高溫目標(biāo)物理參量短波紅外遙感反演
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【摘要】：地球表面普遍存在著高溫現(xiàn)象,高溫現(xiàn)象的存在與人類社會(huì)生活息息相關(guān),它的研究對(duì)人們生存有著重要意義。高溫目標(biāo)一般為溫度達(dá)到500K以上且其溫度顯著高于周圍常溫地物的特殊地物類,除了油井火炬和發(fā)電、供熱廠煙囪等正常高溫目標(biāo)以外,更多的高溫目標(biāo)在人們?nèi)粘Ｉ畲嬖陔[患,如土法煉焦對(duì)環(huán)境造成污染,林火、其他火災(zāi)、火山噴發(fā)等會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失、甚至?xí)斐刹豢赏旎氐娜藛T傷亡,因此及時(shí)的發(fā)現(xiàn)火情,阻止損失的發(fā)生是非常有必要的。通過遙感手段對(duì)高溫目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、精準(zhǔn)定位并計(jì)算其溫度,可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測一些高溫災(zāi)害的發(fā)生,節(jié)省了很多人力物力。利用遙感技術(shù)監(jiān)測高溫目標(biāo)亦有利于快速的做出決策,找出可行的解決方案。文中利用短波紅外進(jìn)行溫度反演是采用物理建模的方式達(dá)成的,這種方式的模型雖較統(tǒng)計(jì)模型難很多,但是有更好的擴(kuò)展性且規(guī)避了統(tǒng)計(jì)模型所特有的局限性。遵循遙感系統(tǒng)的物理規(guī)律,建立因果關(guān)系來抽象現(xiàn)實(shí)可以建立一個(gè)較為逼真的模型。而對(duì)模型的后續(xù)驗(yàn)證也是本文的重點(diǎn)研究內(nèi)容。從野外的衛(wèi)星過境同步試驗(yàn)到排除很多限制可以多次重復(fù)進(jìn)行的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn),都是高溫目標(biāo)短波紅外溫度反演模型驗(yàn)證的重要環(huán)節(jié)。文中沒有采用人們常用的地表溫度反演的經(jīng)典波段熱紅外波段(TIRS,8~14μm)進(jìn)行溫度反演,而是采用對(duì)高溫目標(biāo)更為敏感的短波紅外波段(SWIR,1.3~2.5μm)對(duì)高溫目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別反演。熱紅外溫度反演獲取的是含有高溫目標(biāo)整個(gè)像元的溫度(大多數(shù)情況高溫目標(biāo)未能充滿整個(gè)像元),而短波紅外反演獲取的是高溫目標(biāo)本身的溫度。通常能夠獲取的遙感數(shù)據(jù)在短波紅外波段空間分辨率多優(yōu)于熱紅外波段,且短波紅外波段較熱紅外波段更不容易達(dá)到飽和,即在更大范圍內(nèi)(閾值更廣)可以得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果。根據(jù)黑體輻射定律,隨著溫度的升高,黑體輻射能量的峰值波長向短波紅外方向移動(dòng)。因此,短波紅外波段對(duì)于高溫目標(biāo)(尤其是小目標(biāo)高溫物體)的識(shí)別、反演較熱紅外波段具有更為顯著的優(yōu)勢。對(duì)高溫目標(biāo)進(jìn)行溫度反演,需要先識(shí)別出高溫像元。對(duì)于高溫目標(biāo)的認(rèn)識(shí)方面:首先,統(tǒng)計(jì)量上高溫目標(biāo)是異于多數(shù)常溫背景地物少數(shù)的異常點(diǎn)。其次,波譜特性上高溫目標(biāo)的波譜特征也顯著區(qū)別于常溫背景地物。從而從視覺上,其在遙感影像上顏色、色調(diào)也可與周圍常溫地物類別顯著區(qū)分。為了更好的了解高溫目標(biāo)的特性,有效的從大量常溫背景像元中識(shí)別提取出少數(shù)的高溫像元,對(duì)不同的地物類型進(jìn)行了大量波譜特征研究。文中分別闡述了兩種途徑獲取各類地物的光譜,一類是對(duì)各類地物的實(shí)測光譜,一類是通過遙感影像上感興趣區(qū)的選取獲取的影像光譜。