紅外遙感技術(shù)及其應(yīng)用

1、熱紅外遙感技術(shù)及其應(yīng)用紅外遙感是指傳感器工作波段限于紅外波段范圍之內(nèi)的遙感。探測波段一般在0.761000微米之間，是應(yīng)用紅外遙感器探測遠(yuǎn)距離外的植被等地物所反射或輻射紅外特性差異的信息，以確定地面物體性質(zhì)、狀態(tài)和變化規(guī)律的遙感技術(shù)。因為紅外遙感在電磁波譜紅外譜段進行，主要感受地面物體反射或自身輻射的紅外線，有時可不受黑夜限制。又由于紅外線波長較長，大氣中穿透力強，紅外攝影時不受煙霧影響，透過很厚的大氣層仍能拍攝到地面清晰的像片。用于紅外遙感的傳感器有黑白紅外攝影、彩色紅外攝影、紅外掃描儀和紅外輻射計。紅外遙感技術(shù)(thermalinfraredremotesensing)利用電磁波譜中814

2、/jn熱紅外波段本身和在大氣中傳輸?shù)奈锢硖匦缘倪b感技術(shù)統(tǒng)稱。所有的物質(zhì)，只要其溫度超過絕對零度，就會不斷發(fā)射紅外能量。常溫的地表物體發(fā)射的紅外能量主要在大于3pm的中遠(yuǎn)紅外區(qū)，是熱輻射。它不僅與物質(zhì)的表面狀態(tài)有關(guān)，而且是物質(zhì)內(nèi)部組成和溫度的函數(shù)。在大氣傳輸過程中，它能通過35pm和814pm兩個窗口。熱紅外遙感就是利用星載或機載傳感器收集、記錄地物的這種熱紅外信息，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。紅外遙感探測的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的進步，光譜信息成像化，雷達成像多極化，光學(xué)探測多向化，地學(xué)分析智能化，環(huán)境研究動態(tài)化以及資源研究定量化，大大提高了遙感技術(shù)的實時性和

3、運行性，使其向多尺度、多頻率、全天候、高精度和高效快速的目標(biāo)發(fā)展，例如在水質(zhì)監(jiān)測、裸土濕度、遙感考古、赤潮遙感監(jiān)等等，這些技術(shù)的發(fā)展極大地促進了生產(chǎn)生活的進步，。下面將簡略介紹這幾項技術(shù)。1遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用1.1 水體遙感監(jiān)測原理利用遙感技術(shù)進行水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的主要機理是被污染水體具有獨特的有別于清潔水體的光譜特征，這些光譜特征體現(xiàn)在其對特定波長的光的吸收或反射，而且這些光譜特征能夠為遙感器所捕獲并在遙感圖像中體現(xiàn)出來。如當(dāng)水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化時，浮游植物中的葉綠素對近紅外波段具有明顯的“陡坡效應(yīng)”，故而這類水體兼有水體和植物的光譜特征，即在可見光波段反射率低，在近紅外波段反射率卻明顯升

4、高。1.2 多光譜遙感數(shù)據(jù)在水質(zhì)遙感監(jiān)測中常用的多光譜遙感數(shù)據(jù)，包括美國Landsat衛(wèi)星的MSS、TM、ETM+數(shù)據(jù)，法國SPOT衛(wèi)星的HRV數(shù)據(jù)，氣象衛(wèi)星NOAA的AVHRR數(shù)據(jù)，印度遙感IRS系統(tǒng)的LISS數(shù)據(jù)，日本JERS衛(wèi)星的OPS（光學(xué)傳感器）接收的多光譜圖像數(shù)據(jù)，中巴地球資源1號衛(wèi)星（CBERS-1）CCD相機數(shù)據(jù)等。Landsat數(shù)據(jù)是目前應(yīng)用較廣的數(shù)據(jù)。AVHRR（高級甚高分辨率輻射計）是裝載在NOAA列衛(wèi)星上的傳感器，每天都可以提供可見光圖像和兩幅熱紅外圖像，在水質(zhì)監(jiān)測等許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。1.3 發(fā)展趨勢（1）建立遙感監(jiān)測技術(shù)體系。（2）加強水質(zhì)遙感基礎(chǔ)研究。（3）開展微波

