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.     

高光谱热红外星上辐亮度图像模拟及初步应用

基于卫星数据的热红外图像模拟可以为热红外大气校正、地表温度和发射率反演和前期验证提供数据支撑,同时也可以为热红外传感器的波段设置和优化提供参考。热红外图像模拟是进行热红外定量遥感研究的有效手段。本研究利用Terra星上搭载的ASTER（Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer）遥感数据所反演得到的地表温度和发射率产品,基于高光谱辐射传输模型,模拟8—14 μm（714—1250 cm^-1）,波谱分辨率为0.25 cm^-1的星上TOA（Top of Atmosphere）高光谱热红外成像模拟数据。在此基础上,结合高光谱热红外图像数据的特点,实现了温度和发射率分离算法,以及对比了不同的基于图像的大气校正算法。结果显示,本文提出的热红外图像模拟方法可行,能够为评价不同的大气校正、温度和发射率分离算法提供有效的数据支撑。     

联合热红外与微波的作物辐射方向性模型研究

热红外遥感提供地表表层辐射信息为主,被动微波遥感可更好地提供植被和土壤背景垂直结构的辐射信息。结合热红外与被动微波遥感的优势协同反演植被和土壤组分温度是提高组分温度反演精度的一种思路。本文在对热红外辐射传输模型和微波辐射模型进行比较的基础上,构建均匀作物的统一场景,将统一场景的参数分为直接参数和间接参数。基于统一场景,修改微波辐射模型的场景结构及叶倾角分布,并增加组分温度参数以计算辐射亮温,最终构建热红外与微波辐射联合模拟模型(UEasmmes模型)。针对均匀玉米作物,利用UEasmmes模型进行联合模拟,分析了组分温度、组分发射率、叶面积指数LAI及叶倾角分布LAD对热红外与微波的方向性亮温DBT的敏感性响应差异。分析结果表明:协同热红外与被动微波遥感反演植被和土壤组分温度是可行的,但对于如何克服组分发射率、LAI及LAD对植被有效发射率的影响而导致的微波辐射亮温变化以及实现热红外表皮温度与微波等效温度之间的转化仍是需要深入研究和探讨的问题。     

多分辨率低秩导向滤波的热红外图像空间融合

热红外遥感图像由于其特定的成像方式,包含目标特有的发射率及温度等特征。然而,热红外遥感图像较低的空间分辨率却限制了其广泛应用。随着遥感技术的发展,同一区域获得的多源遥感图像可以提供更为完备的目标信息,使得利用多源融合技术实现热红外图像空间分辨率增强与亚像素级特征提取成为可能。为此,本文提出了一种基于多分辨率自适应低秩表达与残差信息迁移的热红外图像空间超分辨算法,该算法通过可见光与热红外图像融合的方式实现热红外图像空间特性的自适应融合增强。本文算法优势主要体现在以下几个方面：（1）基于多分辨率的超像素分割,使用超像素块代替传统的方块作为低秩恢复单元,自适应地调整单元内空间特性以保持单元内地物类型的稳定并抑制结构性噪声;（2）通过构建导向线性滤波器,在保护热红外图像光谱信息的前提下,实现可见光图像精细空间特征向热红外图像的迁移;（3）在低分辨层建立增强热红外图像残差与可见光图像残差之间关联并迁移至高分辨层,在保证超分辨图像细节信息的前提下,实现热红外图像空间超分辨。为了验证算法的有效性,本文采用2014年IGARSS数据融合竞赛提供的可见光与热红外实验数据进行实验,并与融合竞赛中表现最为优异的监督图特征融合方法进行比较,并从温度反演精度以及分类精度两个方面评价超分辨效果。实验结果表明,本文提出的方法其噪声抑制效果、空间平滑效果、边缘锐化效果更为优异,超分辨热红外图像有着更为精细的空间信息,并且对于不同区域类型均能较好的保护热红外图像光谱信息。对于不同地物类型,融合超分辨图像有较高的亚像素温度反演精度以及更高的分类精度,其温度反演误差小于1 K,总体分类精度较原热红外图像提升20%以上。     

