本文主要包括：

l基本定義和原理

l常見名詞

l簡單應(yīng)用與溫度反演

lENVI下地表溫度反演

1、基本定義和原理

熱紅外遙感（ infrared remote sensing ）是指傳感器工作波段限于紅外波段范圍之內(nèi)的遙感。這是一個(gè)狹義的定義，只是說明的數(shù)據(jù)的獲取。另外一個(gè)廣義的定義是：利用星載或機(jī)載傳感器收集、記錄地物的熱紅外信息，并利用這種熱紅外信息來識別地物和反演地表參數(shù)如溫度、濕度和熱慣量等。

熱紅外遙感的信息源來自物體本身，其基礎(chǔ)是：只要其溫度超過絕對零度，就會(huì)不斷發(fā)射紅外能量，即地表熱紅外輻射特性。

如下圖為黑體的輻射光譜曲線（不同溫度下物體輻射能量隨波長變化的曲線），常溫的地表物體（300K左右）發(fā)射的紅外能量主要在大于3μm的中遠(yuǎn)紅外區(qū)，即地表熱輻射。熱輻射不僅與物質(zhì)溫度的表面狀態(tài)有關(guān)，物質(zhì)內(nèi)部組成和溫度對熱輻射也有影響。在大氣傳輸過程中，地表熱輻射能通過3-5μm和8-14μm兩個(gè)窗口，這也是大多數(shù)傳感器的設(shè)計(jì)波段范圍。

熱紅外遙感在地表溫度反演、城市熱島效應(yīng)、林火監(jiān)測、旱災(zāi)監(jiān)測、探礦、探地?zé)幔瑤r溶區(qū)探水等領(lǐng)域都有很廣的應(yīng)用前景。

2、常見名詞

熱紅外遙感涉及的知識多而且深，下面來了解熱紅外遙感中幾個(gè)基本的名詞。

l輻射出射度

單位時(shí)間內(nèi)，從單位面積上輻射出的輻射能量稱為輻射出射度，單位是wm-2

l輻射亮度

輻射源在某一方向上單位投影表面、單位立體角內(nèi)的輻射通量，稱為輻射亮度 (Radiance)，單位是瓦/平方米*微米*球面度(  

)。

很多地方會(huì)將輻射亮度和輻射強(qiáng)度區(qū)分，我這里理解的是一個(gè)概念。

l比輻射率( Emissivity)

也叫發(fā)射率，物體的出射度與同溫度黑體出射度之比。常見的還有地表比輻射率。

l大氣透射率

    通過大氣(或某氣層)后的輻射強(qiáng)度與入射前輻射強(qiáng)度之比。

l亮度溫度

就是我們常說的亮溫。在熱輻射的測量與應(yīng)用理論中“亮度溫度”是一個(gè)被廣泛應(yīng)用的物理名詞，其定義為：當(dāng)一個(gè)物體的輻射亮度與某一黑體的輻射亮度相等時(shí)，該黑體的物理溫度就被稱之為該物體的“亮度溫度”，所以亮度溫度具有溫度的量綱，但是不具有溫度的物理含義，它是一個(gè)物體輻射亮度的代表名詞。

這個(gè)定義有點(diǎn)讓人搞糊涂了，我理解的“亮度溫度”的單位也是開爾文或者攝氏度，是一個(gè)廣義的溫度定義，這個(gè)溫度是由很多因素造成的，比如大氣下行輻射等。地表真實(shí)溫度是地表下墊面的溫度。

3、數(shù)據(jù)源

  星載熱紅外傳感器非常多，除了氣象衛(wèi)星外，還有資源對地觀測衛(wèi)星也有攜帶熱紅外波段，如下表為常用的幾種星載的熱紅外傳感器。另外還有中巴資源衛(wèi)星IRMSS，不過缺少定標(biāo)參數(shù)應(yīng)用較少。

4、簡單應(yīng)用與溫度反演

(一)簡單應(yīng)用

一般得到的熱紅外數(shù)據(jù)是以灰度值( DN 值) 來表示，DN 是無量綱的值，數(shù)值越大表示地表熱輻射強(qiáng)度越大,溫度越高,反之亦然。最簡單的應(yīng)用就是根據(jù)圖像的DN值來解譯地表的相對溫度的高低。

