趙艷華趙利民

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

（2 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094）

紅外多角度觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)分析

趙艷華1趙利民2

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

（2 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094）

常規(guī)單一角度熱紅外譜段觀測(cè)獲得的是像元平均溫度，無(wú)法區(qū)分像元內(nèi)不同地物的類(lèi)別信息，導(dǎo)致物理意義模糊不清，在數(shù)據(jù)應(yīng)用時(shí)無(wú)法滿(mǎn)足精細(xì)地表溫度反演的需求。紅外多角度遙感數(shù)據(jù)通過(guò)雙層能量模型、結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)可以反演混合像元的組分溫度（土壤、植被冠層等）；可利用不同輻射傳輸路徑獲得紅外大氣透過(guò)率的差異，可從圖像自身提供的信息反演所需的大氣參數(shù)，在無(wú)大氣廓線情況下有效的完成大氣校正，減少地表溫度反演過(guò)程中帶來(lái)的誤差，提高地表真實(shí)溫度的反演精度；可以獲得更為全面的異質(zhì)異構(gòu)地表的熱輻射狀態(tài)，避免由于遮擋或者不可見(jiàn)而損失的熱輻射信息。另外，紅外多角度觀測(cè)對(duì)于更為客觀認(rèn)識(shí)地表熱輻射狀態(tài)提供了可能，其在陸表生態(tài)系統(tǒng)建模、地表能量平衡研究等方面具有重要科學(xué)價(jià)值，同時(shí)也為熱輻射方向性科學(xué)探索提供了必不可少的數(shù)據(jù)支撐。紅外多角度光學(xué)遙感為熱紅外遙感數(shù)據(jù)定量反演提供了有效的手段，是一個(gè)重要的發(fā)展方向；無(wú)論是對(duì)工程應(yīng)用還是對(duì)科學(xué)研究，紅外多角度空間光學(xué)遙感器及其應(yīng)用的研究都有非常重要的意義。

紅外多角度 溫度反演 組分溫度 航天遙感

0 引言

地面目標(biāo)的空間結(jié)構(gòu)信息、波譜和溫度信息的獲取是定量遙感的主要目標(biāo)之一[1]。與單一方向遙感相比，多角度對(duì)地觀測(cè)通過(guò)對(duì)地面固定目標(biāo)多個(gè)方向的觀察，使得對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)信息更加豐富，為定量遙感提供了新的途徑[2]，多角度遙感正成為一個(gè)新的研究領(lǐng)域而受到普遍的關(guān)注。利用長(zhǎng)波紅外譜段對(duì)地遙感，可以獲取地物目標(biāo)溫度特征[3]。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)紅外遙感溫度反演精度提出了越來(lái)越高的要求，而由于大氣氣溶膠、地表結(jié)構(gòu)特征等的影響，導(dǎo)致地表信息不能有效分離、溫度反演精度不高，限制了長(zhǎng)波紅外遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用[4]。各種遙感數(shù)據(jù)用戶(hù)對(duì)地表結(jié)構(gòu)特征信息分離、大氣影響精確校正等提出了迫切的需求，強(qiáng)烈要求發(fā)展能夠?qū)崿F(xiàn)高精度溫度反演的紅外多角度遙感儀器。

紅外多角度觀測(cè)是利用多個(gè)紅外譜段從多個(gè)觀測(cè)方向?qū)Φ匚镙椛湫畔⑦M(jìn)行探測(cè)，獲取地表目標(biāo)不同視角的紅外遙感數(shù)據(jù)，能夠分辨地面景物由于結(jié)構(gòu)特征造成的輻射度差別，同時(shí)，結(jié)合大氣通道監(jiān)測(cè)，有效分離地表輻射與大氣輻射，提高地表目標(biāo)物的溫度反演準(zhǔn)確度，是提高遙感定量化水平的有效手段之一。

