高温目标物理参量短波红外遥感反演

发布时间：2017-12-11 00:33

  本文关键词：高温目标物理参量短波红外遥感反演

  更多相关文章： 高温目标 短波红外 物理模型 实验模型 温度反演 遥感识别

【摘要】：地球表面普遍存在着高温现象,高温现象的存在与人类社会生活息息相关,它的研究对人们生存有着重要意义。高温目标一般为温度达到500K以上且其温度显著高于周围常温地物的特殊地物类,除了油井火炬和发电、供热厂烟囱等正常高温目标以外,更多的高温目标在人们日常生活存在隐患,如土法炼焦对环境造成污染,林火、其他火灾、火山喷发等会造成巨大的经济损失、甚至会造成不可挽回的人员伤亡,因此及时的发现火情,阻止损失的发生是非常有必要的。通过遥感手段对高温目标进行识别、精准定位并计算其温度,可以实时动态的监测一些高温灾害的发生,节省了很多人力物力。利用遥感技术监测高温目标亦有利于快速的做出决策,找出可行的解决方案。文中利用短波红外进行温度反演是采用物理建模的方式达成的,这种方式的模型虽较统计模型难很多,但是有更好的扩展性且规避了统计模型所特有的局限性。遵循遥感系统的物理规律,建立因果关系来抽象现实可以建立一个较为逼真的模型。而对模型的后续验证也是本文的重点研究内容。从野外的卫星过境同步试验到排除很多限制可以多次重复进行的室内模拟实验,都是高温目标短波红外温度反演模型验证的重要环节。文中没有采用人们常用的地表温度反演的经典波段热红外波段(TIRS,8~14μm)进行温度反演,而是采用对高温目标更为敏感的短波红外波段(SWIR,1.3~2.5μm)对高温目标进行识别反演。热红外温度反演获取的是含有高温目标整个像元的温度(大多数情况高温目标未能充满整个像元),而短波红外反演获取的是高温目标本身的温度。通常能够获取的遥感数据在短波红外波段空间分辨率多优于热红外波段,且短波红外波段较热红外波段更不容易达到饱和,即在更大范围内(阈值更广)可以得到更为准确的结果。根据黑体辐射定律,随着温度的升高,黑体辐射能量的峰值波长向短波红外方向移动。因此,短波红外波段对于高温目标(尤其是小目标高温物体)的识别、反演较热红外波段具有更为显著的优势。对高温目标进行温度反演,需要先识别出高温像元。对于高温目标的认识方面:首先,统计量上高温目标是异于多数常温背景地物少数的异常点。其次,波谱特性上高温目标的波谱特征也显著区别于常温背景地物。从而从视觉上,其在遥感影像上颜色、色调也可与周围常温地物类别显著区分。为了更好的了解高温目标的特性,有效的从大量常温背景像元中识别提取出少数的高温像元,对不同的地物类型进行了大量波谱特征研究。文中分别阐述了两种途径获取各类地物的光谱,一类是对各类地物的实测光谱,一类是通过遥感影像上感兴趣区的选取获取的影像光谱。文中主要介绍了火点(高温目标)指数构建法和其他识别方法两大类。火点指数构建法有归一化火点指数法(NDFI)、方差分析法(可分性度量)、因子分析法、对应分析法。其他方法有马氏距离多元截尾法、马氏距离多类判别法和Fisher两类判别。文中选取了不同类型的高温目标进行研究,面积从小到大依次是海上油井火炬、土法炼焦、油罐爆炸、林火及火山喷发。文中重点对三部分内容进行了阐述,分别为高温目标的识别研究、高温目标短波红外温度反演模型以及模型的野外及室内验证实验研究和温度反演研究。主要研究成果如下:1.文中分别采用因子分析法、对应分析法、马氏距离多元截尾法、马氏距离多类判别法分别对典型小目标(土法炼焦)和典型大目标(林火)进行了识别研究。前两种识别方法主要基于的是高温目标与其它各类地物的光谱特征的差异进行研究的,后两种识别方法主要基于的是高温目标与其它各类地物的统计特征的差异进行的研究。通过大量对各类地物光谱及数值统计特征的收集整理总结研究,利用遥感技术对各类高温目标进行识别提取研究。马氏距离多元截尾法、马氏距离多类判别法、因子分析法和对应分析法用于高温目标识别,识别精度分别为82%、79%、85%和92%,能够将高温目标有效的识别出来。2.对于高温目标这个特殊地物类型的研究来说,短波红外较热红外具有更高的敏感性,且在饱和度上短波红外具有更广泛的容限值,因此利用短波红外进行高温目标研究是可行的。短波红外高温目标模型中涉及到高温目标的发射、常温地物的反射、大气透过率、高温目标所占像元的面积百分比以及高温目标的温度几个关键参数。其中,高温目标的发射、常温地物的反射、大气透过率这几个关键参数的估算也是研究的重点内容,它们的精度直接关系到短波红外高温目标温度反演结果的准确性。当高温目标很小时,常温背景反射率对温度反演结果影响最大;当高温目标占像元50%左右,大气透过率对温度反演结果影响最大;当高温目标面积几乎充满整个像元时(S≈1),发射率对温度反演结果影响最大。高温目标短波红外模型的研究能够快速有效的获取高温信息,它的研究能够对灾害的解决方案提供理论参考。3.通过林火、火山、油井火炬、土法炼焦、油罐爆炸引发的火灾等实际例子对典型高温目标温度反演,结果表明,短波红外温度反演结果与实际温度(500K±)相吻合。而热红外温度反演结果与背景较为相近,易混淆。短波红外与热红外结果对比,更证明了短波红外对高温目标精确定位。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP722.5

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本文编号：1276528