针对当前遥感发展的现状和趋势，本书结合中国的特点，系统阐述了热红外遥感基础以及热红外信息探测、信息模型、定量反演和应用等方面的发展状况、学科前沿问题、发展趋势和应用成果，包括热红外遥感在我国的攀登计划和重大基础研究计划（G2000077900）中以及其他方面取得的最新重要进展和重要成果。 　　全书共12章，其中第1至6章为热红外遥感基础、仪器、模型和信息定量反演的理论和方法；第7至12章为热红外遥感的应用，分别总结了热红外遥感在地表净辐射的遥感估算，农田蒸散的定量遥感监测，土壤水分与旱情的遥感监测，城市热环境遥感监测，森林火灾的遥感监测，以及其他领域中的应用。

第2版前言 　　 　　自《热红外遥感》一书出版以来，热红外遥感无论在技术、理论方法和应用等方面都得到了进一步发展。例如，热红外遥感技术在探测器件的灵敏度、信噪比和分辨率等方面都有了进一步提升，热红外遥感系统不仅能探测地表宽波段信息，而且人们开发了高光谱热红外遥感仪器，其反演地表温度、大气参数、温室气体等的能力得到进一步提高。热红外遥感研究的主要目的，是精确地获取地表(包括植被、土壤、岩石和水体等的表面)温度。理论反演—地表温度和比辐射率的分离方法，大气与地表参数一体化反演等也有了新的进展。多角度、多光谱和热红外遥感的结合，为热红外遥感反演地表温度提供了更好的信息源。利用多角度遥感可以明显增加地物三度空间的信息量,可以改善大气辐射纠正的能力。热红外遥感应用得到进一步拓展，已经在地表温度反演、城市热岛效应监测、林火监测、旱灾监测、探矿、探地热和岩溶区探水等领域都有很广泛的应用。近年来针对全球变化和气候变暖研究，热红外遥感也发挥了重要作用，特别是在地表能量平衡、温室气体反演和监测等方面得到进一步应用。利用主动热红外辐射源——热红外激光雷达是推动热红外遥感发展的新思路, 热红外激光雷达的开发和更广泛应用，将使热红外遥感在空间分辨率和信息源的信息量方面得到突破性的发展,人们探测地物结构方面的能力也将大幅度提高。 　　承蒙广大读者的厚爱，《热红外遥感》第1版已经售完；应读者的要求，经与出版社协商，决定在原书的基础上进行再版。第2版由原来的9章扩展为12章，新增了第4章“热红外遥感计算机模拟模型”、第6章“热红外高光谱遥感反演”和第7章“地表净辐射遥感估算”3章，并对原有章节进行了修改和补充。其中，第1章“热红外遥感基础”增加了“热红外遥感研究前沿综述”一节；第2章“热红外遥感信息探测”将2.1.3节改为“热红外遥感系统的成像特性和观测试验方法”，除保留FOV效应外增加了热红外遥感系统的成像特性；第3章“热红外遥感信息模型”内容较多，将热红外计算机模拟模型部分调整到第4章；第4章“热红外遥感计算机模拟模型”重点论述了热红外辐射传输计算机模拟模型，包括植被冠层组分温度分布计算机模拟模型、植被冠层热红外辐射方向性计算机模拟模型和植被冠层热红外辐射方向性计算机模拟系统；第5章“地表温度和发射率的遥感反演”，将红外高光谱数据的反演方法调整到第6章，删除了“遥感综合反演”一节，将其中一些有用的内容简化后补充到“组分温度反演”一节中，另外对单通道温度反演方法做了一些扩充。第6章“热红外高光谱遥感反演”包括温室气体的热红外高光谱遥感反演、热红外高光谱数据的温度和发射率分离、基于星载热红外高光谱数据的大气地表参数一体化反演。第7章“地表净辐射遥感估算”包括地表净辐射遥感估算原理、短波净辐射遥感估算、长波净辐射遥感估算等。第8章“农田蒸散遥感定量监测”，改写了遥感估算蒸散方法和验证的部分内容，突出了蒸散遥感的空间尺度和时间尺度扩展方法，并独立成为两节。第9章“土壤水分与旱情遥感监测”，在土壤水分与旱情的遥感监测模型中新增加了植被健康指数模型，在旱情遥感监测系统设计与实验中增加了中国旱情的健康指数法监测系统。