5、波段對水質(zhì)的遙感監(jiān)測。（4）提高水質(zhì)遙感監(jiān)測精度。（5）綜合利用“3S”技術(shù)。2裸土濕度的熱紅外遙感2.1裸土濕度的熱紅外遙感的特點和測試條件對于裸土的水分含量可由土表溫度變化測定，并可檢測到50cm的深度。Bartholic等發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田裸地表面日最高溫度隨近地表水分含量的增加而減小。從實用的角度考慮，在一定的氣象條件下（晴朗、無風(fēng)），用白天下墊面溫度的空間分布可以有效地反映土壤水分的空間分布。2.2目前的主要方法熱慣量法遙感土壤水分Watson等最早成功地應(yīng)用了熱慣量模型，Rosema等進一步發(fā)展了他們的工作，提出了計算熱慣量、每日蒸發(fā)的模型oPrice等在能量平衡方程的基礎(chǔ)上，簡化了潛熱蒸

6、發(fā)（散）形式，引入地表綜合參數(shù)概念，系統(tǒng)地闡述了熱慣量方法及熱慣量的成像機理，并提出了表觀熱慣量的概念，利用衛(wèi)星熱紅外輻射溫度差計算熱慣量，然后估算土壤水分。這個方法已經(jīng)得到普遍認(rèn)可。隋洪智等在考慮了地面因子和大氣因子的情況下，進一步簡化能量平衡方程，使直接利用衛(wèi)星資料推算得到地表熱特性參量成為可能。余濤等提出了一種改進的求解土壤表層熱慣量的方法，發(fā)展了地表能量平衡方程的一種新的化簡方法。經(jīng)過這樣的處理，可從遙感圖像數(shù)據(jù)直接得到熱慣量值，進而得到土壤水分含量分布。馬藹乃等均從不同角度、在不同的區(qū)域利用NOAA/AVHRR資料進行熱慣量法遙感土壤水分的監(jiān)測試驗。日本學(xué)者宇都宮陽二郎與中國科學(xué)院長

7、春凈月潭遙感實驗站合作以中國東北吉林省為中心進行區(qū)域土壤水分調(diào)查，采用CDEE衛(wèi)星資料，結(jié)合近地層小氣候及地下熱流量觀測資料，進行熱慣量計算，并與同步測定的0-15cm土壤水分資料建立統(tǒng)計模式，繪成土壤水分分布圖。隨著熱慣量法遙感土壤水分理論的日臻成熟，對于在裸露或植被覆蓋度較低時土壤水分遙感采用熱慣量法的效果已得到認(rèn)可，但在實際應(yīng)用中，仍需根據(jù)當(dāng)?shù)氐臓顩r對模型參數(shù)的求解和某些因子的省略做一些必要的調(diào)整。2.3土壤水分遙感研究的趨勢與展望GIS技術(shù)的應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(GIS)是最近幾十年迅速發(fā)展并廣泛使用的信息技術(shù)之一，與遙感技術(shù)的集成應(yīng)用，在科研與生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大作用。在土壤水分的遙感研究中

8、，也大量引入GIS技術(shù)。例如，陳懷亮等在對河南省麥田土壤水分NOAA/AVHRR監(jiān)測中，利用GIS支持，重點探討了不同土壤質(zhì)地和風(fēng)速對遙感干旱監(jiān)測的影響，用遙感表層土壤水分耦合深層土壤水分的方法與模型、用單時相遙感資料反演土壤水分的方法等，并最終建立了河南省冬小麥干旱遙感監(jiān)測應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。(2) 土壤水分遙感監(jiān)測的深度土壤溫度的日較差是隨土壤深度變化的，表層日較差最大，越向深層日較差越小，到一定深度后，日較差將為0，這個深度通常為日變化消失層。土壤日較差的消失層不是固定的，它隨緯度、季節(jié)、土壤性質(zhì)而異，對于不同含水量的土壤，日變化的消失層在230-100cm之間。應(yīng)用該理論，利用不同時次的衛(wèi)星

9、資料反演不同深度的土壤水分，以10cm和20cm的反演效果最好。(3) 遙感波段的配合應(yīng)用不同的方法配合應(yīng)用，避免監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)大的偏差。微波遙感具有全天候、高精度的優(yōu)勢，是未來土壤水分遙感監(jiān)測的方向。遙感技術(shù)的發(fā)展趨勢和總結(jié)1. 遙感影像獲取技術(shù)越來越先進(1)隨著高性能新型傳感器研制開發(fā)水平以及環(huán)境資源遙感對高精度遙感數(shù)據(jù)要求的提高，高空間和高光譜分辨率已是衛(wèi)星遙感影像獲取技術(shù)的總發(fā)展趨勢。遙感傳感器的改進和突破主要集中在成像雷達和光譜儀，高分辨率的遙感資料對地質(zhì)勘測和海洋陸地生物資源調(diào)查十分有效。(2) 雷達遙感具有全天候全天時獲取影像以及穿透地物的能力，在對地觀測領(lǐng)域有很大優(yōu)勢。干涉雷達

