红外遥感技术的发展及其应用

遥感导论实习报告班级：2011级测绘工程姓名：韩宇鹏学号：201111830127指导教师：泮雪琴红外遥感技术的发展及其应用摘要：热红外遥感对研究全球能量变换和可持续发展具有重要的意义，尤其在生态学领域，借助地面实测数据和遥感数据，通过红外波段的解析、反演可以进行各种问题的定量化探讨。文章从军事、海洋，地热资源3个方面阐述了热红外遥感的应用。一：红外遥感发展现状地球科学正朝着更精确定量化的方向发展，地表能量交换是地球系统中水、热、碳各种循环和过程的主导因子，其中陆面温度又是地表能量交换的核心信息，而信息的获取是个高难度课题，精确定量反演陆面温度的成果将推动旱灾预报和作物缺水研究、农作物产量估算、数字天气预报、全球变化和全球碳平衡等领域研究的进展。人们要以遥感手段定量表达地球表面时空多变要素，特别是陆面温度的区域分布规律，首先遇到的问题是如何将遥感信息转化为地球科学迫切需要的应用信息。地学遥感的信息源是各种地物的反射和发射的电磁波强度记录，只有少量应用信息可以从这些电磁波信息里面直接提取，而绝大多数的应用，信息的获取需要非遥感参数和先验知识的支撑，并要在物理学、生物学、农学、水文学、气象学等多学科的交叉和渗透下，建立信息转换模型，才能使遥感信息和地学信息连接起来。成功的定量遥感研究都是从信息转换机理入手，研究如何以遥感获得电磁波信息定量反演出所需的应用信息。从唯物辩证法的角度分析，从遥感信息转换到地学应用信息的过程就是克服遥感信息局限性的过程。遥感的发展史就是不断地克服和改善遥感的局限性的历史，热红外遥感的发展也不例外。在克服遥感的局限性的道路上不乏成功之例：热红外波段的“劈窗技术”是在光谱信息上开拓的有效方法。热红外辐射的大气辐射传输是非常复杂的课题，大气参数的时空变化给陆面温度的反演带来了局限性，劈窗技术利用两个热红外波段的辐射信号的差值与大气参数之间的信息相关性，使得用热红外波段遥感信息本身就可以进行大气辐射初步纠正。热红外辐射的“肤面特征”也是一种局限性，它的信息只局限于地物表面，然而，热惯量方法是利用两个时相的热红外辐射温度差值，提取了地表面以下的土壤水分信息，使得遥感信息的应用向地表以下的深度开拓。多角度遥感也是开拓遥感信息，使其获取地物三维信息的好例子。热红外遥感基础研究的实质内涵仍然是以遥感信息为基础开拓和挖掘地学信息的过程。在地物光谱维上已开拓出多光谱遥感的研究领域，在时间维上也开拓出多时相遥感的研究范畴，而近年来发展起来的多角度遥感显然是在方向维上开拓的结果。二：红外遥感技术的军事应用。1.机载红外成像伊拉克战争的经验证明，从空中昼夜获取战场的情报信息，对获取战场的主动权及至最后夺取战争的胜利极为重要。采用机载成像技术直接从空中获取地面信息，对地面目标进行侦察监视方法的应用已有几十年时间。美国军方一直强烈地依赖于这一手段获取情报，其U-2、P-3和“食肉者”侦察机就是这种应用的典型实例。U-2飞机上装有高分辨率的摄像系统，可获得地面目标的高分辨率清晰图像，其侦察范围沿飞行航线纵深可达数十公里的大面积地区，为指挥机关和作战部队提供了极为直观的准确情报。美、英、法国军队一直非常重视发展这种先进的战术机载成像侦察监视系统，从越南战争到波斯湾战争，仅美国海军就有500多架抓侦察机，迄今为止仍有100多架鬼怪式侦察机在世界各地服役。特别是在最近几年美军发动的几场战争中，如科索沃、阿富汗和伊拉克战争，美军的机载战术侦察技术发挥得淋漓尽致，在夺取战争的主动权方面起到了至关重要的作用。2．星载红外成像星载红外成像是获取敌情、采取自卫的重要途径，它有许多优点：能24h昼夜工作，能适应不良天气，能提供定时信息，能把捕捉目标和攻击结合起来，有远距离探测和透过能力，能识别伪装，能排除电子干扰等。红外成像不仅能揭露地面、森林里的伪装，还可揭露地下、水下的军事目标，显示热源目标的运动状态和踪迹。美国在50年代末、60年代初，出于军事和政治上的需要，花了很大的气力发展空间遥感技术，以用于卫星侦察。