成像仪进行协同观测,实现了土壤水分、组分温度、植被含水量、叶面积指数等地表参数以及湖泊、水库、湿地等的遥感监测;地面同步观测试验利用车载微波辐射计、地基雷达和光谱仪进行了典型地物如裸土、植被、水体、人工目标等的遥感观测,并按照样区—样方—样点的多尺度嵌套方案进行了地表参数的同步采样,获取了该地区关键地表参数的短时期时空变化特征;同时配合卫星和机载观测,在闪电河流域完成了土壤温湿度、地表水热通量、地表辐射四分量、降水等气象要素的地面观测网络的建设,为验证地表辐射/散射遥感模型,发展、优化和验证水热参量遥感反演算法,研究地表水热参量尺度效应与尺度转化问题提供了重要平台,将促进陆表能量与水分交换过程的理解及其对全球变化的作用和反馈机制的研究。     

卫星光学传感器全过程辐射定标

光学传感器全过程定标,就是对传感器从研发到使命终结整个过程的检测与定标,它包括在传感器研制过程中在实验室利用人工源和室外自然源对其辐射特性进行检测和定标,也包括建立与传感器一起工作的星上定标系统装置,以便当卫星发射升空传感器开始正常工作后,定期地应用星上定标系统对传感器响应的变化进行相对或绝对的定标,全过程定标同时包括在轨运行期间采用基于陆地(或海面)特性的“替代定标”,或借助其他卫星进行的“交叉定标”,最终依据定标结果来确定传感器使命的终结。全过程定标是一个系统实验过程,提高传感器应用效益是其目的,提高定标精度是目标,标准及标准传递是贯穿全过程定标的主线,为此而发展的定标系统和方法是全过程定标的技术支撑,本文作者及其研究室的工作涉及上述全过程的内容,本文首次将全过程定标所涉及的内容系统地予以阐述。提高定标的精度不仅要从系统硬件构成上考虑,如高精度低温绝对辐射计、传递标准探测器、积分球、标准板等,更需要从方法和实验上解决问题,如标准传递过程误差源的分析与控制,大气空间中辐射传输衰减校正模型以及相关的实验等。     

Estimating very high resolution urban surface temperature using a spectral unmixing and thermal mixing approach

Land surface temperature (LST) plays a critical role in characterizing energy exchanges of the Earth's surface and atmosphere. Recent advances in thermal infrared (TIR) remote sensing technology enable the emergence of airborne very-high-resolution (VHR) TIR sensors to identify detailed LST distribution for environmental, geological and urban applications. However, the usage of airborne VHR TIR data may be limited by its high cost, long acquisition period, extensive data processing, etc. A cost-effective alternative could be VHR LST estimation. We proposed a physically based method, referred to as the VHR spectral unmixing and thermal mixing (VHR-SUTM) approach, to estimate LST at the meter level. Particularly, considering both spectral and thermal properties, spectral unmixing was employed to estimate fractional urban compositions for a comprehensive representation of heterogeneous urban surfaces. Further, VHR LST was modeled as a summation of the thermal features of representative urban compositions weighted by their respective abundances. Results suggest a high agreement between the resampled VHR LST estimates and the retrieved LSTs. With relatively high estimation accuracy (RMSE of 2.02 K and MAE of 1.51 K), the VHR-SUTM technique could serve as a promising and practical method for various applications in urban and environment studies.     

热红外港口图像特征的评估器提取与选择

针对低对比度、条纹噪声、低空间分辨率等特点而导致的热红外图像识别效果不佳问题,提出了一种港口目标热红外遥感图像特征提取与选择方法,实现了一定情况下港口目标的高精度分类。采用纹理、几何等29个特征,通过评估器选择最佳特征组合,并根据识别精度选择最佳分类器,能生成热红外图像港口目标22个最佳分类特征,且具有一定的鲁棒性。经过参数优化后的libSVM(一种支持向量机)分类器分类精度较高;白天图像比夜间图像分类精度更高;像素值、灰度直方图相关的一维和二维统计特征、局部二进制模式特征、边缘方向直方图特征等与灰度和纹理相关的特征对港口目标热红外图像识别影响较大。     

红外遥感技术的进展与展望

本文通过对机载和星载典型红外遥感器的技术性能、特点和主要应用以及成像光谱仪的叙述,概述了红外遥感技术的发展现状,展望了90年代红外遥感技术(特别是红外成像技术)在资源调查、环境监测、大气和海洋观测、地球辐射测量和天文观测以及军事等方面的应用前景,介绍了未来红外遥感技术的科学前沿及航天飞机和空间站实验计划,并提出了我国可能建立的红外遥感应用系统工程和研究方向。     

SENSOR: a tool for the simulation of hyperspectral remote sensing systems

The consistent end-to-end simulation of airborne and spaceborne earth remote sensing systems is an important task, and sometimes the only way for the adaptation and optimisation of a sensor and its observation conditions, the choice and test of algorithms for data processing, error estimation and the evaluation of the capabilities of the whole sensor system.The presented software simulator SENSOR (Software Environment for the Simulation of Optical Remote sensing systems) includes a full model of the sensor hardware, the observed scene, and the atmosphere in between. The simulator consists of three parts. The first part describes the geometrical relations between scene, sun, and the remote sensing system using a ray-tracing algorithm. The second part of the simulation environment considers the radiometry. It calculates the at-sensor radiance using a pre-calculated multidimensional lookup-table taking the atmospheric influence on the radiation into account. The third part consists of an optical and an electronic sensor model for the generation of digital images. Using SENSOR for an optimisation requires the additional application of task-specific data processing algorithms.The principle of the end-to-end-simulation approach is explained, all relevant concepts of SENSOR are discussed, and first examples of its use are given. The verification of SENSOR is demonstrated. This work is closely related to the Airborne PRISM Experiment (APEX), an airborne imaging spectrometer funded by the European Space Agency.     

机载激光扫描测距仪的性能分析

本文对机载激光扫描测距系统的探测信号功率、背景噪声、信噪比等性能以及它们之间的关系等进行了定量化的评估和定性的分析,探讨了探测信噪比与测量距离、恒虚警概率探测时阈值／噪声比等问题,为机载激光扫描测距系统在遥感和测绘中的使用及系统性能的改进提供了科学的参考依据,其分析方法具有普遍意义,可用于不同的机载或星载激光扫描测距系统的分析。     

关于遥感技术监测森林火灾能力的估算

本文根据林区背景的温度差异,取火场的平均温度,并在假定可以满足识别目标的信噪比的情况下,计算了机载与卫星(NOAA)遥感系统的监测能力。计算结果与实地试验基本符合。因此,利用卫星、机载和地面三个高度层次的遥感资料的相互印证与补充,并加以对照,可对森林火灾进行早期监测。