热红外遥感地表温度与发射率地面验证进展

地表温度与发射率是地表—大气系统长波辐射和潜热通量交换的直接驱动力,是描述区域和全球尺度上地表能量平衡与水平衡的重要参数,其时空变化信息在气象预测、气候变化、水循环、地质勘探、农林监测和城市热环境等诸多领域具有广泛的应用。热红外遥感作为当前获取区域或全球尺度上地表温度和发射率的最有效手段之一,相较于传统的地面点位测量方法,具有空间覆盖范围大和重复观测等优势。对热红外遥感定量反演的地表温度与发射率产品进行地表真实性验证,有利于发现遥感数据自身或其反演算法的缺陷,确定产品的精度与不确定度,便于遥感产品的应用与推广。本文首先回顾了地表温度和发射率的定义,阐述了热红外遥感可反演、地面可测量的地表温度和发射率的科学内涵,并对利用热红外遥感数据反演地表温度和发射率的理论和方法作了概述;对地表温度和发射率地面验证的框架体系、验证指标进行总结,建立了基于精度、精确度、不确定度、完整性和稳定性的验证评价指标体系;总结了地表温度和地表发射率的地面验证方法、地面测量方法、辅助数据的获取方法、地表温度地面测量的采样方法,以及在验证异质非同温地表时从点到像元尺度的地表温度尺度转换方法等,分析了地面验证过程的主要误差来源;归纳了目前地表温度和地表发射率主要验证站点、观测网络及其空间分布特征;最后,本文讨论了地表温度与发射率地面验证存在的若干问题,并对地表温度与发射率验证工作的发展前景和趋势进行了相关展望。     

用热红外辐射计确定地表温度的一种简易方法

本文介绍了一种借助热红外辐射计获得的数据确定地表温度的简单技术。该技术基于一张数表和一张图就可容易地求出发射率及其大气影响；当发射率和大气辐射确知时，本方法的精度可高于０．１℃。     

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。     

热红外遥感反演陆地表面温度研究进展

 总结了地表绝对发射率信息的提取方法； 综述了热红外遥感反演陆面温度的各种方法，并指出这些方法的优缺点、适用性及应用情况； 分析了热红外遥感反演陆面温度面临的困难； 展望了热红外遥感反演陆面温度的发展趋势。     

利用ASTER热红外遥感数据开展岩石化学成分填图的初步研究

ASTER遥感成像仪的发射提供了廉价的多光谱热红外数据,是热红外遥感数据的一个重要来源。ASU热红外光谱库提供了多种矿物的热红外发射率波谱的同时,还提供了矿物的化学成分即氧化物含量的分析结果。把ASU波谱库的矿物波谱重采样至ASTER各热红外波段,对矿物的波谱进行波段比值处理,与各矿物成分进行相关分析,选择波段比值与各氧化物含量最大相关系数,进行对数模拟,从而可以确定出发射率光谱与化学成分的数值关系。本文分别对SiO2,MgO,Al2O3,CaO,K2O,Na2O进行了数值分析及公式模拟。统计是根据各矿物做出的,模拟公式同样适用于岩石,进而可以在遥感热红外数据中得以应用。在四川省西范坪矿区利用模拟公式对SiO2,Na2O,K2O三种氧化物进行了岩石填图,在野外大部分得到了证实;利用SiO2进行了硅化蚀变带填图,在异常带内发现了砂岩型铜矿化。     

热红外与可见光数据的云边缘高度匹配

高分辨率数据中云高度的差异性突显,特别是边缘处高度在云阴影识别和地表辐射估算等方面成为需要考虑的重要因素。热红外数据获取云高度分辨率较低、缺乏细部差异性特征,为解决这一问题,首先将对应的热红外和可见光数据进行特征点配准,再将基于热红外数据计算的云高度重采样至高分辨率,然后以基于欧式距离变换的围线搜索方法及距离加权将热红外云边缘高度匹配至对应的可见光图像,最后根据云阴影的相似度匹配方法确定真实云高度。结果表明,算法在遵循热红外云高信息分布变化规律的同时,可以得到较准确的高分辨率云边缘高度,一定程度上解决了热红外技术获取云高在分辨率上的局限,扩展了其在云高反演方面的作用。     