从美国公布的空间环境遥感图像来看，“陆地卫星”和其他一些空间飞行器在军事侦察上发挥了较大作用，美国宇航局常把接收到的红外图像信息，经处理后直接送给三军和中央情报局。“陆地卫星”上携带的主要遥感器之一是多谱段扫描仪，它的敏感光范围包括可见光和近红外光谱段（0.8〜1um）。红外成像具有一定的识别伪装能力，在彩色红外相片上，死树呈浅蓝或青蓝色，缺水植物呈淡红或白色，普通绿色油漆呈蓝色。对于“陆地卫星”图像来讲，这种红外效应对于大面积的伪装、施工前后新土和旧土都有一定的识别能力。“陆地卫星-D”上的返束光导摄像管（RBV），其地面分辨率约3010(“陆地卫星4号”的分辨率更高)，它对海水具有较好的穿透能力，其图像能显示出水下地貌与地质构造轮廓，透视深度一般为100左右，在特定条件下可达400，甚至更深。这些情报数据对于沿海或岛屿登陆作战以及舰艇航行都是很有用的。3．星载导弹预警导弹预警卫星系统是利用卫星监视导弹的发射，预报导弹的发射点和落点位置，是国家导弹防御系统获取信息的重要手段。天基红外系统是美国新型反导系统的重要组成部分，是美国正在研制的下一代天基导弹预警系统，它通过使用探测能力更强的3种轨道混合星座模式和更先进的地面处理分系统，能够为反导系统提供更为有效的天基、过顶红外数据。SBIRS的3个天基组成部分，包括4颗地球同步轨道(GEO)卫星、2颗大椭圆轨道（HEO）卫星和24颗低地球轨道(LEO）卫星，其中4颗GEO卫星和2颗HEO卫星构成SBIRS的高轨道卫星（SBIRS-high），24颗LEO卫星则成为SBIRS的低轨道卫星(SBIRS-low)。GEO卫星将采用双探测器模式，每颗卫星都装有高速扫描探测器和交互配对的凝视型焦平面阵列探测器。扫描探测器采用一维阵列对地球的南北半球进行扫描，当探测到强红外辐射后，由凝视型探测器对辐射源进行详细的二维观察。24000单元凝视型焦平面阵列对24000个敏感单元进行分工，各自探测地球上相对应的一小块区域，当某一敏感单元接收到强烈的红外辐射并发出信号，那么由这一单元所在的位置就能够推算出红外辐射源所在的地区。如果是导弹发出的辐射，由于它们的运动，会使一连串的敏感单元依次发出信号，根据这些单元发出的信号就可以推断出导弹的飞行方向和速度；如果是地面固定红外辐射源发出的辐射，则只有与地面相对应的那些敏感单元不断发出信号来加以排除，以避免产生虚警。另外，GEO卫星还将采用洛克希德-马丁公司的A2100新型平台，增加星上信息处理系统，增强数据处理及报告能力。GEO卫星无论是扫描速率还是灵敏度都将比第三代DSP预警卫星提高10倍以上。三：红外遥感技术在海洋方面的应用。热红外辐射计和微波辐射计观测得到的全球海表面温度可应用与下列研究领域：1.气候学。海洋的面积占地球70%,地球的气候在很大程度上受海洋决定，海水的热容量是大气热容量的1000倍，海水温度的微小变化都会对大气温度、大气环流、天气形势和气候带来非常大的影响；海表面温度的任何微小变化都可能标志着海洋内部热能储蓄的重大变化。因此，地球气候不但与大气有关，还与海洋与大气之间复杂的相互作用密切相关。海气相互作用的基础是海表温度，海气之间的能量交换正是通过海气界面进行的。通过热红外可以遥感海表温度，弥补传统资料的不足和缺陷。2.全球海表面温度变化。CO2的增加引起全球变暖，随之而来的海表面温度增加和海平面增高已引起人们的普遍关注。然而，全球海表面温度和海平面增高的佐证，需要长期、大面积和具有较高精度的海表面温度的测量及统计。这离不开海洋遥感。3.海表面温度异常。海表温度异常描述在某一特定区域某一特定时间内海表面温度的观测值与长期海表面温度平均值的偏差。由于海域的浩瀚，常规航测方法很难快速获得海表面温度及其变化，正是卫星遥感才使得海表面温度异常及其变化的监测和预报成为可能。4.天气预报。海表面温度显著地影响到海水蒸发率，后者对当地地区的天气系统的发展有很大影响，尤其对热带气旋早期发展的位置和运动路径有重要影响。