CN110567591A - 一种适用于地面热红外数据的温度/发射率反演方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属地面热红外遥感信息提取技术领域，具体涉及一种适用于地面热红外数据的温度/发射率反演方法。包括如下步骤：一、待测样品和地面热红外数据测量仪器选取；二、样品热红外数据测量环境和时间选择；三、大气下行辐射热红外辐亮度数据计算；四、样品热红外辐亮度数据获取；五、样品温度分布范围选取；六、黑体热红外辐亮度数据计算；七、样品在不同温度下的发射率值计算；八、样品在不同温度下的发射率曲线平滑度计算和真实温度确定；九、样品在真实温度下的发射率值计算。本方法能够基于地面热红外遥感数据准确反演地物温度和发射率信息，为铀、多金属等矿产资源勘查、环境监测和目标识别等领域提供一种重要的技术手段。
Description
技术领域
本发明属于地面热红外遥感信息提取技术领域，具体涉及一种适用于地面热红外数据的温度/发射率反演方法。
背景技术
红外辐射是自然界中存在最为广泛的热辐射，且可以被热红外探测仪器所获取。只要物体的表皮温度高于绝对零度，他就会不断地向外辐射能量。地物向外辐射的能量可以表示为物体自身温度和其光谱发射率的函数，发射率是地物一个重要的特征物理量，如同指纹一样，每种地物均有其独特的光谱发射特征，可以用于不同类型矿物和岩石等地物的识别；温度数据是全球和区域尺度反映地气相互作用和人类理解地气过程的重要参数，获取特定地表类型和地物组成的表皮温度，可以用于分析特定地表现象和过程的能量平衡特征。因此，获取地物的热红外数据并反演其温度和发射率光谱，对开展相关领域科学研究和应用具有重要的价值，也为矿产资源勘查、环境监测、目标识别等领域提供了一种重要的技术手段。
现今，可用于获取地物热红外数据的仪器主要有便携式傅立叶变换热红外光谱仪(简称“102F热红外光谱仪”)和BOMEN高精度光谱辐射计等，该类仪器在获取地物热红外辐射的过程中，需要测量的数据包括地物的表面温度和热辐射亮度值。虽然上述仪器可以准确测量地物的热辐射亮度值，但决定地物热红外辐射强度的表皮温度是地物表面向外通过热辐射、湍流热交换和水汽热交换达到表面与内部进行热平衡过程的综合反映，以现有的技术手段很难实现不破坏热平衡而精确获取地物的表皮温度。这就导致在实际的温度/发射率反演过程中，两者都成了待解算的未知数。一个方程两个未知数，是一个不完备方程，温度和发射率反演就变成了一个病态反演问题。
近40多年来，很多遥感和物理学者一直致力于解决这个欠定方程，他们采取不同的方式方法来构建多余方程，以使方程组完备，并开发了一些具有代表性并已广泛应用的温度/发射率分离方法：NEM法、alpha剩余法、参考通道法、MMD法、光谱迭代平滑算法等。通过对上述方法进行对比研究得出，发射率归一化法、参考通道法和光谱迭代平滑算法均可以用于地面热红外数据温度/发射率分离，且能取得较高的反演精度。但发射率归一化法、参考通道法依赖于人工先验知识的准确性，多适用于航空和航天热红外遥感数据。光谱迭代平滑算法适用于地面热红外数据开展温度/发射率反演，但其反演精度则取决于平滑度函数设定的合理性。因此，在光谱平滑迭代算法基础上研究设计一种新的适用于地面热红外遥感数据的温度/发射率反演方法十分必要，该方法对于更准确获取地物的温度和发射率数据，以应用于地物识别具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术方法不足，提供一种适用于地面热红外数据的温度/发射率反演方法，可有效的反演地物的温度和发射率数据。
