基于比辐射率先验的热红外反演地表温度算法-论文.pdf

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1、第36卷第3期河北联合大学学报(自然科学版)Vo1．36No．32014年7月JournalofHebeiUnitedUniversity(NaturalScienceEdition)Ju1．2014文章编号：2095-2716(2014)03-0086-06基于比辐射率先验的热红外反演地表温度算法王眷磊，晁晖，孙迪(1．河北联合大学信息工程学院，河北唐山063009；2．北京市第三十五中学，北京100031)关键词：比辐射率；地表温度；热红外遥感摘要：地表温度是区域和全球尺度上地表变化进程的关键参数，是大气和地表相互作用及能量交换的因子，是诸多研究领域不可

2、或缺的基础资料。利用卫星遥感资料进行地表温度的反演已成为目前遥感定量研究中的重要任务之一。简述了热红外遥感反演地表温度的理论基础，总结了比辐射率先验的条件下热红外遥感反演地表温度的方法和关键技术，并针对目前地表温度反演中遇到的问题，对未来热红外遥感地表温度的发展趋势进行展望。中图分类号：TP751．1文献标志码：A0引言地表是长波辐射和湍流交换的临界面，地表温度是全球变化研究中重要的水文、气象参数，它影响着大气、海、陆之间的感热和潜热交换，在计算地球表层辐射收支与热量平衡中必不可少¨。由于绝对零度以上的物体会不断向外发射红外辐射，常温的地表物体发射的红外辐射

3、主要是在大于3um的中远红外区(又称热红外辐射)，因此利用热红外遥感数据提取地表温度是目前研究的热点。精确定量反演地表温度对推动旱灾预报和作物缺水研究、农作物产量估算、数值天气预报、全球气候变化和全球碳平衡等领域的研究具有重要意义。1热红外遥感反演地表温度的理论基础，空间所有的物体都通过辐射方式交换着能量，当物体的辐射能量等于吸收的外来辐射能量，这时该物体就会处于热平衡状态。一般来说，物体的辐射能量收支并不相等，物体会处于非辐射平衡状态。但是如果辐射热交换过程相当慢，以致物体中的内能分布及其变化均匀，物体则会继续处于热平衡状态，这时的辐射可视为具有准平衡性质

4、。我们可用Planck温度函数T来描述这种情况引。)：(1)7’一⋯一Inf1+／B()]、。A为波长，cl和C2为辐射常量，C1=2hc，C2=hc／k，K2=C1／A，K=C2／A，C=2．998×10m／s为光速，h=6．626×10J．s为Plank常数，=1．3806×10。J．deg为玻尔兹曼常数，A为波长，代表波长为A的物体温度，B()为分光辐射亮度，单位w·m～·Sr～·Llm～。Planck函数给出了黑体辐射的辐射强度与温度和波长的定量关系。从(1)和(2)式可以看出，温度确定后，由Planck函数可以确定辐射源的能量谱分布，进而可以推算出

5、物体的能量谱峰值的波长。反之，从物体的能量谱分布及辐射强度也可计算出物体的亮度温度。这就是地表温度能被反演的理论基础。通过Planck函数可以得出物体的亮度温度，但这与实际温度不同，要想得到物体的实际温度，需要引入发射率(A，T)，又称比辐射率。是物体在温度、波长A处的辐射出射度与同温度、同波长下的黑体辐射出收稿日期：2013-10-29第3期王春磊，等：基于比辐射率先验的热红外反演地表温度算法87射度的比值，用它来表征物体的发射的强弱，比辐射率是一个无量纲的单位，取值在0—1之间。，)=(3)此处帆(A，)为黑体出射度。通常情况下，物体的发射率在较大的温度

6、变化范围内为常数，故一般不标注为温度的函数，而是波长A的函数，由材料的性质决定。物体的发射率是物体发射能力的表征，它不仅依赖于地表物体的组成成分，而且与物体的表面状态(表面粗糙度等)及物理性质(介电常数、含水量、温度等)有关，并随着所测定的辐射能波长、观测角度等条件变化而变化。地表比辐射率￡。一般在0．85～0．99之间。自然界的真实物体并不是朗伯体，其表面辐射亮度与出射方向是有关的。温度不具有方向性，物体热辐射的方向性主要由比辐射率的方向性引起的。地表的温度一般为300K左右，地表的热红外辐射能量由地表温度和地表比辐射率两个因素决定。地表温度是地球、太阳大

7、气相互作用的结果。地表接收太阳辐射，部分太阳辐射被吸收变为热能，部分被反射，地表还与大气和深层土壤进行热交换。因此地表温度与地表反射率、地表热学性质和地表的红外比辐射率等因素密切有关。如果用辐射亮度表示就是(A，T)=(A)(A，)，(A，)表示物体的辐射亮度，(A，)表示与物体相同温度的黑体的辐射亮度。曰()=L(A，代人就可以求出受环境辐射和大气辐射传输的影响，在星载传感器上观测到的地物目标的辐射亮度为-5]：l＼

8、

9、

10、

11、0蕾曩取确图1热红外遥感地表温度示意图()=(B()+(1—8i)R西)丁+R曲(4)其中为星上亮温，为地表亮度温度，为地表比辐射率，

12、为大气透过率，曲为大气下行辐射，R为大气上行辐射。／