也可以對熱紅外圖像進(jìn)行定標(biāo)，將DN值轉(zhuǎn)換為熱輻射強(qiáng)度值，這個(gè)強(qiáng)度值是傳感器接收到的總的能量值，包括地表輻射、大氣輻射等。然后普朗克公式的反函數(shù)推算所對應(yīng)的亮度溫度。這個(gè)亮度溫度值是地表溫度的粗略值，在一定范圍內(nèi)有一定的應(yīng)用。

(二)地表溫度反演

陸地表面溫度(Land Surface Temperature ,LST) 是一個(gè)重要的地球物理參數(shù)。大家比較熟悉的是用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取海洋溫度(Sea Surface Temperature ,SST) ，SST技術(shù)已較為成熟，可以在全球范圍內(nèi)達(dá)到1 K的精度。由于陸地表面比海洋表面復(fù)雜得多,導(dǎo)致陸地表面溫度反演的精度較低，陸地表面溫度反演成了一個(gè)亟待解決的科學(xué)難題。

目前，針對衛(wèi)星影像的溫度反演算法較多，目前較實(shí)用的有：輻射傳導(dǎo)方程法（大氣校正法）、單窗算法、劈窗算法、多通道算法。

l輻射傳導(dǎo)方程法

基本原理是：首先估計(jì)大氣對地表熱輻射的影響, 然后把這部分大氣影響從衛(wèi)星高度上傳感器所觀測到的熱輻射總量中減去, 從而得到地表熱輻射強(qiáng)度, 再把這一熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的地表溫度。

具體實(shí)現(xiàn)為：衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由三部分組成：大氣向上輻射亮度L↑，地面的真實(shí)輻射亮度經(jīng)過大氣層之后到達(dá)衛(wèi)星傳感器的能量；大氣向下輻射到達(dá)地面后反射的能量。衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值的表達(dá)式可寫為（輻射傳輸方程）：

Lλ = [ε·B(TS) + (1-ε)L↓]·τ + L↑

這里，ε為地表輻射率，TS為地表真實(shí)溫度(K)，B(TS)為普朗克定律推到得到的黑體熱輻射亮度，τ為大氣在熱紅外波段的透過率。則溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)為：

B(TS) = [Lλ - L↑- τ·(1-ε)L↓]/τ·ε

可以看到，此類方法需要大氣剖面參數(shù)。

l單窗算法

    單窗算法(Mono- window Algorithm) 是覃志豪等根據(jù)地表熱輻射傳導(dǎo)方程, 推導(dǎo)出的一個(gè)利用Landsat TM第六波段數(shù)據(jù)反演地表溫度的算法，該算法計(jì)算公式如下：

TS =[a(1- C- D)+(b(1- C- D)+C+D) ·T6- DTa]/C

式中, TS是為地表真實(shí)溫度(K) ; a 和 b 是常量, 分別為-67.355351 和 0.458606; C 和 D 是中間變量, C =ε·τ，D=(1-τ)
([1+(1-ε) ·τ], 其中, ε是地表輻射率, τ是大氣透射率; T6 是衛(wèi)星高度上傳感器所探測到的像元亮度溫度(K) ; Ta是大氣平均作用溫度(K)。T6可以用普朗克公式的反函數(shù)獲取。

    TS = K2/ln(K1/ B(TS)+ 1)

對于TM，K1 =607.76W/(m2·sr·μm)，K2 =1260.56K。

對于ETM+，K1 =666.09W/(m2·sr·μm)，K2 =1282.71K。

大氣平均作用溫度(Ta)與地面附近(一般為2 m處)氣溫(T0)存在如下線性關(guān)系( Ta與T0的單位為K) :

熱帶平均大氣(北緯 15°，年平均)

Ta= 17.9769+0.91715 T0

中緯度夏季平均大氣(北緯 45°，7 月)

Ta= 16.0110+0.92621 T0

中緯度冬季平均大氣(北緯 45°，1 月)