10、技術(shù)、被動微波合成孔徑成像技術(shù)、三維成像技術(shù)以及植物穿透性寬波段雷達技術(shù)會變得越來越重要，成為實現(xiàn)全天候?qū)Φ赜^測的主要技術(shù)，大大提高環(huán)境資源的動態(tài)監(jiān)測能力。(3) 開發(fā)和完善陸地表面溫度和發(fā)射率的分離技術(shù)，定量估算和監(jiān)測陸地表面的能量交換和平衡過程，將在全球氣候變化的研究中發(fā)揮更大的作用。(4) 由航天、航空和地面觀測臺站網(wǎng)絡(luò)等組成以地球為研究對象的綜合對地觀測數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，具有提供定位、定性和定量以及全天候、全時域和全空間的數(shù)據(jù)能力，為地學(xué)研究、資源開發(fā)、環(huán)境保護以及區(qū)域經(jīng)濟持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)。2. 遙感信息處理方法和模型越來越科學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波、分形、認(rèn)知模型、地學(xué)專家知識

11、以及影像處理系統(tǒng)的集成等信息模型和技術(shù)，會大大提高多源遙感技術(shù)的融合、分類識別以及提取的精度和可靠性。統(tǒng)計分類、模糊技術(shù)、專家知識和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類有機結(jié)合構(gòu)成一個復(fù)合的分類器，大大提高分類的精度和類數(shù)。多平臺、多層面、多傳感器、多時相、多光譜、多角度以及多空間分辨率的融合與復(fù)合應(yīng)用，是目前遙感技術(shù)的重要發(fā)展方向。不確定性遙感信息模型和人工智能決策支持系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用也有待進一步研究。3.3S一體化計算機和空間技術(shù)的發(fā)展、信息共享的需要以及地球空間與生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的空間分布式和動態(tài)時序等特點，將推動3S體化。全球定位系統(tǒng)為遙感對地觀測信息提供實時或準(zhǔn)實時的定位信息和地面高程模型；遙感為地理信息系統(tǒng)提供

12、自然環(huán)境信息，為地理現(xiàn)象的空間分析提供定位、定性和定量的空間動態(tài)數(shù)據(jù)；地理信息系統(tǒng)為遙感影像處理提供輔助，用于圖像處理時的幾何配準(zhǔn)和輻射訂正、選擇訓(xùn)練區(qū)以及輔助關(guān)心區(qū)域等。在環(huán)境模擬分析中，遙感與地理信息系統(tǒng)的結(jié)合可實現(xiàn)環(huán)境分析結(jié)果的可視化。3S一體化將最終建成新型的地面三維信息和地理編碼影像的實時或準(zhǔn)實時獲取與處理系統(tǒng)。4. 建立高速、高精度和大容量的遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)隨著3S一體化，資源與環(huán)境的遙感數(shù)據(jù)量和計算機處理量也將大幅度增加，遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)就必須要有更高的處理速度和精度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有全并行處理、自適應(yīng)學(xué)習(xí)和聯(lián)想功能等特點，在解決計算機視覺和模式識別等特大復(fù)雜的數(shù)據(jù)信息方面有明顯優(yōu)勢

13、。認(rèn)真總結(jié)專家知識，建立知識庫，尋求研究定量精確化算法，發(fā)展快速有效的遙感數(shù)據(jù)壓縮算法，建立高速、高精度和大容量的遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。5. 建立國家環(huán)境資源信息系統(tǒng)國家環(huán)境資源信息是重要的戰(zhàn)略資源，環(huán)境資源數(shù)據(jù)庫是國家環(huán)境資源信息系統(tǒng)的核心。我們要提高對環(huán)境資源的宏觀調(diào)控能力，為我國社會經(jīng)濟和資源環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的數(shù)據(jù)和決策支持。6. 建立國家環(huán)境遙感應(yīng)用系統(tǒng)國家環(huán)境遙感應(yīng)用系統(tǒng)將利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和地面環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立天地一體化的國家級生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)以及重大污染事故應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)，可定期報告大氣環(huán)境、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的狀況。環(huán)境遙感地理信息系統(tǒng)是其支撐系統(tǒng)，在各種應(yīng)用軟件的輔助下實現(xiàn)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)的存儲、處理和管理；環(huán)境遙感專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)是其應(yīng)用平臺，在環(huán)境專業(yè)模型的支持下實現(xiàn)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)的環(huán)境應(yīng)用；環(huán)境遙感決策支持系統(tǒng)是其最上層系統(tǒng)，在環(huán)境預(yù)測評價和決策模型的驅(qū)動下進行環(huán)境預(yù)測評價分析，制定環(huán)境保護的輔助決策方案；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是其數(shù)據(jù)輸入和輸出的開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，