为解决上述技术问题，本发明一种适用于面热红外数据的温度/发射率反演方法，依次包括如下步骤：
步骤一、待测样品和地面热红外数据测量仪器选取。选取在热红外谱段具有明显光谱诊断特征的样品作为待测样品，选用可获取样品热红外辐射的测量仪器用于测量样品热红外数据；
步骤二、样品热红外数据测量环境和时间选择。应选取室外环境温度稳定、周围地物影响小的时间和地点开展测量；
步骤三、大气下行辐射热红外辐亮度数据计算。使用接触式点温仪测量漫反射金板的温度值Tg，计算绝对黑体在温度为Tg时的热红外辐亮度函数B(λ，Tg)；对地面热红外数据测量仪进行冷热黑体标定，将测量仪光学镜头调整到距离漫反射金板一定高度，测量漫反射金板的热红外辐亮度数据Lg(λ，Tg)，计算大气下行辐射热红外辐亮度数据Latm↓(λ)＝(Lg(λ，Tg)-(1-R)×B(λ，Tg))/R；
步骤四、样品热红外辐亮度数据获取。使用接触式点温仪测量样品的温度值Ts，将样品放置在测量漫反射金板热红外辐亮度数据时的同等高度位置，测量样品热红外辐亮度数据Ls(λ,T)；
步骤五、样品温度分布范围选取。以点温仪测量样品的温度值Ts，为样品温度初值，以该初值为基础，以一定的温差间隔产生一个温度分布范围(Ts-5～Ts+5)；
步骤六、黑体热红外辐亮度函数计算。计算样品在温度分布范围(Ts-5～Ts+5)内每一个温度对应波长的黑体热红外辐亮度函数B(λ，T)；
步骤七、样品在不同温度下的发射率值计算。计算样品在温度分布范围(Ts-5～Ts+5)内每一个温度对应波长的发射率值ε；
步骤八、样品在不同温度下的发射率曲线平滑度计算和真实温度确定。计算样品每一个温度对应波长发射率曲线的平滑度函数PHD(Tj)，平滑度值最小的发射率曲线对应的温度即为样品的真实温度Tr；
步骤九、样品在真实温度下的发射率值计算。计算样品在真实温度Tr时对应热红外谱段波长的发射率值，将样品对应波长作为X轴，每个波长对应的发射率值作为Y轴，便得到了样品热红外谱段发射率曲线。至此，实现了所测样品地面热红外数据的温度/发射率反演。
所述步骤一中，热红外谱段是指波长在8μm-14μm的光谱波段；明显光谱诊断特征是指光谱曲线具有明显的吸收波谷和反射波峰；测量仪器选择便携式傅立叶变换热红外光谱仪(简称“102F热红外光谱仪”)；
所述步骤二中，室外环境温度稳定、周围地物影响小的时间和地点是指凌晨或者下午偏后至傍晚，气象条件稳定、无风雨的室外空旷地带；
所述步骤三中，接触式点温仪的测量精度应高于0.5℃，漫反射金板应保持干净；
所述步骤三中，函数B(λ，Tg)指绝对黑体在温度为Tg时，随波长λ变化的热红外辐亮度函数，具体计算公式为：(式中，B(λ，Tg)单位为W·m-2·μm-1·sr-1，Tg为黑体的热力学温度，单位为K，λ为热红外谱段波长，单位为μm；cl＝1.12×10- 16W·m2，c2＝14388μm·K；
所述步骤三中，地面热红外数据测量仪选择102F热红外光谱仪，测量时漫反射金板须放在距离测量仪光学镜头的垂直距离小于1米；函数Lg(λ，Tg)指漫反射金板在温度为Tg时，随波长λ变化的热红外辐亮度函数；函数Latm↓(λ)＝(Lg(λ，Tg)-(1-R)×B(λ，Tg))/R中，Latm↓(λ)指以λ为变量的大气下行热红外辐亮度函数，R为已知漫反射金板反射率；
所述步骤四中，将样品放置在测量漫反射金板热红外辐亮度数据时的同等高度位置指，样品与测量仪光学镜头的垂直距离和漫反射金板与测量仪光学镜头的垂直距离相同，且小于1米；Ls(λ,T)指样品在温度T时，随波长λ变化的热红外辐亮度函数；