Ta= 19.2704+0.91118 T0

從上可知此類算法需要3個(gè)參數(shù)：大氣平均作用溫度、大氣透過率和地表比輻射率。

l劈窗算法

劈窗算法最初是為反演海面溫度開發(fā)的，具體地說是針對NOAA/AVHRR的4和5通道設(shè)計(jì)的，后來也被用來反演地表溫度，這種算法較成熟，精度也高。劈窗算法以地表熱輻射傳導(dǎo)方程為基礎(chǔ)，利用10~13μm 大氣窗口內(nèi)，兩個(gè)相鄰熱紅外通道(一般為10.5～11.5μm、11.5～12.5μm)對大氣吸收作用的不同，通過兩個(gè)通道測量值的各種組合來剔除大氣的影響，進(jìn)行大氣和地表比輻射率的修正。表達(dá)式為：

T S= T 4+ A (T 4- T 5) + B

其中：T S為地表真實(shí)溫度，T 4和 T 5分別為AVHRR的4和5通道，A和B為常量。

AVHRR 的通道4(10.15~11.13μm) 和通道5 (11.15~12.15μm) 恰與MODIS 的第31 波段 (10.178~ 11.128μm) 和32 波段 (11.177~ 12.127μm ) 的中心波長相對應(yīng), 可將MODIS 的31、32 波段資料, 用于劈窗算法進(jìn)行地表溫度計(jì)算。很多學(xué)者對這個(gè)算法進(jìn)行了推演，得到很多新的算法，如覃志豪、毛克彪等人。具體公式這里不一一列舉。

實(shí)際上劈窗算法需要確定兩個(gè)參數(shù)：大氣透過率和地表比輻射率。

(三)關(guān)鍵技術(shù)

從上面幾種地表溫度反演方法可以看到幾個(gè)步驟都需要，包括傳感器定標(biāo)、地表比輻射率和大氣透射率的獲取。

l傳感器定標(biāo)

將DN值轉(zhuǎn)換為熱輻射強(qiáng)度值，一般成熟的傳感器都會(huì)提供定標(biāo)參數(shù)，如Landsat、MODIS、AVHRR等。

但是有些國產(chǎn)衛(wèi)星的定標(biāo)參數(shù)不太精確或者未提供，很多學(xué)者就研究出一些定標(biāo)方法，常用的是交叉定標(biāo)，即選擇成熟的數(shù)據(jù)作為參考，進(jìn)行線性回歸，常選擇的是MODIS數(shù)據(jù)。

l地表比輻射率

上述幾種方法會(huì)用到這個(gè)參數(shù)，目前也有很多的計(jì)算方法，如下幾種方法：

1)比輻射率數(shù)據(jù)庫+分類

比較常用的是其中一種方法是先對遙感影像進(jìn)行分類, 將地表分為不同的覆蓋類型, 再根據(jù)實(shí)測或者經(jīng)驗(yàn)值的地物比輻射率給各個(gè)地表覆蓋類型賦予不同的值, 從而生成地表比輻射率影像。

根據(jù)這個(gè)方法的基本原理，學(xué)者推演了很多的方法和參數(shù)。如覃志豪將陸地表面分為三種覆蓋類型：水體、居住地（包括城市、鄉(xiāng)村、交通等）和自然表面（包括天然陸地表面、林地和農(nóng)田等）三種覆蓋類型，每種地表類型有一個(gè)近似或者經(jīng)驗(yàn)比輻射率值。

目前有很多比輻射率數(shù)據(jù)庫，比較實(shí)用的有以下幾種方法：

MODIS UCSB 比輻射率庫：

http://g.icess./modis/EMIS/html/em.html

ASTER JPL數(shù)據(jù)庫（數(shù)據(jù)來自JHU、JPL和USGS光譜數(shù)據(jù)庫）http://speclib.jpl.

USGS光譜數(shù)據(jù)庫 http://speclab.cr./spectral-lib.html

我國典型地物標(biāo)準(zhǔn)波譜數(shù)據(jù)庫：http://spl.

