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。     

苏州土地利用及热岛效应的时空变化

选取苏州作为研究区,分别利用1986年和2004年2个时相的Landsat5 TM影像数据对研究区土地利用/覆盖类型进行分类,并采用热红外波段进行地表温度反演,在此基础上分析了下垫面类型与热岛效应的时空变化,深入研究了下垫面类型改变对热岛效应的影响。结果表明,近20a苏州市城区大范围扩张,土地利用变化剧烈,整体表现为水体、植被向不透水下垫面的高强度转化;城市热岛范围由老城区向四周成倍扩大,热岛强度由3.12°增至4.76°,热岛效应变化与土地利用时空变化之间具有明显的对应关系。     

NOAA气象卫星云检测方法的研究

为了提高气象卫星资料的可用性，排除云干扰，本文根据云的时空分布变化特征，对可见光波段反射率和热红外波段温度进行分析和研究，提出了可见光反射率自动判云、热红外温度自动判云，可见光和热红外组合判云以及设立云区阈值判云等一系列检测方法。并对检测出的云区采用同周期相近时相的图像资料相对变化率来反演替代云区灰度值。保证了图像的连续性和客观性，取得了较好的效果。     

敦煌地区大气水汽和气溶胶对获取地表温度的影响

大气中的水汽和气溶胶含量是影响热红外波段数据的主要因素。针对敦煌地区,本文首先利用ＬＯＷＴＲＡＮ－７辐射传输模型对１９９２年９月２５日敦煌市西戈壁的一幅Ｌａｎｄｓａｔ－５ＴＭ６波段的热红外图像数据进行了大气订正,获取了地表辐射温度。进而利用ＬＯＷＴＲＡＮ－７通过模拟计算研究了该地区大气水汽和气溶胶含量的变化对ＴＭ６波段地面温度获取结果的影响,给出了对于热红外图像进行大气订正的主要判据。另外,文中还对热红外波段地面比辐射率的影响也进行了简单分析     

基于多时相热红外遥感的钢铁企业生产状态辅助监测

为辅助钢铁行业生产状态变化监测,以唐山市钢铁企业为例,选取2016年2月7日,3月10日,3月26日,5月13日和5月29日5期Landsat8 TIRS第10波段热红外数据进行地表温度反演,结合2015年9月26日和2016年9月10日的高分2号(GF-2)数据所提供的钢铁企业空间结构信息,采用阈值法从地表温度图中划分出低温区(背景热辐射区)和高温区(生产区域);在二者温度差的基础上建立生产热辐射模型来判断该时期内钢铁企业的生产状态;最后通过GF-2卫星数据提供的钢铁企业空间结构变化信息以及钢铁企业的月产量数据,对监测结果进行初步验证。研究结果表明,本研究建立的基于热红外遥感技术的生产热辐射模型对钢铁企业生产状态变化辅助评估具有可行性。     

基于ETM+热红外影像的南极云区与地面冰雪区的检测

利用ETM 热红外波段影像对南极中山站附近的云区和冰雪区进行了自动检测,综合热辐射和纹理特征辅助分类,提出并使用加权最小距离分类器,获得了较好的分类效果。     

从宽波段热红外图像反演组分温度的相关问题讨论——通道响应函数和比辐射率波段变化的影响

对于宽波段传感器,不一定能直接由普朗克定律或者斯蒂芬玻尔兹曼定律建立温度与辐射亮度的关系。在知道传感器通道响应函数和像元组分比辐射率波段变化的情况下,只要恰当地拟合出黑体温度和其宽波段热辐射的对应经验关系式,并计算一个通道响应函数加权平均的比辐射率,则从混合像元的宽波段多角度热红外观测仍可较准确地反演组分温度。以AMTIS为例,文中给出了两种拟合宽波段传感器亮度温度和辐射亮度之间关系的方式:一种是从斯蒂芬玻尔兹曼定律的形式出发的;另一种则是用普朗克定律,选择一个合适的波长,使得AMTIS传感器随温度变化的热辐射曲线和普朗克函数在某个波长处的热辐射曲线两者之间尽可能地平行。文中以两个例子说明了这两种方式在宽波段传感器组分温度反演中的应用和误差,分析了比辐射率波段变化对组分温度反演的影响。     