所述步骤五中，以一定的温差间隔指温差为0.5℃；Ts-5指以样品温度初值Ts为基础，以0.5℃的温差间隔递减至Ts-5，Ts+5指以样品温度初值Ts为基础，以0.5℃的温差间隔递增至Ts+5；
所述步骤六中，每一个温度指步骤五中以0.5℃为温差间隔，以Ts-5为温度最小值，Ts+5为温度最大值范围中的每一个温度值；黑体热红外辐亮度函数B(λ，T)计算公式同步骤三；
所述步骤七中，发射率值式中，Ls(λ，T)在步骤四中已获取，Latm↓(λ)在步骤三中已获取，B(λ，T)在步骤六中已获取；
所述步骤八中，样品每一个温度取值同步骤六；平滑度函数 式中，PHD(Tj)指样品温度为Tj时的发射率平滑度函数，N指发射率曲线总数，ε(vi，Tj)指样品温度为Tj时第i波段的发射率；
所述步骤九中，热红外谱段对应波长范围是指8μm～14μm。
本发明的有益技术效果在于：本发明的方法可准确获取地物的温度和发射率数据，基于温度和发射率信息可精确识别环境热异常及地物种类，为铀多金属等矿产资源勘查、环境监测、目标识别等领域提供了一种重要的技术手段，也为基于航空/航天热红外遥感技术大范围快速开展热异常信息提取和地物识别奠定了基础。
附图说明
图1为本发明设计的一种适用于地面热红外数据的温度/发射率反演方法，开展的以石英固体样品为例的温度/发射率反演图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种用于地面热红外数据的温度/发射率反演方法，包括如下步骤：
步骤一、待测样品和地面热红外数据测量仪器选取。选取波长在8μm～14μm热红外谱段并具有明显吸收波谷和反射波峰光谱诊断特征的样品作为待测样品，选用便携式傅立叶变换热红外光谱仪(简称“102F热红外光谱仪”)用于测量样品热红外数据；
步骤二、样品热红外数据测量环境和时间选择。应选取凌晨或者下午偏后至傍晚，气象条件稳定、无风雨的室外空旷地带等室外环境温度稳定、周围地物影响小的时间和地点开展测量；
步骤三、大气下行辐射热红外辐亮度数据计算。使用测量精度高于0.5℃的接触式点温仪测量漫反射金板的温度值Tg，测量时，漫反射金板应保持干净；计算绝对黑体在温度为Tg时随波长λ变化的热红外辐亮度函数B(λ，Tg)，具体计算公式为：(式中，B(λ，Tg)单位为W·m-2·μm-1·sr-1，Tg为黑体的热力学温度，单位为K，λ为热红外谱段波长，单位为μm；cl＝1.12×10-16W·m2，c2＝14388μm·K；对102F热红外光谱仪进行冷热黑体标定，将测量仪光学镜头调整到距离漫反射金板垂直距离小于1米，测量漫反射金板在温度为Tg时，随波长λ变化的热红外辐亮度函数Lg(λ，Tg)，计算以λ为变量的大气下行热红外辐亮度函数Latm↓(λ)＝(Lg(λ，Tg)-(1-R)×B(λ，Tg))/R，式中，R为已知漫反射金板反射率；
步骤四、样品热红外辐亮度数据获取。使用接触式点温仪测量样品的温度值Ts，将样品放置在测量漫反射金板热红外辐亮度数据时的同等高度位置(与测量仪光学镜头的垂直距离相同，且小于1米)，测量样品在温度T时，随波长λ变化的热红外辐亮度数据Ls(λ,T)；
步骤五、样品温度分布范围选取。以点温仪测量样品的温度值Ts为样品温度初值，以该初值为基础，以0.5℃温差间隔产生一个温度分布范围(Ts-5～Ts+5)。其中，Ts-5为温度最小值，Ts+5为温度最大值；
步骤六、黑体热红外辐亮度函数计算。计算样品在以0.5℃为温差间隔，以Ts-5为温度最小值，Ts+5为温度最大值范围中的每一个温度值对应波长的黑体热红外辐亮度函数B(λ，T)，B(λ，T)计算公式同步骤三；