第10章“城市热环境遥感监测”，增加了城市热环境模型和方法研究的一些内容，补充了热红外定量遥感地面主要参数的反演算法的内容。第11章“森林火灾遥感监测”，补充了一些具有现势性的数据和内容，增加了遥感监测的实例。第12章“热红外遥感在其他领域中的应用”，增加了热红外遥感军事应用的部分内容，特别是增加了“秸秆焚烧热红外监测应用”和“热红外地震前温度异常研究”这两节新的内容。 　　本书为作者所在团队集体的成果，参加第2版修改和撰写的人员有：第1章柳钦火，第2章杜永明，第3章陈良富，第4章柳钦火、张阳、黄华国，第5章刘强，第6章田国良、陈良富、肖青、杜永明、何茜、张莹，第7章柳钦火、张海龙、余珊珊，第8章辛晓洲，第9章田国良，第10章历华，第11章覃先林，第12章田国良、肖青、陈良富、张元生、贺宝华、魏从信。 　　本书的编写得到电子工业出版社及相关编辑的大力支持和协助，在此表示衷心的感谢。由于本书是研究团队集体成果的总结，对于参与这些项目和本书编写工作的人员的付出和贡献表示深深的谢意。 　　由于本书涉及内容广泛，著者水平有限，疏漏和不足之处敬请批评指正。 　　 　　 著 者 　　 2013年8月于北京 　　 　　 　　 第1版前言 　　人类的发展经历了三个阶段：第一个阶段是人类通过制造工具，扩展体力活动的能力；第二个阶段通过提高判断能力，寻求更清晰和更广泛的理解与判断事物的标准；而人类近年来致力于增强获得输入信息的能力，扩大感觉范围或增添新的感官，使我们的大脑能接收到更多的信息，正是人类发展的第三阶段。在这个阶段中，对地观测系统的发展，为人类在宇宙空间探测地球提供了强有力的技术和手段，包括红外技术在内的计量、探测技术的发展已经把人类的感官由5种增加到6种。这些高新技术已经成为新的产业和投资热点，创造了巨大的财富和无法预计的社会效益。其中以卫星定位和红外热成像两项技术最为突出。 　　自然界中一切物体只要其温度大于绝对零度，都可以辐射红外线，因此利用探测仪器测定目标的本身和背景之间的红外辐射可以得到不同的红外图像——目标表面温度分布图像。红外热成像技术使人眼不能直接看到的目标表面热辐射分布，变成人眼可以看到的代表目标表面热辐射分布的热图像。热红外线（或称热辐射）是自然界中存在最为广泛的辐射。热辐射可以使人们在完全无光的夜晚，清晰地观察到地表的情况。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行全天时无接触温度测量和热状态分析，为资源探测和环境监测等方面提供一个重要的检测技术手段。 　　自20世纪70年代以来，红外探测技术得到了飞速发展，对地观测卫星不仅可以利用仪器探测地表的可见光和近红外信息，而且可以获得地球表面的热红外信息，扩大了人类获取信息的能力，热红外遥感得到了迅速的发展。例如，在80年代初美国专门发射了热容量探测卫星，之后各国在气象卫星上都装载了热红外遥感仪器。随着热红外遥感应用的扩大，热红外遥感的空间分辨率从几十千米，到5 km、1 km，再到120 m和60 m，而探测波段也从1个发展为5个（ASTER）。航空热红外遥感仪器无论在空间分辨率、探测波段和探测能力等方面都比卫星发展得更加迅速。这些为热红外遥感应用提供了丰富的信息。 　　我国科学家早在20世纪70年代就研制成功航空热红外成像仪，气象卫星风云系列、海洋卫星和资源卫星系列等都装载了我国自行研制的热红外遥感仪器，在遥感应用中发挥了重要作用。他们围绕着热红外遥感机理和模型、数据的处理与分析、地表参数的定量反演及热红外遥感应用等方面开展了大量研究，取得了一批十分有价值的成果，形成了精干的热红外遥感研究队伍。 　　