2)根據(jù)可見光和近紅外光譜信息估計(jì)

如下為NDVI與比輻射率的散點(diǎn)圖，得到一個(gè)關(guān)系式，其中a和b是跟地表狀況有關(guān)系常量。

 

3)綜合法

實(shí)際上是NDVI閾值法(Sobrino et al. 2008)，這種方法可以看成是一種綜合的方法，使用了波譜庫、圖像分類以及可見光和近紅外光譜信息，具體如下：

 

   可以做以下描述：

( a)當(dāng) NDVI < 0.2 時(shí), 該像元被認(rèn)為是完全由裸土覆蓋, 此時(shí)該像元的地表發(fā)射率取土壤在紅光區(qū)間的反射值;

( b)當(dāng) NDVI > 0.5 時(shí), 該像元就被認(rèn)為是完全由植被覆蓋, 則此時(shí)該像元的地表發(fā)射率以植被的典型發(fā)射率 0.99 賦值;

( c)當(dāng) 0.2≤NDVI≤0.5 時(shí), 該像元被認(rèn)為是由裸土和植被組成的混合像元, 其地表發(fā)射率計(jì)算公式如下:

ε=ε vPv+εs (1- Pv)+dε

其中,εv是植被比輻射率,εs 是裸土的比輻射率, Pv是像元中的植被覆蓋度, 即植被構(gòu)成比例。當(dāng)?shù)乇磔^平坦時(shí)dε忽略不計(jì)。

l大氣透過率

常用的方法是通過大氣水汽含量和透過率的關(guān)系, 然后通過大氣水汽含量來計(jì)算透過率。比如MODIS數(shù)據(jù)就很容易獲取大氣水汽含量。

對于Landsat數(shù)據(jù)，在NASA官網(wǎng)(http://atmcorr.gsfc./)上，通過輸入經(jīng)緯度信息可以找到大氣透過率參數(shù)。

5、ENVI下地表溫度反演

下面是由Esri中國（北京）有限公司西南辦事處韓春峰提供的基于輻射傳輸方程法利用ETM+進(jìn)行地表溫度反演的例子。

例子數(shù)據(jù)為2002年9月2日的襄樊市Landsat ETM+數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)以及地表溫度反演研究的技術(shù)要求，采用的技術(shù)路線為：先對Landsat ETM+數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：數(shù)據(jù)讀取、輻射定標(biāo)、大氣校正、襄樊區(qū)域裁剪，利用大氣校正，即：輻射傳輸方程法對其影像熱紅外波段數(shù)據(jù)進(jìn)行操作反演，實(shí)現(xiàn)襄樊市地區(qū)的地表真實(shí)溫度的反演研究。

(一)技術(shù)流程

具體的處理流程如下：

圖1 技術(shù)流程

(二)具體的實(shí)現(xiàn)步驟

第一步：準(zhǔn)備數(shù)據(jù)

熱紅外數(shù)據(jù)使用的是Landsat的第六波段，已經(jīng)做了傳感器定標(biāo)、幾何校正、大氣校正和工程區(qū)裁剪。

由TM影像（已經(jīng)過大氣校正）生成的NDVI數(shù)據(jù)，已經(jīng)利用主菜單->Basic Tools->Resize Data（Spatial/Spectral）重采樣為60米分辨率，與TMi6數(shù)據(jù)保持一致。

第二步：地表比輻射率計(jì)算

物體的比輻射率是物體向外輻射電磁波的能力表征。它不僅依賴于地表物體的組成，而且與物體的表面狀態(tài)(表面粗糙度等)及物理性質(zhì)(介電常數(shù)、含水量等)有關(guān)，并與所測定的波長和觀測角度等因素有關(guān)。在大尺度上對比輻射率精確測量的難度很大，目前只是基于某些假設(shè)獲得比輻射率的相對值，本文主要根據(jù)可見光和近紅外光譜信息來估計(jì)比輻射率。

(一)植被覆蓋度計(jì)算

計(jì)算植被覆蓋度Fv采用的是混合像元分解法，將整景影像的地類大致分為水體、植被和建筑，具體的計(jì)算公式如下：

FV = (NDVI- NDVIS)／(NDVIV - NDVIS)

其中，NDVI為歸一化差異植被指數(shù)，取NDVIV = 0.70和NDVIS = 0.00，且有，當(dāng)某個(gè)像元的NDVI大于0.70時(shí)，FV取值為1；當(dāng)NDVI小于0.00，FV取值為0。