步骤七、样品在不同温度下的发射率值计算。计算样品在温度分布范围(Ts-5～Ts+5)内每一个温度对应波长的发射率值ε，计算公式为： 式中，Ls(λ，T)在步骤四中已获取，Latm↓(λ)在步骤三中已获取，B(λ，T)在步骤六中已获取；
步骤八、样品在不同温度下的发射率曲线平滑度计算和真实温度确定。计算样品以0.5℃为温差间隔，以Ts-5为温度最小值，Ts+5为温度最大值范围中每一个温度值，对应波长发射率曲线的平滑度函数PHD(Tj)，计算公式为：式中，PHD(Tj)指样品温度为Tj时的发射率平滑度函数，N指发射率曲线总数，ε(vi，Tj)指样品温度为Tj时第i波段的发射率值；平滑度值最小的发射率曲线对应的温度即为样品的真实温度Tr；
步骤九、样品在真实温度下的发射率值计算。计算样品在真实温度Tr时对应热红外谱段波长8μm～14μm的发射率值，将样品对应波长作为X轴，每个波长对应的发射率值作为Y轴，便得到了样品热红外谱段发射率曲线。至此，实现了所测样品地面热红外数据的温度/发射率反演，如图1所示。
综合上述分析，本方法可获取地物的温度和发射率数据，应用于城市生态环境、地下管网、夜间目标等热异常信息提取及目标识别，为铀、多金属等矿产资源勘查、环境监测、伪装材料研制等领域提供了一种重要的技术手段，为提高航空/航天热红外遥感大范围、快速识别目标的精度奠定了理论基础。
上面对本发明的实施例作了详细说明，上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (10)
1.一种适用于地面热红外数据的温度/发射率反演方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、待测样品和地面热红外数据测量仪器选取；选取在热红外谱段具有明显光谱诊断特征的样品作为待测样品，选用可获取样品热红外辐射的测量仪器用于测量样品热红外数据；
步骤二、样品热红外数据测量环境和时间选择；应选取室外环境温度稳定、周围地物影响小的时间和地点开展测量；
步骤三、大气下行辐射热红外辐亮度数据计算；使用接触式点温仪测量漫反射金板的温度值Tg，计算绝对黑体在温度为Tg时的热红外辐亮度数据B(λ，Tg)；对地面热红外数据测量仪进行冷热黑体标定，将测量仪光学镜头调整到距离漫反射金板一定高度，测量漫反射金板的热红外辐亮度数据Lg(λ，Tg)，计算大气下行辐射热红外辐亮度数据Latm↓(λ)＝(Lg(λ，Tg)-(1-R)×B(λ，Tg))/R；
步骤四、样品热红外辐亮度数据获取；使用接触式点温仪测量样品的温度值Ts，将样品放置在测量漫反射金板热红外辐亮度数据时的同等高度位置，测量样品热红外辐亮度数据Ls(λ,T)；
步骤五、样品温度分布范围选取；以点温仪测量样品的温度值Ts为样品温度初值，以该初值为基础，以一定的温差间隔产生一个温度分布范围(Ts-5～Ts+5)；
步骤六、黑体热红外辐亮度函数计算；计算样品在温度分布范围(Ts-5～Ts+5)内每一个温度对应波长的黑体热红外辐亮度数据B(λ，T)；
步骤七、样品在不同温度下的发射率值计算；计算样品在温度分布范围(Ts-5～Ts+5)内每一个温度对应波长的发射率值ε；
步骤八、样品在不同温度下的发射率曲线平滑度计算和真实温度确定；计算样品每一个温度对应波长发射率曲线的平滑度函数PHD(Tj)，平滑度值最小的发射率曲线对应的温度即为样品的真实温度Tr；