包括热红外遥感在内的遥感技术已经成为当今世界各国展现科技实力、促进社会经济发展、进行国力竞争、维护国家安全的重要领域，国家在农业与粮食安全、土地资源、水资源与矿产资源调查、生态与环境安全、灾害监测和国防安全等方面对遥感的战略需求越来越迫切。为了更好地推动热红外遥感的研究和应用，以及数字中国的建设，我们重点总结了国家攀登预选项目“地球表面能量交换的定量遥感”、国家重点基础研究项目（973）“地球表面时空多变要素的定量遥感理论与应用（G2000077900）”、多个国家自然科学基金项目（40371087、40371088）、国家“八五”和”九五”科技攻关项目以及国家高技术项目（863）等的研究成果，汇集成本书。 　　本书由田国良提出撰写大纲，并完成全书的修改定稿，各章主要编写人员如下：前言，田国良；第1章，柳钦火；第2章，余涛、张勇；第3章，陈良富、李小文、徐希孺等；第4章，刘强、柳钦火；第5章，辛晓洲、田国良；第6章，田国良、辛景峰、冯强；第7章，叶庆华、余涛、田国良；第8章，易浩若、覃先林；第9章，肖青。 　　本书的编写得到《数字中国丛书》编委会的指导和大力支持，并得到了李小文院士、徐希孺教授和顾兴发研究员等的热心指导，以及范闻捷副教授的帮助，在此表示衷心感谢。本书是著者所在研究团队集体完成的成果总结和提炼，对于参加研究的所有科研人员的辛勤劳动表示深深的谢意。 　　本书的内容涉及一些前沿问题，正在探索中，反映了我们最近的研究进展和想法。由于水平有限，错误在所难免，敬请读者批评指正。 　　 　　 著 者 　　 2005年10月

目 录 第1章 热红外遥感基础 1 1.1 热辐射的基本概念与定律 1 1.1.1 表征辐射特性的基本概念 1 1.1.2 热辐射的基本定律 3 1.2 物体的热红外辐射特性 6 1.2.1 太阳热红外辐射特性 6 1.2.2 地表热红外辐射特性 7 1.3 大气热红外辐射传输方程 11 1.3.1 大气成分及其分布 11 1.3.2 大气的吸收、散射与辐射特性 12 1.3.3 大气辐射传输方程 14 1.3.4 热红外辐射在大气中的传输 15 1.3.5 遥感传感器宽通道的热红外辐射传输方程 18 1.3.6 热红外辐射大气传输计算软件 20 1.4 热红外遥感研究前沿综述 22 1.4.1 热红外遥感载荷发展简介 22 1.4.2 热红外遥感辐射传输模型研究前沿 26 1.4.3 热红外遥感反演研究进展 28 1.4.4 热红外遥感应用领域展望 29 参考文献 30 第2章 热红外遥感信息探测 32 2.1 热红外遥感系统 32 2.1.1 热红外遥感系统发展 32 2.1.2 热红外探测平台 33 2.1.3 热红外遥感系统的成像特性和观测试验方法 36 2.1.4 热红外辐射方向特性4种野外测量方法比较 43 2.2 热红外设备定标 44 2.2.1 发射前的实验室定标 44 2.2.2 星上黑体定标 48 2.2.3 在轨场地绝对辐射定标 52 2.2.4 交叉定标 61 2.2.5 小结 62 2.3 热红外图像预处理 62 2.3.1 几何校正 62 2.3.2 相对辐射校正 65 2.3.3 热红外遥感数据大气校正 68 参考文献 72 第3章 热红外遥感信息模型 75 3.1 热红外遥感信息模型概况 75 3.1.1 遥感信息模型与热红外遥感信息模型 75 3.1.2 热红外遥感信息模型的发展和认识过程 75 3.1.3 热红外遥感信息模型的影响因素与模型类型 78 3.2 比辐射率和温度的概念与一般模型 78 3.2.1 有关温度的基本概念 78 3.2.2 同温均质表面比辐射率及其方向性 80 3.2.3 非同温非均质表面的等效温度与比辐射率 82 3.3 组分有效比辐射率及其矩阵表达 