1 紅外多角度觀測(cè)的必要性分析

地物熱輻射具有明顯方向特性[5]。對(duì)落葉林、行播作物、裸土、建筑物等地物的實(shí)際觀測(cè)試驗(yàn)表明，由于空間異構(gòu)性、溫差等因素，其熱輻射亮度值在 2π空間中隨觀測(cè)角的變化而變化，對(duì)于城市冠層，這種熱方向性差異更為顯著。由于地表熱輻射具有很強(qiáng)的方向性，導(dǎo)致單一角度紅外遙感探測(cè)的地表溫度信息在反演精度、地表熱力狀態(tài)客觀重現(xiàn)等方面受到制約[6]。圖1展示了實(shí)際測(cè)量的典型地物在不同觀測(cè)方向上的發(fā)射率特性；圖2～4中以30°為間隔進(jìn)行觀測(cè)，以云圖形式直觀給出了各觀測(cè)角度上亮溫的分布，來(lái)展示作物冠層、小麥、城市的熱輻射方向特性。

在地方時(shí) 13:30左右，農(nóng)田蒸散活動(dòng)趨于峰值，而遙感探測(cè)一般都采用峰值信號(hào)探測(cè)[7]。另外，這一時(shí)間段的植被—土壤組分溫差也趨于最大。圖5為植被冠層葉片光照面—陰影面溫差特性以及土壤—植被溫差隨太陽(yáng)光照的變化情況。實(shí)地連續(xù)觀測(cè)結(jié)果表明，這個(gè)差異能達(dá)到4～5K甚至更高，即使對(duì)于植被，光照面和陰影面溫差也能超過(guò)1K。

單一角度觀測(cè)無(wú)法滿(mǎn)足精細(xì)地表溫度反演的需求[8]。由于多通道熱紅外遙感數(shù)據(jù)本身不具有對(duì)象的幾何結(jié)構(gòu)信息，因此，只能把混合像元視為一個(gè)整體予以處理，這樣即使反演過(guò)程的每一步都正確，反演所得的也只是所謂的混合像元的平均溫度[9]，而它的物理意義是模糊不清的。以植被冠層和土壤背景所構(gòu)成的混合像元為例，植被冠層溫度(Tv)通常有別于土壤表面溫度(Ts)，而只有Tv才對(duì)植被瞬時(shí)水分蒸騰量以及估計(jì)它對(duì)大氣二氧化碳(CO2)的消耗量有著舉足輕重的作用，像元的平均溫度對(duì)此毫無(wú)幫助。其次，熱紅外多通道數(shù)據(jù)間具有高度的相關(guān)性，以中分辨率成像光譜儀（MODIS）的四個(gè)熱紅外通道為例，通過(guò)數(shù)據(jù)模擬計(jì)算可以確定，其間的相關(guān)系數(shù)在0.194～0.199之間，在現(xiàn)有測(cè)量水平及儀器精度條件下，很難達(dá)到溫度反演精度小于1K的目的[10]。由此可見(jiàn)，研究熱紅外多角度遙感是擺脫上述困境的核心手段。

2 紅外多角度觀測(cè)優(yōu)勢(shì)分析

2.1 工程意義

開(kāi)展熱紅外多角度遙感具有以下三方面工程意義：

（1）避免由多通道信息間的高度相關(guān)給反演溫度所帶來(lái)的困難，提高地表溫度反演精度。

基于紅外多角度數(shù)據(jù)，利用不同輻射傳輸路徑紅外大氣透過(guò)率的差異（如圖6，圖中Ts為觀測(cè)角度，eps為地表溫度反演精度），可以從圖像自身提供的信息反演所需的大氣參數(shù)，在無(wú)大氣廓線情況下有效的完成大氣校正（特別適合夜間紅外觀測(cè)），減少了地表溫度反演過(guò)程中帶來(lái)的誤差，提高了地表真實(shí)溫度的反演精度。研究結(jié)果表明，對(duì)于勻質(zhì)地表，在雙通道地表溫度反演中（分裂窗技術(shù)）加入多角度信息可使地表溫度的偏差降低 0.39K（白天）或0.28K（夜間）；同時(shí)，多角度技術(shù)與僅有垂直方向探測(cè)相比，可使得反演地表溫度的精度提高2倍。這就是說(shuō)，在當(dāng)前的觀測(cè)條件下，沿軌跡掃描所能提供的有關(guān)大氣狀況的附加信息可使得從衛(wèi)星上測(cè)量到的地表溫度與實(shí)測(cè)值相比較，精度范圍提高到 0.03～0.39K之間。而且如此顯著的反演精度的改進(jìn)，僅是利用衛(wèi)星發(fā)射前所提供的算法得到的。另外，以水表為例，利用多角度信息對(duì)均勻比輻射率的角度訂正，使多個(gè)方向由衛(wèi)星上亮溫到反演得到的表面溫度偏差減少了1.45K。