步骤九、样品在真实温度下的发射率值计算；计算样品在真实温度Tr时对应热红外谱段波长的发射率值，将样品对应波长作为X轴，每个波长对应的发射率值作为Y轴，便得到了样品热红外谱段发射率曲线；至此，实现了所测样品地面热红外数据的温度/发射率反演。
2.根据权利要求1所述的一种适用于地面热红外数据的温度/发射率反演方法，其特征在于：所述步骤一中热红外谱段是指波长在8μm～14μm的光谱波段；明显光谱诊断特征是指光谱曲线具有明显的吸收波谷和反射波峰；测量仪器选择便携式傅立叶变换热红外光谱仪。
3.根据权利要求2所述的一种适用于地面热红外数据的温度/发射率反演方法，其特征在于：所述步骤二中，室外环境温度稳定、周围地物影响小的时间和地点是指凌晨或者下午偏后至傍晚，气象条件稳定、无风雨的室外空旷地带。
4.根据权利要求3所述的一种适用于地面热红外数据的温度/发射率反演方法，其特征在于：所述步骤三中，接触式点温仪的测量精度高于0.5℃，漫反射金板应保持干净；函数B(λ，Tg)指绝对黑体在温度为Tg时，随波长λ变化的热红外辐亮度函数，具体计算公式为：式中，B(λ，Tg)单位为W·m-2·μm-1·sr-1，Tg为黑体的热力学温度，单位为K，λ为热红外谱段波长，单位为μm；cl＝1.12×10-16W·m2，c2＝14388μm·K；地面热红外数据测量仪选择102F热红外光谱仪，测量时漫反射金板须放在距离测量仪光学镜头的垂直距离小于1米；函数Lg(λ，Tg)指漫反射金板在温度为Tg时，随波长λ变化的热红外辐亮度函数；函数Latm↓(λ)＝(Lg(λ，Tg)-(1-R)×B(λ，Tg))/R，式中，Latm↓(λ)指以λ为变量的大气下行热红外辐亮度函数，R为已知漫反射金板反射率。
5.根据权利要求4所述的一种适用于地面热红外数据的温度/发射率反演方法，其特征在于：所述步骤四中，将样品放置在测量漫反射金板热红外辐亮度数据时的同等高度位置是指，样品与测量仪光学镜头的垂直距离和漫反射金板与测量仪光学镜头的垂直距离相同且小于1米；Ls(λ,T)指样品在温度T时，随波长λ变化的热红外辐亮度函数。
6.根据权利要求5所述的一种适用于地面热红外数据的温度/发射率反演方法，其特征在于：所述步骤五中，以一定的温差间隔指温差为0.5℃；Ts-5指以样品温度初值Ts为基础，以0.5℃的温差间隔递减至Ts-5，Ts+5指以样品温度初值Ts为基础，以0.5℃的温差间隔递增至Ts+5。
7.根据权利要求6所述的一种适用于地面热红外数据的温度/发射率反演方法，其特征在于：所述步骤六中，每一个温度指步骤五中以0.5℃为温差间隔，以Ts-5为温度最小值，Ts+5为温度最大值范围中的每一个温度值；黑体热红外辐亮度函数B(λ，T)计算公式同步骤三。
8.根据权利要求7所述的一种适用于地面热红外数据的温度/发射率反演方法，其特征在于：所述步骤七中，发射率值计算通过公式得到，式中，Ls(λ，T)在步骤四中已获取，Latm↓(λ)在步骤三中已获取，B(λ，T)在步骤六中已获取。
9.根据权利要求8所述的一种适用于地面热红外数据的温度/发射率反演方法，其特征在于：所述步骤八中，样品每一个温度取值同步骤六；所述平滑度函数式中，PHD(Tj)指样品温度为Tj时的发射率平滑度函数，N指发射率曲线总数，ε(vi，Tj)指样品温度为Tj时第i波段的发射率。
10.根据权利要求9所述的一种适用于地面热红外数据的温度/发射率反演方法，其特征在于：所述步骤九中，热红外谱段对应波长范围是指8μm～14μm。
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