Integrated approach of using ASTER-derived emissivity and pixel temperature for delineating different granitoids – a case study in parts of Dharwar Craton,India

We have delineated different granitoids based on variation in emissivity and relative surface temperature recorded in thermal bands of Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) sensor of EO-1 satellite. In this regard, we have used emissivity normalization algorithm to derive broadband emissivity from thermal bands of ASTER sensor to delineate different lithounits of the granitoid family. We have compared emissivity and radiance image composites in terms of delineation of different granitoids. We have also used false colour composite (FCC) image derived using two emissivity bands and temperature (derived using emissivity normalisation method) bands to delineate different granitoids. We could differentiate different granitoids in the three-dimensional (3D) data space of ASTER-derived emissivity bands (second and third bands) and temperature bands. Based on the analysis of 3D scatter plot, we also proposed a ternary diagram of emissivity and temperature, which can be used to delineate different granitoids.     

航空高光谱热红外数据的两种发射率反演方法对比

本文在介绍航空高光谱热红外的两种发射率反演算法——ARTEMISS算法和ASTER TES算法基础上,以甘肃柳园地区的热红外高光谱TASI数据为基础,对实验区进行了发射率反演,结合野外实测结果,对两种算法的图像质量和精度进行了对比分析。结果显示,两种算法均能满足反演精度要求,ASTER TES算法图像质量好,精度较高;ARTEMISS步骤简单,反演结果能很好地体现出岩性差异。在实际应用中应结合不同的应用要求来选择不同的反演算法。     

Evidence of Low Land Surface Thermal Infrared Emissivity in the Presence of Dry Vegetation

Land surface emissivity in the thermal infrared usually increases when the vegetation amount increases, reaching values that are larger than 0.98. During an experiment in Morocco over dry barley crops, it was found that emissivity may be significantly lower than 0.98 at full cover and that in some situations, it might decrease with increasing amount of vegetation, which was unexpected. Older data acquired in Barrax, Spain, over senescent barley also exhibited emissivity values lower than 0.98. The decrease of emissivity was also observed by means of simulations done with our land surface emissivity model developed earlier. The main reason for such behavior might be found in low leaf emissivity due to leaf dryness. This letter also stresses that knowledge on leaf and canopy emissivities and on their variation as a function of water content is still very limited     

机载热红外扫描仪的信噪比研究

分析了机载热红外扫描仪的信噪比与各种因素之间的关系，利用高斯－喇格尔公式给出了信噪比的解析表达式，阐述了提高信噪比的途径。分析了温度、发射率、扫描角度对系统信噪比的影响，得出了相应的理论公式，并定性分析了它们对信噪比的贡献。     

Is There a Physical Linkage Between Surface Emissive and Reflective Variables Over Non-Vegetated Surfaces?

For a satellite sensor with only one or two thermal infrared channels, it is difficult to retrieve the surface emissivity from the received emissive signal. Empirical linear relationship between surface emissivity and red reflectance are already established for deriving emissivity, but the inner physical mechanism remains unclear. The optical constants of various minerals that cover the spectral range from 0.44 to 13.5 μm in conjunction with modern radiative transfer models were used to produce corresponding surface reflectance and emissivity spectra. Compared to the commonly used empirical linear relationship, a more accurate multiple linear relationship between Landsat TM5 emissivity and optical reflectances was derived using the simulated data, which indicated the necessity of replacing the empirical relationship with the new one for improving surface emissivity estimate in the single channel algorithm. The significant multiple linear relationship between broadband emissivity (BBE, 8–13.5 μm) and MODIS spectral albedos was also derived using the same data. This paper demonstrates that there is a physical linkage between surface emissive and reflective variables, and provides a theoretical perspective on estimating surface emissivity for sensors with only one or two thermal infrared channels.     