一种基于Landsat 8的多波段组合水体指数模型

本文通过分析水体在Landsat 8数据中可见光波段和近红外波段的波谱差异,将Landsat 8数据中可见光波段作为一组,近红外波段和中红外波段作为另一组,构建了多波段组合水体指数(MBCWI)模型。基于Landsat 8数据在合肥、安康和康定地区共3景数据5种不同场景进行水体提取试验。结果表明,该模型不仅能够抑制云层、阴影、裸土、亮色地物和建筑物等对水体提取的影响,还能较好地提取出含有大量蓝藻的水体,且阈值稳定,Kappa系数优于0.968 5,总体精度高达99.69%,总体误差小于8.92%。相较于其他水体指数而言,提取精度显著提高。     

针对MODIS影像的劈窗算法研究

在分析热红外遥感和现有的劈窗算法的理论基础上,针对MODIS数据对劈窗算法进行了推导。通过对热辐射强度和温度之间的关系计算,对Planck函数进行了线性简化,同时分析了MODIS的波段设置特点。MODIS的近红外波段适宜于反演大气水汽含量,而大气透过率主要从MODIS的近红外波段数据反演得到大气水汽含量,并进而根据水汽含量与大气透过率的关系来进行估算。通过MODIS的可见光波段、近红外和中红外波段数据,完全可以获得地表温度反演所需要的基本参数,从而形成了针对MODIS数据的地表温度反演的劈窗算法。最后以环渤海地区为实验区,对本文提出的方法进行了实际应用分析。     

基于MODIS数据的干旱区土壤水分反演

为了更好地研究内蒙古额济纳盆地的土壤水分时空分布及动态变化,基于MODIS数据,利用热惯量模型,计算了表观热惯量,并与实测数据进行回归分析建模,反演了内蒙古额济纳盆地的土壤水分。结果表明,利用MODIS数据产品,反演参量获取简单,可降低反演土壤含水量的复杂性,有利于大、中尺度的实际应用;砂土对应的表观热惯量均值较大,粘土次之,壤土最小;相比粘土,壤土和砂土的表观热惯量值比较大且分散;绿洲区表观热惯量值比戈壁和沙漠区大;热惯量模型在20 cm左右深度土壤水分反演效果最好,可有效反演干旱区土壤水分。     

SPOT卫星影像的水体提取方法及分类研究

文中分析了水体及其它主要的地物的光谱特征在SPOT曩像中的表征特征，发现大多数地形阴影与水体的光谱特征具有一定的相似性，因而用单一的方法很难有效地提取山区的水体，经过研究，发现用决策树分类方法，在各节点设计不同的分类器，可以有效地提取山区中的水体，由于不同类型的水体其面积，周长，形状等几何特征各有特点，并且与地貌类型有一定的关系，因而可利用水体的空间特征信息，对提取的水体进行分类，其方法也选用决策树分类方法，分类结果令人满意。     

遗传算法在组分温度反演中的应用

介绍了遗传算法的主要内容和工作原理。在连续植被热辐射方向性模型的基础上,从热红外多角度遥感数据中,同时反演混合像元组分温度、土壤比辐射率以及叶面积指数。大量试验表明,利用遗传算法反演组分温度效果非常好。在宽松的先验知识条件下,该方法可以解决不确定性反演问题     

岩石的热模型分析

在几种岩石热辐射理论模型分析的基础上,考虑到岩石的红外光谱辐射特性和岩石的热性质──热惯量,建立岩石的热传输模型,并将实测数据代人,对岩石表面的一个日照周期内的变化做出计算,绘制出不同热惯量的几种岩石在日周期内表面温度变化曲线。由曲线看出,岩石热惯量大,其昼夜辐射温度变化小;热惯量小的岩石其昼夜辐射温差大。改变岩石的反照率、辐射系数和地面径向热流而得到岩石表面温度日变化曲线,可看出这３个因素只是改变了温度的量值,不像热惯量那样改变曲线的形状。     