對(duì)于非勻質(zhì)地表——例如低植被覆蓋度條件下的植被-土壤混合地表，多角度觀測(cè)對(duì)于反演精度的提升相對(duì)較?。懕頊囟龋↙ST）誤差降低0.2K左右），但提供了更為全面的方向輻射信息，進(jìn)而為地表土壤/植被含水量估算提供更為精確的地面溫度數(shù)據(jù)。

（2）直接反演混合像元的組分溫度（土壤、植被冠層）

反演混合像元的組分溫度為農(nóng)業(yè)蒸散發(fā)、干旱制圖、土壤/植被含水量光學(xué)估算等應(yīng)用需求提供必要的輸入。

（3）更為全面地探測(cè)異質(zhì)異構(gòu)地表的熱輻射狀態(tài)，避免由于遮擋或者不可見(jiàn)而損失的熱輻射信息（特別對(duì)于山區(qū)、城市），為熱異常探測(cè)（如山區(qū)地震斷裂帶的震前熱異常，單一角度識(shí)別準(zhǔn)確度較低）、災(zāi)損評(píng)估（受災(zāi)前后建筑物方向亮溫的變化）、熱環(huán)境評(píng)估等應(yīng)用提供真實(shí)有效信息。

2.2 科學(xué)意義

紅外多角度觀測(cè)對(duì)于更為客觀認(rèn)識(shí)地表熱輻射狀態(tài)提供了可能，其在陸表生態(tài)系統(tǒng)建模、地表能量平衡研究等方面具有重要科學(xué)價(jià)值，同時(shí)也為熱輻射方向性科學(xué)探索提供了必不可少的數(shù)據(jù)支撐。

（1）地—?dú)饽芰颗c水分交換研究

地表、植被冠層、大氣的水熱交換是大氣邊界層及陸表生態(tài)系統(tǒng)決定性過(guò)程（顯熱通量、感熱通量）[11]。在半干旱地區(qū)，植被覆蓋度較低，地表的熱交換由表層土壤和植被共同決定，這使得如何分離不同組分在地表-大氣熱對(duì)流交換中的貢獻(xiàn)成為挑戰(zhàn)。此外，地表與大氣的水、CO2交換在很大程度上決定了對(duì)流層邊界動(dòng)力學(xué)特征[12]。對(duì)于勻質(zhì)地表，核心問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為如何將凈輻射分解為感熱、顯熱以及土壤熱通量，在對(duì)待植被冠層、土壤含水量的時(shí)候，通常處理是將植被與土壤視作一種均勻混合物。事實(shí)上，地表的異質(zhì)異構(gòu)是普遍現(xiàn)象，在不同方向上對(duì)地表進(jìn)行熱輻射探測(cè)，通過(guò)遙感反演策略分離植被和土壤的組分溫度，是深入了解土壤-植被系統(tǒng)的熱輻傳輸過(guò)程的獨(dú)特手段[13]。另一方面，土壤-植被的溫差可用以直觀表征作物水分脅迫因子，或通過(guò)土壤蒸發(fā)和植被蒸騰對(duì)作物水分脅迫狀態(tài)進(jìn)行建模。最后，多角度紅外觀測(cè)也為克服地氣耦合面熱通量的參數(shù)化問(wèn)題提供解決途徑。

（2）光能利用率與碳循環(huán)研究

葉片、土壤溫度的探測(cè)對(duì)于地—?dú)馓冀粨Q規(guī)律的認(rèn)識(shí)和建模具有顯著作用[14]。植被光合作用率與很多因素相關(guān)，包括大氣中的CO2含量，葉片溫度，土壤礦物質(zhì)類(lèi)型[15]。