土壤发射率光谱提取算法的对比研究

土壤的发射率具有较大的不确定性,为了准确提取土壤的发射率,利用ASTER光谱库中的58条土壤光谱,模拟产生了热红外高光谱数据集,利用这些数据进行了土壤的发射率提取试验,分析了较为典型的几种温度发射率分离方法,如NEM、ISSTES、α剩余法、MMD、TES在土壤发射率提取中的适用性、稳定性和精度,并根据分析的结果对各种算法在土壤发射率反演中的应用进行了相应改进.对于NEM方法,给出了最优的最大发射率;对于MMD方法,提出了一种比原平均-最小最大发射率之差更好的经验关系;在TES方法中,使用ISSTES代替原先的NEM方法,获得了精确的发射率初始值.基于模拟数据的算法分析结果表明,对于地面测量高光谱数据的土壤发射率信息提取,ISSTES准确度最高.最后给出了使用这5种方法由地面实测高光谱数据提取的土壤发射率光谱实例,提取的发射率光谱的分布情况很好印证了基于模拟数据的算法分析结果.     

用遗传算法反演连续植被的组分温度

由于热红外多波段数据间具有高度的相关性和混合像元的大量存在，使得多波段陆面温度反演精度难以提高，并且难以得到组分温度信息。在连续植被热辐射方向性规律上的基础上，以喜直型连续植被为例，进行了大量的Monte-Carlo模拟，建立了组分有效比辐射率与土壤表面比辐射率和植被叶面积指数之间的经验函数关系，并以此构造目标函数，采用遗传算法，从热红外多角度数据中，同时反演混合像元组分温度和土壤比辐射率以及叶面积指数。通过对模拟的观测数据进行遗传算法反演的大量试验，结果表明，遗传算法反演组分温度非常稳健，在宽松的先验知识条件下，遗传算法可以解决不确定性反演问题。遗传算法反演结果和野外实测数据作了比较，证实了反演原理的正确性，为基于热红外方向性辐射模型反演组分温度，提供了新方法。     

一个针对ASTER数据同时反演地表温度和比辐射率的四通道算法

本文利用对地观测卫星多传感器的特点，提出了针对ASTER数据同时反演地表温度和比辐射率的多通道算法。即利用ASTER数据的第11，12，13，14热红外波段建立热辐射传输方程，并通过对于地表比辐射率分析可知，ASTER4个热红外波段的比辐射率可以用近似线性方程表示，得到了6个方程6个未知数，从而形成了针对ASTER数据的同时反演地表温度和比辐射率的多通道算法。对于关键参数大气透过率，则是通过同一颗星的MODIS传感器的3个近红外波段反演大气水汽含量，然后用MODTRAN模拟大气水汽含量与ASTER热红外波段的统计关系，并进而根据这二关系来计算ASTER热红外波段的大气透过率。由于MODIS和ASTER是在同一颗星上。因此这种大气透过率估计方法保证了地表温度反演过程中所需大气参数的同步获取。     

热红外目标的多标度分形识别模型

利用机载热红外成像光谱仪（TASI）获取的热红外图像,进行了温度与比辐射率分离,然后采用多标度分形模型进行阈值分割,建立了一种新的热红外影像目标探测方法。实验结果表明,温度的空间分布具有多标度分形特征,即对lgL（r）与lgr进行分段拟合。利用多标度分形模型提取的温度阈值进行城市热红外影像的精细目标识别,并成功提取了建筑物目标。     

Significance of the remotely sensed thermal infrared measurements obtained over a citrus orchard

In this work we have developed a theoretical model that helps the interpretation of the remotely sensed thermal infrared measurements carried out over citrus orchards. A detailed analysis of the different factors which take part in the definition of the effective emissivity and temperature (observation height, viewing angle, type of soil, dimensions and separation between orange trees) is made. The model was validated under vertical observation in a citrus orchard during seven nights. In this situation we have determined that the model performs to an accuracy of about 1%.