热红外遥感在地热中的应用

1、 专 业： 测绘工程 班 级： 0614111 组 别： 第一组 指 导 教 师： 牛 磊 姓 名： 曹岳飞、闫佩良、马欣欣 梁威力、王君 完 成 时 间： 2013年12月1日 热红外遥感技术及其在地热资源调查中的的应用0614111班 第一组 曹岳飞 闫佩良 马欣欣 梁威力 王君摘 要：热红外遥感即通过热红外探测器收集地物辐射出来的人眼看不到的热红外辐射通量，经过能量转换而变成人眼能看到的图像。热红外遥感自从1962年第一台红外测温仪诞生起在军事、地热油气调查、地质填图、热制图、热惯量估算以及灾害监测、环境污染等方面有了非常广泛的应用。本文主要介绍了热红外遥感技术及其在地热资源调查中的应用

2、。关键词:热红外技术 地热资源调查 引言自然界任何温度高于热力学温度（0K或-273ºC）的物体都不断地向外发射电磁波。热红外遥感即通过热红外探测器收集地物辐射出来的人眼看不到的热红外辐射通量，经过能量转换而变成人眼能看到的图像。热红外遥感技术的发展是为了获取地物的热状况信息，从而推断地物的特征及环境相互作用的过程，为科学和生产所应用 。 地热是地球赋予人类的廉价能源，地球就像一个庞大的地热库。人类在面对环境污染的困扰、地球生态平衡的破坏、不可再生资源的匮乏、各国对能源需求的急速增长。这时地热资源调查就显得尤其重要。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

3、间内获取大面积地面温度场信息，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。1 红外线的起源与发展热红外遥感的发展可以从1962年第一台红外测温仪诞生算起；1978年美国发射热惯量卫星（HCMM），首次用卫星来观察地球表面的温度差异，这标志着热红外遥感的发展；随后，红外技术不断发展，一系列航空航天遥感器运用了热红外波段采集地面数据，并将其应用于军事、地质填图、热制图、热惯量估算以及灾害监测、环境污染等方面; 热红外遥感的发展可以从1962年第一台红外测温仪诞生算起；1978年美国发射热惯量卫星（HCMM），首次用卫星来观察地球表面的温

4、度差异，这标志着热红外遥感的发展；随后，红外技术不断发展，一系列航空航天遥感器运用了热红外波段采集地面数据，并将其应用于军事、地质填图、热制图、热惯量估算以及灾害监测、环境污染等方面; 应用研究，如岩溶区探水、热红外探矿、探地热、城市热岛、林火监测等均取得不少成果;但许多热红外遥感应用主要是以亮度温度为信息源的定性分析阶段，定量研究还很不够。随着比辐射率研究和测定工作的进展，以及热红外遥感大气纠正问题的深入，热红外遥感的定量研究也得到很大的发展； 但是由于热红外遥感本身的复杂性，它的许多理论问题均未很好的解决，如地表热红外辐射及比辐射率的方向性问题、温度与比辐射率的分离问题、非同温混合像元的分

5、解问题等；目前，国内外许多学者正在致力于对热辐射与地面相互作用机理的研究、地表真实温度的模型反演等疑难问题的攻克以及热红外遥感应用研究的进一步开拓 。 2 热红外遥感技术的原理（1）热红外遥感的特点由于被遥感的物体在任何时间都在不断地向外辐射热红外线，热红外遥感可以在白天或黑夜无人造光源的条件下实施，它是一种全天时的遥感手段。 （2）热红外遥感机理1） 获取波段 热红外大气窗口和热红外波段图一 热红外大气窗口和热红外波段红外遥感技术的发展以红外线的物理特性为基础。红外线是由于物质内部带电微粒的能全发生变化而产生的，它是一种电磁波处于可见光谱红光之外突出特点是热作用显著。红外线的波长介于可见光与

6、无线电波之间从0 .75µm1000µm，可分为四个波段：近红外（0.753µm）、中红外（36µm）、远红外（615µm）、和极远红外（151000µm），在大气传输过程中，地表热辐射能通过3-5m和8-14m两个窗口，这也是大多数传感器的设计波段范围。2）热红外遥感成像过程 图二 热红外遥感成像 3）地球温度与热辐射峰值图三 黑体的辐射光谱曲线红外遥感的信息源来自物体本身，其基础是：只要其温度超过绝对零度，就会不断发射红外能量，即地表热红外辐射特性。如下图为黑体的辐射光谱曲线（不同温度下物体辐射能量随波长变化的曲线），常温的地表物