植被溫度：自養(yǎng)呼吸是部分由光合作用存儲(chǔ)的化學(xué)能驅(qū)動(dòng)植被生長(zhǎng)、進(jìn)化的過(guò)程。該過(guò)程對(duì)于碳循環(huán)研究至關(guān)重要，因?yàn)榻?jīng)光合作用吸收、再向大氣中排放的碳，一大部分是經(jīng)由這一過(guò)程完成的。研究自養(yǎng)呼吸的關(guān)鍵參量為植被溫度，同時(shí)也與生長(zhǎng)速率，總生物量，以及植被的生化組分等相關(guān)。

土壤溫度：異氧呼吸是有機(jī)土壤中存儲(chǔ)的碳的釋放過(guò)程。與地表生物質(zhì)相比，土壤的固碳能力非常強(qiáng)大。認(rèn)識(shí)土壤中存儲(chǔ)的碳的源頭、去向，是局地尺度碳循環(huán)研究主要關(guān)注的問(wèn)題。異氧呼吸作用與土壤溫度的相關(guān)性非常強(qiáng)，同時(shí)也與土壤水、土壤肥力（特別是氮）有關(guān)。

由于葉片光合作用和土壤呼吸作用均與溫度具有強(qiáng)相關(guān)性，因此準(zhǔn)確地探測(cè)植被和土壤的溫度有益于這些過(guò)程的認(rèn)知和建模。對(duì)于地面觀測(cè)而言，利用高分辨率的熱紅外成像儀可以直接測(cè)量區(qū)分植被、裸土溫度，對(duì)于航天遙感而言，唯一行之有效的手段，就是利用多角度紅外遙感技術(shù)，獲取不同角度的冠層亮溫，再基于一定的反演策略（如貝葉斯），從異構(gòu)地表分離出植被和土壤溫度。

（3）地表半球熱紅外輻照度用于地表能量平衡、全球變化研究

地表反照率表征對(duì)各個(gè)方向到達(dá)地表的總的太陽(yáng)短波輻射的反射能力[16]，可以藉此計(jì)算地表總的反射輻射通量[17]。對(duì)于長(zhǎng)波輻射，往往采用地表溫度與發(fā)射率的形式表征[18]。然而，對(duì)于真實(shí)地表，異質(zhì)異構(gòu)現(xiàn)象普遍存在，地表熱輻射具有明顯的方向性，只要精確統(tǒng)計(jì)半球空間的熱輻射通量，方能為地表能量平衡的認(rèn)知與建模提供準(zhǔn)確的輸入。由于同步熱紅外多角度遙感技術(shù)的缺乏，目前尚無(wú)一個(gè)參量用能準(zhǔn)確描述地表向外的半球空間輻射或輻射能力。通過(guò)紅外多角度觀測(cè)數(shù)據(jù)，定義一個(gè)類(lèi)似于短波波段反照率的參量，用以全面認(rèn)知地表的熱輻射能力和能量，是一個(gè)極具誘惑力的科學(xué)命題，對(duì)于地表能量平衡乃至全球變化研究具有重要科學(xué)意義。

（4）異質(zhì)異構(gòu)地表三維溫度場(chǎng)建模

人們利用多角度高分辨率遙感圖像提取目標(biāo)空間三維結(jié)構(gòu)信息的研究已日趨成熟[19]，其基本原理是共線方程。類(lèi)似地，紅外多角度遙感系統(tǒng)作為光學(xué)遙感的一種，理論上也可以通過(guò)共線方程結(jié)合傳感器參數(shù)模型得到二維圖像坐標(biāo)和三維空間真實(shí)坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，只不過(guò)與可見(jiàn)-近紅外遙感圖像獲得的反射率信息不同，熱紅外圖像上的紋理信息表征了地表的熱輻射強(qiáng)度[20]。利用光學(xué)遙感技術(shù)，對(duì)異質(zhì)異構(gòu)地表熱輻射強(qiáng)度在三維空間上的變化進(jìn)行重建，同樣也是一個(gè)極具創(chuàng)新性的科學(xué)探索命題。