文中主要介紹了火點(diǎn)(高溫目標(biāo))指數(shù)構(gòu)建法和其他識(shí)別方法兩大類�；瘘c(diǎn)指數(shù)構(gòu)建法有歸一化火點(diǎn)指數(shù)法(NDFI)、方差分析法(可分性度量)、因子分析法、對(duì)應(yīng)分析法。其他方法有馬氏距離多元截尾法、馬氏距離多類判別法和Fisher兩類判別。文中選取了不同類型的高溫目標(biāo)進(jìn)行研究,面積從小到大依次是海上油井火炬、土法煉焦、油罐爆炸、林火及火山噴發(fā)。文中重點(diǎn)對(duì)三部分內(nèi)容進(jìn)行了闡述,分別為高溫目標(biāo)的識(shí)別研究、高溫目標(biāo)短波紅外溫度反演模型以及模型的野外及室內(nèi)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究和溫度反演研究。主要研究成果如下:1.文中分別采用因子分析法、對(duì)應(yīng)分析法、馬氏距離多元截尾法、馬氏距離多類判別法分別對(duì)典型小目標(biāo)(土法煉焦)和典型大目標(biāo)(林火)進(jìn)行了識(shí)別研究。前兩種識(shí)別方法主要基于的是高溫目標(biāo)與其它各類地物的光譜特征的差異進(jìn)行研究的,后兩種識(shí)別方法主要基于的是高溫目標(biāo)與其它各類地物的統(tǒng)計(jì)特征的差異進(jìn)行的研究。通過大量對(duì)各類地物光譜及數(shù)值統(tǒng)計(jì)特征的收集整理總結(jié)研究,利用遙感技術(shù)對(duì)各類高溫目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別提取研究。馬氏距離多元截尾法、馬氏距離多類判別法、因子分析法和對(duì)應(yīng)分析法用于高溫目標(biāo)識(shí)別,識(shí)別精度分別為82%、79%、85%和92%,能夠?qū)⒏邷啬繕?biāo)有效的識(shí)別出來。2.對(duì)于高溫目標(biāo)這個(gè)特殊地物類型的研究來說,短波紅外較熱紅外具有更高的敏感性,且在飽和度上短波紅外具有更廣泛的容限值,因此利用短波紅外進(jìn)行高溫目標(biāo)研究是可行的。短波紅外高溫目標(biāo)模型中涉及到高溫目標(biāo)的發(fā)射、常溫地物的反射、大氣透過率、高溫目標(biāo)所占像元的面積百分比以及高溫目標(biāo)的溫度幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。其中,高溫目標(biāo)的發(fā)射、常溫地物的反射、大氣透過率這幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的估算也是研究的重點(diǎn)內(nèi)容,它們的精度直接關(guān)系到短波紅外高溫目標(biāo)溫度反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。當(dāng)高溫目標(biāo)很小時(shí),常溫背景反射率對(duì)溫度反演結(jié)果影響最大;當(dāng)高溫目標(biāo)占像元50%左右,大氣透過率對(duì)溫度反演結(jié)果影響最大;當(dāng)高溫目標(biāo)面積幾乎充滿整個(gè)像元時(shí)(S≈1),發(fā)射率對(duì)溫度反演結(jié)果影響最大。高溫目標(biāo)短波紅外模型的研究能夠快速有效的獲取高溫信息,它的研究能夠?qū)?zāi)害的解決方案提供理論參考。3.通過林火、火山、油井火炬、土法煉焦、油罐爆炸引發(fā)的火災(zāi)等實(shí)際例子對(duì)典型高溫目標(biāo)溫度反演,結(jié)果表明,短波紅外溫度反演結(jié)果與實(shí)際溫度(500K±)相吻合。而熱紅外溫度反演結(jié)果與背景較為相近,易混淆。短波紅外與熱紅外結(jié)果對(duì)比,更證明了短波紅外對(duì)高溫目標(biāo)精確定位。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP722.5
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，本文編號(hào)：1276528
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