84 3.3.1 二维平面像元组分有效比辐射率 84 3.3.2 三维非同温混合像元组分有效比辐射率 85 3.3.3 组分有效比辐射率的矩阵表达 87 3.4 考虑温差的发射率的定义及普朗克定律尺度效应 90 3.4.1 平面混合像元温差导致的发射率视在增量 90 3.4.2 三维结构像元多次散射导致的发射率视在增量 90 3.5 普朗克定律的尺度效应和地表热辐射公式的尺度校正 91 3.5.1 非同温黑体平面上普朗克定律的尺度效应 91 3.5.2 非同温黑体表面有效发射率大于1的物理意义 94 3.5.3 三维结构非同温黑体表面普朗克定律的尺度效应 95 3.5.4 真实地表热辐射公式的尺度校正 96 3.6 连续植被热辐射模型 98 3.6.1 连续植被热辐射参数与概念 98 3.6.2 连续植被冠层无散射模型 104 3.6.3 连续植被冠层一次散射热辐射模型 105 3.6.4 作物冠层的热红外辐射传输模型的通量模型 107 3.7 行结构热红外遥感信息模型 113 3.7.1 行结构模型特点与简介 113 3.7.2 行结构箱型模型 114 3.7.3 行结构孔隙率模型 115 3.7.4 行结构亮温模型 122 3.8 热红外计算机模拟统计模型 136 3.8.1 蒙特卡罗模拟方法简介 137 3.8.2 植被冠层热辐射的蒙特卡罗模拟计算 139 3.8.3 连续植被热辐射的蒙特卡罗模拟结果与验证[3] 143 参考文献 148 第4章 热红外遥感计算机模拟模型 155 4.1 热红外辐射传输计算机模拟模型概述 155 4.1.1 地表温热红外辐射方向性计算机模拟的意义 155 4.1.2 热辐射方向性模型研究现状 157 4.1.3 植被冠层组分温度分布模拟研究现状 158 4.2 地表真实场景计算机模拟 160 4.3 植被冠层组分温度分布计算机模拟模型 161 4.3.1 ECUPID模型参数化方案 161 4.3.2 ECUPID模型敏感性分析 162 4.3.3 ECUPID模型的模拟验证 162 4.4 植被冠层热红外辐射方向性计算机模拟模型 166 4.4.1 TRGM模型构建 166 4.4.2 TRGM模型参数化方案 168 4.4.3 TRGM模型软件开发 169 4.4.4 TRGM模型敏感性分析 170 4.4.5 热红外辐射方向性模型的比较和验证 176 4.5 植被冠层热红外辐射方向性计算机模拟系统及应用 181 4.5.1 模拟系统介绍 181 4.5.2 模拟系统敏感性分析 182 4.5.3 作物冠层内部温度时空分布特征的模拟与分析 187 4.5.4 典型农作物冠层方向亮温的模拟与分析 191 参考文献 196 第5章 地表温度遥感反演 200 5.1 地表温度遥感反演的基本理论 200 5.1.1 地表参数遥感反演方法概述 200 5.1.2 地表温度反演的基本问题 203 5.1.3 地表温度遥感定量反演的发展 205 5.2 地表温度发射率分离算法 208 5.2.1 温度发射率分离的典型算法 208 5.2.2 温度发射率分离方法在遥感图像数据中的应用 213 5.2.3 估算地表发射率的其他方法 214 5.3 像元平均温度的遥感反演 215 5.3.1 单通道法 215 5.3.2 多通道法（劈窗算法） 217 5.3.3 多时相法 223 5.4 组分温度的遥感反演 232 5.4.1 组分温度反演的意义和所依赖的条件 232 5.4.2 多角度基于大气校正产品的组分温度反演 233 5.4.3 多角度与劈窗算法结合的组分温度反演 239 5.4.4 其他组分温度反演算法的可能性分析 240 5.4.5 组分温度遥感反演的信息分析 