利用ENVI主菜單->Basic Tools->Band Math，在公式輸入欄中輸入：

（b1 gt 0.7）*1+（b1 lt 0.）*0+（b1 ge 0 and b1 le 0.7）*（(b1-0.0)/(0.7-0.0)）

b1：選擇NDVI圖像

得到植被蓋度圖像。

(二)地表比輻射率計(jì)算

根據(jù)前人（覃志豪）的研究，將遙感影像分為水體、城鎮(zhèn)和自然表面3種類型。本專題采取以下方法計(jì)算研究區(qū)地表比輻射率：水體像元的比輻射率賦值為0.995，自然表面和城鎮(zhèn)像元的比輻射率估算則分別根據(jù)下式（3）（4）進(jìn)行計(jì)算：

εsurface = 0.9625 + 0.0614FV - 0.0461FV2

εbuilding = 0.9589 + 0.086FV - 0.0671FV2

式中，εsurface和εbuilding分別代表自然表面像元和城鎮(zhèn)像元的比輻射率。

利用ENVI主菜單->Basic Tools->Band Math，在公式輸入欄中輸入：

（b1 le 0）*0.995+（b1 gt 0 and b1 lt 0.7）*(0.9589 + 0.086*b2 - 0.0671*b2^2)+(b1 ge 0.7)*(0.9625 + 0.0614*b2 - 0.0461*b2^2)

b1：NDVI值；

b2：植被覆蓋度值。

得到地表比輻射率數(shù)據(jù)。

第三步：計(jì)算相同溫度下黑體的輻射亮度值

衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由三部分組成：大氣向上輻射亮度L↑，地面的真實(shí)輻射亮度經(jīng)過大氣層之后到達(dá)衛(wèi)星傳感器的能量；大氣向下輻射到達(dá)地面后反射的能量。衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值的表達(dá)式可寫為（輻射傳輸方程）：

Lλ = [ε·B(TS) + (1-ε)L↓]·τ + L↑

這里，ε為地表輻射率，TS為地表真實(shí)溫度，B(TS)為普朗克定律推到得到的黑體在TS的熱輻射亮度，τ為大氣在熱紅外波段的透過率。則溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)為：

B(TS) = [Lλ - L↑- τ·(1-ε)L↓]/τ·ε

在NASA官網(wǎng)(httF://atmcorr.gsfc./)中輸入成影時(shí)間以及中心經(jīng)緯度，則會(huì)提供上式中所需要的參數(shù)。本專題輸入的數(shù)據(jù)是襄樊市地區(qū)2002年9月2日北京時(shí)間10：30成像的Landsat7 ETM+影像，影像中心的經(jīng)緯度為：32.51N，111.81 E。得到下圖參數(shù)圖：大氣在熱紅外波段的透過率τ為0.6，大氣向上輻射亮度L↑為3.39 W/(m2·sr·μm)，大氣向下輻射亮度L↓為5.12W/(m2·sr·μm)。

圖2 2002年9月2日Landsat ETM+數(shù)據(jù)的大氣輔助參數(shù)

利用ENVI主菜單->Basic Tools->Band Math，在公式輸入欄中輸入：

（b2-3.39-0.6*（1-b1）*5.12）/（0.6*b1）

b1：60m分辨率的地表比輻射率值；

b2：表示熱紅外波段大氣校正后的輻射定標(biāo)值。

得到了溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度值。

第四步：反演地表溫度

在獲取溫度為TS的黑體在熱紅外波段的輻射亮度后，根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)，求得地表真實(shí)溫度TS：

TS = K2/ln(K1/ B(TS)+ 1)

對于ETM+，K1 =666.09W/(m2·sr·μm)，K2 =1282.71K。

利用ENVI主菜單->Basic Tools->Band Math，在公式輸入欄中輸入：

（1282.71）/alog（666.09/b1 +1）-273

b1：溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度值。

得到真實(shí)的地表溫度值，單位是攝氏度。

第五步：結(jié)果瀏覽與輸出

   在DisFlay中顯示溫度值，是一個(gè)灰度的單波段圖像。

(1)選擇Tools->Color MaFFing->Density Slice，單擊Clear Range按鈕清除默認(rèn)區(qū)間。

(2)選擇OFions->Add New Ranges，增加以下四個(gè)區(qū)間：

l39℃以上，紅色

l35℃至39℃，黃色

l30℃至35℃，綠色

l低于30℃，藍(lán)色

(3)單擊AFFly。

(4)選擇File->OutFut Range to Class Image，可以將反演結(jié)果輸出。