7、体（300K左右）发射的红外能量主要在大于3m的中远红外区，即地表热辐射。热辐射不仅与物质温度的表面状态有关，物质内部组成和温度对热辐射也有影响。4）地球表面的热量特征海洋表面温度：相对均质；陆地表面温度：物质非均质性，导致地表 温度空间差异大，1米距离内可能有较大的温度变化。5）利用热辐射基本定律计算电磁辐射量6)热红外遥感大气校正由于热红外辐射穿过大气辐射时与大气中的各种气体分子、水（汽）和各种微粒气溶胶发生作用，产生吸收和散射效应。使得到达传感器的红外辐射发生了衰减，因而需做大气校正。由于热红外与大气的相互作用与可见光、近红外不一样，因此其大气纠正方法也不一样，并且更加复杂。7）温度与发

8、射率的反演·地表温度的反演热红外测温技术由于具有不接触被测物体的特点，不破坏地表的热力学状态，因此被广泛应用于地表温度的测量中，如何将遥感传感器测量到的热红外辐射信号转换为地球系统中所需要的陆面温度，是热红外遥感中的核心课题，亦是热红外遥感在其它领域应用的基本前提。地表温度反演的方法：大气校正法、单窗算法、劈窗算法、多通道算法、多角度法。·发射率的反演发射率 ，又称比辐射率。是物体在温度T、波长 处的辐射出射度与同温度、同波长下的黑体辐射出射度的比值，是一个无量纲的单位，取值在0-1之间。比辐射率反演方法：昼-夜法、模式发射率法、分类法、剩余法、比值法等3热红外遥感技术在地

9、热资源调查中的应用。（1）简介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，它具有连续采样(面扫描)、信息量大、检测精度高(0 20 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。（2）原理和方法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，它对地球表面的增热起主导作用，而且存在于地球表面的所有地方。后者则以

10、传导和对流方式进行热传递，它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。上述这种比背景温度高的地热异常很容易被热红外探测器检测出来。例如：航空热红外遥感技术可以精确地提供温泉点的位置和热异常的分布特征,为查清导热、控热构造提供有利线索,以指导地热勘探工作。此外,在某些受岩层和第四系松散层掩盖的所谓“盲热”区,亦可通过航空热红外遥感方法,填绘浅部热含水层来帮助发现深部地热资源。常用航空/卫星传感器ASTERHYMAPLANDSAT TM/ETM+MasterFTHSIHyperSpecTIR4.进行试验或者预估应用该技

11、术过程中的问题及应用结果应用示范：见下页SATER data is used to conduct over the Brady Hot Springs regiontrue-color HyMap image subset that centers on the 40 MW Casa Diablo geothermal plant(2)存在问题1)热红外遥感方法只能取得地表温度信息，而开采利用价值比较大的地热资源多埋藏在地下深部，或被巨厚的沉积盖层所掩盖，在没有热通道通向地表的条件下很难被发现。2)来自地球内部的热源产生的地表温度异常，主要靠地层岩石的热传导和地下水的热对流作用，热传导率极低

12、的岩石限制了这种异常的产生。3)成像条件选择至关重要。理想的成像条件应包括：成像季节。一般而言,地表与大气进行热交换处于平衡状态时，有利于地热异常的形成；成像时间，应该在夜间太阳辐射影响消失后，地表与大气呈现正向热交换时,地热异常才能显示出来；大气对地表温度产生干扰影响最小的时候,如风、云、雨、雾、气温高低等都可成为干扰因素；成像时温度定标范围的选择，可以确定最佳温度范围和最大限度的提高图像的温度分辨率。4)热红外遥感方法只能做为地热调查中的一种技术手段使用，它不能代替常规的地热勘探方法。该技术必须与其它技术方法相配合，与专业知识相结合才能取得比较好的应用效果。5.总结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，它具有连续采样(面扫描)、信息量大、检测精度高(0 20 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。参考文献1赵英时等， 遥感应用分析原理与方法， 科学出版社，2003.2徐冠华. 论热红外遥感中的基础研究，中国科学（E辑），2000，30（8）：15 3柳钦火 地表温度的遥感反演方法及应用， 北京大学博士研究生学位论文 1997年6月 4