243 5.5 地表温度和发射率反演的前沿问题与展望 245 参考文献 245 第6章 热红外高光谱遥感反演 250 6.1 温室气体二氧化碳和甲烷的热红外高光谱遥感反演 250 6.1.1 基于热红外高光谱数据的CO2浓度反演 251 6.1.2 甲烷的热红外高光谱遥感反演 258 6.1.3 反演实验和验证 260 6.2 热红外高光谱数据的温度和发射率分离 264 6.2.1 原理与方法 264 6.2.2 基于迭代的温度与发射率分离 265 6.2.3 发射率测量 268 6.3 基于星载热红外高光谱数据的大气地表参数一体化反演 276 6.3.1 原理与方法 276 6.3.2 大气窗口的选择 278 6.3.3 基于星载高光谱数据的一体化反演方法 279 参考文献 284 第7章 地表净辐射遥感估算 288 7.1 地表净辐射遥感估算概述 288 7.1.1 地表净辐射概念 288 7.1.2 地表净辐射Rn遥感估算原理 289 7.1.3 研究现状与发展趋势 291 7.1.4 Rn估算的不确定性分析 293 7.2 短波净辐射遥感估算 294 7.2.1 直接估算法 294 7.2.2 下行短波辐射遥感估算 295 7.2.3 地表反照率反演 298 7.2.4 短波净辐射遥感估算不确定性分析 304 7.3 长波净辐射遥感估算 305 7.3.1 长波辐射遥感估算原理 305 7.3.2 大气下行长波辐射遥感估算模型 307 7.3.3 上行长波辐射遥感估算模型 312 7.3.4 长波辐射遥感估算的不确定性分析 313 7.4 实例分析 315 7.4.1 下行短波辐射估算 315 7.4.2 反照率反演 317 7.4.3 长波辐射估算 319 参考文献 321 第8章 农田蒸散遥感定量监测 327 8.1 概述 327 8.1.1 自然界的蒸发与蒸散 327 8.1.2 蒸发测量与遥感蒸散估算的意义 328 8.1.3 相关的基本概念 330 8.2 农田蒸散遥感信息模型 333 8.2.1 单层模型 333 8.2.2 双层模型 337 8.2.3 其他模型 341 8.3 遥感定量估算农田蒸散的方法 343 8.3.1 基本流程 343 8.3.2 遥感参数反演和数据准备 345 8.3.3 有效能量的计算 345 8.3.4 阻抗的计算 346 8.4 蒸散遥感的空间尺度问题 349 8.4.1 蒸散遥感的空间尺度效应分析 349 8.4.2 蒸散估算的空间尺度误差纠正方法 356 8.5 蒸散遥感的时间尺度扩展方法 361 8.5.1 由瞬时到日蒸散的计算方法 361 8.5.2 陆面数据同化的方法 364 8.6 验证及不确定性分析 365 8.6.1 验证 365 8.6.2 不确定性分析 367 参考文献 370 第9章 土壤水分与旱情遥感监测 378 9.1 旱情概述 378 9.2 干旱概念、指标与特征 379 9.2.1 干旱概念 379 9.2.2 干旱指标 380 9.2.3 干旱特征 382 9.3 旱情分布特征与旱情遥感监测概述 383 9.4 遥感与旱情监测 385 9.4.1 遥感与土壤湿度监测 385 9.4.2 遥感光谱波段与旱情监测 386 9.5 植被指数/地表温度与土壤湿度 388 9.5.1 地表温度与植被指数 388 9.5.2 LST/NDVI斜率与土壤湿度 389 9.5.3 地表温度与植被指数特征空间 389 9.5.4 温度植被干旱指数 391 9.5.5 地表温度植被指数特征空间模型 391 9.5.6 影响植被指数和地表温度关系的因素 394 9.5.7 空间土壤湿度概念 397 9.6 土壤水分与旱情的遥感监测模型和方法 