【文章內(nèi)容簡介】 函數(shù)，將 AVHRR 的兩個熱通道即通道 4()和通道 5( )轉化為相應的亮度溫度，然后通過亮溫來反演地表溫度。分裂窗算法的表達形式如下 ： 52410 TATAATs ??? (式 24) 其中 Ts 是地表溫度（ K）， T4 和 T5 分別為 AHVRR 的第四第五通道的亮度溫度（ K）。用NOAA/AVHRR 的第四第五通道反演地面亮溫主要采用普朗克函數(shù)進行計算 ： )1/ln( 31 2 ?? EVC VCTB (式 25) 其中 :TB為亮度溫度 。E 為定標后的輻射率 。V 為探測波段的中心波數(shù) 。C C2為玻爾曼常數(shù)。A0 、 A1 、 A2是由大氣狀況，觀測角及地表比輻射率所決定的系數(shù)，對于不同算法其系數(shù)的確定有所區(qū)別。 盡管計算比較簡單，分窗算法應用還是有一定的限制。由其所確定的參數(shù)只能在局地范圍上適用，在全球尺度上并不適用也不能反映實際的變化情況。當大氣水汽含量和地表比輻射率有較大變化時，這種經(jīng)驗、半經(jīng)驗型公式就會產(chǎn)生較大的偏差。分窗算法在海面溫度的反演上精度較高，因為海水的比輻射率可以認為是固定 的，但是對于陸地表面而言就比較復雜。 (2)單窗算法 由于只有一個熱紅外波段，這種算法就要求提前獲得精確的大氣在水平和垂直方向上的溫度、水汽含量等參數(shù)。大氣輪廓線可以由衛(wèi)星上的垂直探空儀器 (如果有的話 )得到，或者數(shù)據(jù)氣候模型預測以及無線電探空儀獲得。目前利用 TM/ETM+熱紅外波段 (TM6)反演地表溫度主要有三種方法 : 1輻射傳輸方程法 輻射傳輸方程法又稱大氣校正法，該方法主要根據(jù)衛(wèi)星上遙感器所觀測到的熱輻射強度的構成來求算地表溫度。方程表示為： ? ? ?? ???? IITBI S ??? )1()( (式 26) 在式 26 中， I 是熱輻射強度 。.. 112 ?? msrmW ? ? ： 是地表比輻射率 。B(Ts)是用 Planck 函數(shù)表示的黑體熱輻射強度，其中， Ts 是地表溫度 (K) 。? ： 是大氣透射率，可以用大氣水分含量來估計 ； ?? II和 和分別是大氣的下行和上行熱輻射強度 。 由輻射傳輸方程可知，要得到地表溫度 Ts 必須要知道大氣透過率 ? ，大氣下 行輻射亮度 ?I ，大氣上行輻射亮度 ?I 。通過同步觀測的無線電探空數(shù)據(jù)輸入大氣校正模型MODTRAN[3]可以計算出這三個大氣參數(shù)。從輻射傳輸方程可以解出地表溫度 Ts，這種方 4 法一個最大的限制條件是要求衛(wèi)星過境時的大氣無線電探空數(shù)據(jù)。如果能夠獲得準確的大氣輪廓線，利用這種方法可以得到比較準確的地表溫度 [4]。對于 TM 熱紅外數(shù)據(jù)，如果能夠獲取衛(wèi)星過境時的大氣輪廓線數(shù)據(jù)則可利用 MODTRAN 軟件對大氣輪廓線數(shù)據(jù)進行模擬大氣得到大氣參數(shù) 然后利用輻射傳輸方程計算出比較準確的地表溫度，同時還可以與地表觀測數(shù)據(jù)進行對比驗證反演精度。 2單窗算法 單窗算法 (Monowindow Algorithm)適用于只有一個熱波段的遙感數(shù)據(jù)，主要用于 TM 6和 ETM+數(shù)據(jù)進行地表溫度反演。覃志豪根據(jù)地表熱輻射傳導方程，推導出一個簡單易行并且精度較高的演算方法，把大氣和地表的影響直接包括在演算公式 27 中： ? ? ? ? 6666666666 /)1()1( CTDTDCDCbDCaT abs ????????? （式 27） 式中， TS是地表實際溫度 。Tb 是行星亮度溫度 。Ta 為大氣等效溫度 。a 和 b 是 參考系數(shù)，取 a = , b = 。 C 和 D 是中間變量。 該算法需要用地表輻射率、大氣透射率和大氣平均溫度 3 個參數(shù)進行地表溫度的演算。驗證表明，該方法的地表溫度演算精度較高。當參數(shù)估計沒有誤差時，該方法的地表溫度演算精度達到 ℃ ，在參數(shù)估計有適度誤差時，演算精度仍達 1 .1℃ 。 (3)多角度算法 假設大氣在水平方向上是均勻的，多角度方法是充分利用了同一目標在不同的觀測角度下大氣對地表輻射吸收率差異。多角度觀測可以是同一衛(wèi)星在不同角度觀測，也可以是不同衛(wèi)星對同一目標觀 測。 1991 年 ATSR 是第一個能進行雙角度觀測的傳感器，它的星下點觀測角度為 0220，前向觀測角度小于 550。目前國內(nèi)本領域的研究處于剛起步階段，學者徐希孺 [5]、陳良富 [6]等呼吁加強該方法的應用研究，本文不再展開介紹。 到目前為止，利用熱紅外遙感的方法反演地表溫度己經(jīng)取得了一定的成就，利用熱紅外遙感可以得到大范圍的地表溫度面信息，與傳統(tǒng)的地表溫度測量方式相比，具有快速、便捷、測量范圍大、信息連續(xù)等特點，但由于大氣影響和陸地表面比輻射率的不確定性，地表溫度的反演精度受到了限制，還不能完全滿足實際應用的測 量精度要求，因此利用熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演地面溫度目前仍然是一個研究熱點和難點。 