作为大气运动的下垫面，海表面的温度大小与变化在天气预报中有重要意义，甚至有文献指出，海表面温度达到或超过28C是台风产生的一个重要条件。5.大洋涡旋。中尺度涡是大洋环流在其蛇形的过程中由于相邻水体的流速不同而形成的百米级至几十千米的中尺度现象。中尺度引起大洋环流与周围海域的水体进行能量、物质、热量交换，对其周边海域及其陆地的天气和渔业生产等产生影响。由于中尺度涡脱离于母体----大洋环流，它具有母体的一些水文特征的佐证，需要长期、大面积和具有较高精度的海表面温度的测量及统计。这离不开海洋遥感。6.上升流。上升流是海洋底层水向表层涌升的现象。底层海水比表层海水温度低，且含有丰富的营养物质，由于下层海水无太阳光线到达，无法进行光合作用，不适于植物生长；但其上升到海表面时，在阳光的照耀下大量浮游植物会迅速生长繁殖，使该海域成为鱼群觅食、生长繁殖的好场所，因此成为有商业价值的渔场。由于上升流海域与周围海域的海水温度有明显的差异，所以使用红外遥感可判断出上升流区的位置和范围。四：热红外遥感技术在地热资源调查中应用研究。目前，地热资源的勘探，开发还刚起步，还没有切实有效的勘探方法。由于地热资源一般埋藏较深，地质调查分析仅能在地表及以往所做地质工作的基础上做一定的宏观分析推断。钻孔勘探虽直观，但费用高，且仅能局限到点。热红外遥感技术是一种快速检测地面温度的新技术，它能在瞬间或比较短的时间内获取大面积地面温度场信息，具有连续采样(面扫描)、信息量大、检测精度高(o．2℃～o．5℃)、一致性好、直观形象、速度快、成本低和不受地面通行条件限制等优点。因此，它一问世立即引起地热工作者的极大兴趣，并将这一新技术用来进行地热资源调查，取得了许多成功经验，同时在理论探讨方面也在逐步深化，展现出它的应用前景。热红外遥感探测地热资源的原理自然界任何温度高于热力学温度(0K或一273℃)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，其辐射能量大小与其自身的温度和辐射率成正比(M^=￡3T4)。正因为这种辐射依赖于温度，因而称“热辐射”。地球表面温度的产生主要来自于太阳能的辐射加温作用，其次是来源于地球深部热源。前者以电磁波辐射形式进行热传递，存在于地球表面的各个地方，对地球表面的增热起主导作用；而后者则以传导和对流方式进行热传递，主要受地质构造控制和地层岩石的物理性质影响，属于局部增温现象，只有这种热传递在地面形成的热异常才对寻找地热资源有实际意义。地热是贮存在地球内部的一种热能，一般集中分布在构造板块边缘一带，起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变，这些热异常在热红外波段(8～14“m)其热辐射温度较高，很容易被热红外探测器检测出来。热红外遥感技术探测地热，主要通过传感器在矿区环境地质的热红外遥感波段接收到地物热辐射信息，通过地热异常和控热构造的遥感解译提取有关地热资源信息。图像色调深浅反映地物热辐射能量大小，在浅层地热或有热泉分布的地区，直接利用热红外遥感图像就可以获取地热(异常)信息。而对于深部地热构造而言，直接利用热红外遥感技术无法获取地热异常信息，一般要通过对控热构造如隐伏岩体、活动断裂和深大断裂的遥感解译，再配合实地调查和地面测温等资料的综合分析，可以间接地获取地热异常信息。参考文献[1]刘延忠．中国地热资源开发与利用的思考．中国矿业，2001，10(5)：5-9．[2]周彦儒．热红外遥感技术在地热资源调查中的应用与潜力．国土资源遥感，1998，38(4)．[3]林满意，吴文君，叶晔．超长电磁波地下遥感技术在地热勘探中的应用．西部探矿工程，2006，117(1)：107—108．[4]曹凯，江南．基于TM6的地热资源的热红外遥感探查模型研究．遥感信息管理应用，2006，2：18-21．[5]郝艳梅，高新法，张义文．遥感技术在下庄地区地热资源开发中的应用研究．国土资源遥感，2001，47(1)19—24，30．[6]杨波，吴德，等．遥感技