面向地下煤火热场模型的遥感技术体系初探

鉴于地下煤火的特殊性,传统的卫星、航空乃至地面遥感手段在对其热场的探测研究应用中都有一定的局限性。本文在分析地下煤火基本特征的基础上,探讨了建立面向地下煤火热场模型遥感技术体系的必要性和可行性,提出了基于遥感技术的地下煤火热场模型的构建方法和工作流程,特别强调了对地下煤火时空演变趋势的预测研究。     

热红外图像钾盐异常信息解释

应用不同类型和不同时相的热红外遥感图像,对罗布泊盐湖区内几种主要地物和钾盐异常区的热信息特征进行了分析、提取,探讨了盐湖区内热场变化及其意义,解释了热红外影像表征钾盐异常信息的机理,进而提出了钾盐异常信息的成因模式,认为热红外遥感技术是寻找现代盐湖钾盐异常的一种新方法     

张掖绿洲城市热效应的遥感研究

以张掖及周边绿洲为研究区,采用Gilabert大气校正模型对TM图像1～5,7等6个波段进行大气校正。在此基础上,采用基于TM6波段的单窗算法,反演出行星亮度温度和地表真实温度,进一步分析了区域热量分布差异并探讨这一差异形成原因。结果表明:张掖及周边绿洲区存在明显的热量分布差异,热岛现象非常显著,卫星图像反演的地表温度接近实测值,亮度温度和实际温度都与归一化植被指数(NDVI)存在着密切的反相关关系,表明植被在区域热量分布差异中起重要作用,显示出热红外图像与其它波段数据结合,在城市热岛效应及区域生态环境遥感研究方面有很大潜力。     

陆地卫星MSS图像地表水域信息的机助识别提取

本文介绍了一种利用陆地卫星MSS图像进行水域信息机助识别提取的快速、经济而有效的方法。该方法以对水与非水信息的光谱特征,比值图像的数据结构特点和大气校正的研究与分析为基础。 研究表明,水与非水的主要差异集中于MSS4与MSS7波段,这两个波段的比值图像可在压抑阴影的同时将两图像的信息集中于一。根据对比值图像数据特点的分析,发现比值图像在作等比例拉伸并取整时所不可避免的信息损失主要集中在低值区,高值区则相对得到扩展增强。由于在MSS4/MSS7图像中,水的信息位于高值区,因此其水域识别能力优于MSS7/MSS4。但是,即使MSS4/MSS7图像也无法完全排除山区深阴影对水域识别的干扰。在进行MSS4/MSS7比值运算之前,首先对MSS4图像作粗略的大气校正,则可圆满地解决这一难题。在经大气校正后的MSS4/MSS7图像上,水体像元的值大于1,而深阴影及其它所有非水信息像元的值则小于1,因此,只要以此为门限值将图像二值化,即可获得精度很高的水域识别图像。完全消除阴影和其它因素的干扰。 本方法运算简单,处理速度为最小距离分类的3倍以上,且精度比分类方法高。它不仅适用于MSS图像,也适用于TM图像。采用本方法进行湖北省地表水域机助识别和面积测量的实际应用表明,在各种地貌类型区内本方法均能以较高的精度完成     

基于ASTER数据反演我国南方山地陆表温度

 以贵州省黎平县山地植被覆盖区为例，基于ASTER遥感数据进行15 m分辨率的归一化植被指数制图和地表发射率制图，在利用 MODTRAN 4大气辐射传输模型进行大气订正的基础上，基于普朗克辐射方程的推导反演陆表温度，取得了较为理想的结果。     

利用细分光谱仪数据分析水体泥土含量的方法研究

分析了水中泥土含量对水体光谱特征的影响。对利用水体的光谱反射率计算水体中泥土含量的方法进行了分析，找出了用于泥土含量计算的最佳波段。该方法对今后的利用高光谱遥感图像计算河流和海水中的泥沙含量及估算水土流失具有一定的参考意义。     

南中国海海洋油气遥感调查研究

对NOAA-11资料进行除云、大气订正和几何纠正后,用CH4、CH5波段进行SST处理,用CH5、CH2、CH1作假彩色合成图,并对CH1、CH4、CH5波段灰度值与南海相关研究点的海面温度、重力、磁力异常和热流值等实测数据进行多元相关分析,通过观测比较和理论分析,解决了海洋油气遥感技术和应用模型等问题,为海洋油气资源的探测提供科学依据.