綜合以上各種算法，最重要的困難在于 : (1)陸地表面的比輻射率不但依賴于地表的組成成分，而且與物理狀態(tài) (如含水量、粗糙度 )和視角等因素有關，且像元尺度的地表比輻射率難以預先確定； (2)由于地表比輻射率明顯小于 1，大氣下行輻射效應也成為大氣修正的內(nèi)容之一。然而大氣下行輻射效應的精確修正又依賴地表比輻射率己知比輻射率又要事先知道陸面溫度，這樣就構成了一個死循環(huán) 。要得到地表。 (3)未知量多于方程數(shù)，方程組不完備，從而構成了溫度反演的 不確定性。 3 熱紅外遙感的應用 熱紅外遙感資料在地震預報中的應用 自 20 世紀 80 年代末以來，隨著衛(wèi)星遙感技術的迅速發(fā)展。在地震預測預報中也提出 5 了利用衛(wèi)星紅外遙感技術進行地震預測的方法 [9]。國內(nèi)外不少地震學者作了大量的地震紅外異常機理、巖石實驗、紅外遙感技術的應用方法及典型震例對比分析研究，取得了許多有意義的研究結果。 典型震例衛(wèi)星熱紅外波段的溫度資料分析結果表明震前確有增溫現(xiàn)象。地震熱紅外異常很可能是通過地表和底層大氣表現(xiàn)出來，直接原因是目標物的輻射溫度發(fā)生變化。 1988年，前蘇聯(lián)學者 Gorny, Tronin 等分析中亞地區(qū)的地震衛(wèi)星熱紅外遙感圖像時意外發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的一些中強地震 (Ms≧ )震前，衛(wèi)星紅外圖像上存在熱異常現(xiàn)象，且與斷裂構造的活動有關。在活動斷層表面存在著穩(wěn)定和不穩(wěn)定的熱紅外輻射異常，異常增溫可達到幾度的量級，異常的形態(tài)為線性條帶。我國科學家很快意識到這一發(fā)現(xiàn)的重要性，迅速開始了這方面的探索研究，并將這一方法正式應用于地震預報實踐。 1996 年 Tronin 等進一步對中亞地區(qū)近 10 年約 10000 景 NOAH 衛(wèi)星熱紅外通道的熱像進行系統(tǒng)分析，證實中亞地震活動區(qū)震前的衛(wèi)星熱紅外異常 (平均 150C)與該區(qū)地震活動存在顯著的統(tǒng)計關系。 熱紅外遙感技術在旱情監(jiān)測的應用 我國北方地區(qū)地處干早、半干旱地帶，降水少，蒸發(fā)強烈，水資源十分貧乏，旱災頻繁，嚴重制約著地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展。因此干早是制約我國、特別是北方干旱、半干早地區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的最重要因素之一。尋找合適的干旱監(jiān)測和評估方法，對于農(nóng)牧業(yè)趨利避害具有十分重要的意義。近年來，迅速發(fā)展的衛(wèi)星遙感技術，使得快速、及時、動態(tài)監(jiān)測與評估區(qū)域性的土壤水分狀況和干早成為可能 [10]。 用紅外遙感方法監(jiān)測土壤水分和干早的研究始于上世紀 70 年代。 1978 年熱容 量制圖衛(wèi)星 (HCMM)的發(fā)射成功，以及具有獲得高分辨率圖像能力的 TIROSS 和 NOAH 系列氣象衛(wèi)星的相繼運行，使得大規(guī)模地研究和應用熱紅外技術遙感監(jiān)測土壤水分和干早成為可能。發(fā)展的監(jiān)測方法較多，目前主要采用兩類方法，即熱紅外方法 (熱慣量模式 )和微波遙感方法。還有人采用植被 (作物 )缺水系數(shù)法，但通常也可將此類方法歸入熱紅外方法。國內(nèi)外許多研究表明，利用土壤熱學特性的熱紅外技術在遙感監(jiān)測土壤水分和干早方面具有巨大潛力和廣闊的發(fā)展前景。 熱紅外遙感技術監(jiān)測土壤水分和干旱主要是應用熱慣量模式。熱慣量是土壤阻止溫度變 化的一個度量，反映了土壤的熱學特性。由于土壤密度、熱傳導率和比熱等特性的變化在一定條件下主要取決于土壤水分含量的變化，因而土壤熱慣量與土壤含水量之間必定存在事實上的相關性。這樣，就可通過遙感獲取地表的有關信息，求算出熱慣量及熱慣量與土壤水分含量之間的相關關系，從而達到監(jiān)測土壤水分狀況和干早發(fā)生、發(fā)展趨勢的目的。 熱紅外遙感在城市環(huán)境中的應用 （ 1） 地表水體熱污染調(diào)查 隨著城市化的發(fā)展，工業(yè)廢水和居民排污量與日劇增，城市地表水體的污染日益嚴重，常規(guī)地面調(diào)查方法已不能適應治理工作的需要，應用熱紅外遙感技 術在水體調(diào)查方面解決了以下問題 :發(fā)現(xiàn)熱源點和排污口 。調(diào)查江河、湖面水體污染程度和熱擴散范圍；研究地表 6 水體污染的時空變化規(guī)律 [11]。 （ 2）研究城市下墊面結構與溫度場關系 城市地面溫度變化