3 紅外多角度遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用方向

紅外多角度觀測(cè)數(shù)據(jù)可有效應(yīng)用于復(fù)雜地形條件下的地表溫度的反演、海水溫度反演、植被冠層溫度與土壤溫度分離等，可在旱情遙感監(jiān)測(cè)、礦區(qū)煤火自燃監(jiān)測(cè)、核電站熱污排放監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

表1 星載紅外多角度相機(jī)對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用Tab.1 Operational applications of satellite borne multi-angle infrared camera

4 結(jié)束語(yǔ)

紅外多角度觀測(cè)從熱紅外定量遙感的需求出發(fā)，解決地物熱輻射方向性探測(cè)問(wèn)題和大氣校正問(wèn)題，為溫度反演提供了有效的數(shù)據(jù)支撐；另外紅外多角度遙感可獲取組分溫度，為農(nóng)業(yè)蒸散發(fā)、干旱制圖、土壤/植被含水量光學(xué)估算等應(yīng)用需求提供必要的輸入，提高遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用能力。紅外多角度遙感為熱紅外遙感數(shù)據(jù)定量反演提供了有效的手段，是一個(gè)重要的發(fā)展方向。

紅外多角度光學(xué)遙感載荷的研制應(yīng)該和遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究同步開(kāi)展，與數(shù)據(jù)處理、反演和應(yīng)用中遇到的問(wèn)題緊密結(jié)合，以便使紅外多角度觀測(cè)技術(shù)更好的滿(mǎn)足應(yīng)用需求。在工程研制上，紅外多角度光學(xué)遙感載荷應(yīng)重點(diǎn)突破載荷總體設(shè)計(jì)技術(shù)、大視場(chǎng)高透過(guò)率光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、低噪聲多譜段長(zhǎng)波紅外探測(cè)器研制、大視場(chǎng)高精度掃描控制系統(tǒng)研制、高精度輻射定標(biāo)技術(shù)等技術(shù)，與數(shù)據(jù)處理和反演應(yīng)用單位聯(lián)合開(kāi)展項(xiàng)目研制工作。

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Analysis of Advantages of Multi-angle Infrared Observation

ZHAO Yanhua1ZHAO Limin2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）
（2 Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China）

The feature has obvious heat radiation directional characteristics, thermal infrared spectral observations conventional single-angle is obtained pixel average temperature, can not distinguish different categories of information within a cell surface features, resulting in physical meaning obscure in data applications, unable to meet the demand for fine surface temperature inversion. Multi-angle infrared remote sensing data can be as inversion of component temperature of mixed pixel elements(soil, canopy, etc.). The use of different radiation transmission path can obtain the difference of infrared atmospheric transmittance, can provide atmospheric parameters needed for information inversion from the image itself, and can complete effectively atmospheric correction in the absence of atmospheric profiles, reducing the errors caused by surface temperature inversion process and improving the retrieval accuracy of the real temperature of the surface. A more comprehensive heterogeneous surface thermal radiation state can be got to avoid loss of heat radiation information due to invisible or occlusion. In addition, multi-angle infrared observations can get more objective understanding of the status of surface thermal radiation, which has important scientific value in terms of land surface ecosystem construction and surface energy balance studies, but and provide data support which is necessary for scientificexploration in neat radiation directivity. Multi-angle infrared optical remote sensing provides an effective means for the thermal infrared remote sensing quantitative retrieval of data, and is an important direction of development. For both scientific research and engineering applications, multi-angle infrared space optical remote sensor and its application research has very important significance.

multi-angle infrared; temperature retrieval; component temperature；space remote sensing

V474.299

: A

: 1009-8518(2017)01-0030-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.01.005

趙艷華，女，1977年生，2010年獲中國(guó)空間技術(shù)研究院飛行器設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)工學(xué)碩士學(xué)位。研究方向?yàn)楹教旃鈱W(xué)遙感器總體設(shè)計(jì)、輻射定標(biāo)技術(shù)。E-mail: zhaoyh304@sina.com。

（編輯：劉穎）

2016-02-19

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)工程