397 9.6.1 热惯量模型 397 9.6.2 基于能量平衡的土壤水分遥感监测模型 402 9.6.3 基于水量平衡的土壤水分遥感监测模型 404 9.6.4 作物缺水指数模型 405 9.6.5 其他方法和模型 405 9.7 旱情遥感监测系统设计与实验 409 9.7.1 黄淮海平原地区旱情遥感监测系统 409 9.7.2 中国旱情的VCI法监测系统 410 9.7.3 中国旱情的Ts/NDVI法监测系统 418 9.7.4 中国旱情的健康指数法监测系统 419 9.8 干旱监测与制图 423 9.8.1 旱情监测与制图示例 423 9.8.2 精度检验与评价 428 参考文献 435 第10章 城市热环境遥感监测 441 10.1 城市环境系统概述 441 10.2 城市热环境特征 443 10.2.1 基本概念 443 10.2.2 城市环境热场的形成原因 445 10.2.3 城市热环境特征 446 10.3 城市热环境遥感监测 448 10.3.1 热红外遥感监测主要研究内容 448 10.3.2 城市热环境监测现状与发展趋势 448 10.3.3 城市热环境模型和方法研究 451 10.3.4 城市热环境主要参数测量和计算方法 458 10.3.5 城市热景观遥感监测 464 10.3.6 城市热岛遥感监测 467 10.3.7 城市热污染（热异常）监测 469 10.4 城市人居热环境评价 469 10.4.1 城市人居环境评价意义 469 10.4.2 城市人居热环境评价原则与步骤 470 10.4.3 城市人居热环境评价指标 471 10.4.4 城市热环境景观评价体系 471 参考文献 472 第11章 森林火灾遥感监测 478 11.1 森林火灾的基本特征 478 11.1.1 森林及其燃烧 478 11.1.2 中国森林火灾的规律 479 11.1.3 中国森林防火监测体系 482 11.2 林火监测方法 486 11.2.1 图像信息增强处理 487 11.2.2 阈值法 488 11.2.3 Lee和Tag技术 488 11.2.4 应用NDVI值监测火灾 489 11.2.5 MODIS火点识别算法 489 11.2.6 基于人工神经元网络的林火监测方法 493 11.2.7 专家系统方法 496 11.3 系统验证 508 11.4 森林火灾预警 511 11.4.1 森林火险预报研究概况 511 11.4.2 森林火险预报研究方法 512 11.4.3 森林火险预报发展趋势 513 11.4.4 全国森林火险预报系统的研究 514 11.4.5 全国森林火险预报系统的运行 516 参考文献 519 第12章 热红外遥感在其他领域中的应用 521 12.1 热红外遥感在地质领域的应用 521 12.1.1 热红外温度地质填图 521 12.1.2 水资源勘查 524 12.1.3 热惯量地质填图 525 12.1.4 热红外光谱地质填图 525 12.1.5 热红外用于星际探测 528 12.2 红外遥感在军事方面的应用 528 12.2.1 红外侦察 529 12.2.2 红外夜视 531 12.2.3 红外制导 534 12.2.4 红外隐身和红外预警 538 12.3 秸秆焚烧热红外监测应用 541 12.3.1 秸秆焚烧监测的意义 541 12.3.2 秸秆焚烧像元亮温的模拟 542 12.3.3 秸秆焚烧火点监测算法 543 12.3.4 秸秆焚烧监测结果与验证 545 12.4 震前热红外温度异常研究 547 12.4.1 震前热异常现象 547 12.4.2 震前热异常信息提取 549 12.4.3 应用实例和前景 553 参考文献 562