基于热红外遥感的雪山高程测定

基于热红外遥感的雪山高程测定

【摘 要】传统测量技术对于特殊地形测绘有诸多不便，采用热红外遥感测量雪山高程有多方面优势。利用雪山地物单一，反射率为常数这一特性。借助辐射功率，图像亮度值，温度，高度这四者的关系，构建图像亮度与高程的关系式。从而间接求得雪山高程。绘制出等高线图。

【关键词】热红外；TM6；辐射定律；误差

引言

由于大型雪山如珠穆朗玛峰环境恶劣。采用传统的测量方法往往难以胜任。且耗费巨大。

随着GPS的发展，可以采用它进行测量，但GPS只限于单点测量，难以进行大面积的测定。

雪山上面天气变化很大，飞机波动剧烈，危险系数大，且由于雪山上全是白茫茫的大雪，雪面的高强度反射，使得影像一片白，很难观测立体。

而采用热红外遥感，从技术角度考虑：波长7～18?m的谱段可以忽略反射部分。避免了雪地高反射的影响。且卫星处于几千公里的高空，其本身不受天气的影响；从经济角度考虑，国内一张遥感图像的价格为几千元，相对与传统测图来说成本很低。

1 热红外遥感原理

红外谱指的是频率低于可见光红谱段以外，波长在0.76～1000?m范围内，位于可见光和微波之间的区域。在这一范围内，辐射性质有很大差异，既有反射红外波段（波长0.76～3.0?m），又有发射红外波段（波长3～18?m）。后者又称“热红外”。但严格地说，“热红外”谱段内，物体也有少量的能量反射，只不过物体的辐射能量大于太阳的反射能量而已。其中，波长7～18?m的“热红外”普段内，以热辐射为主，反射部分往往可以忽略不计；而波长3～5?m的中红外，热辐射与太阳辐射的反射部分须同时考虑（处于同一数量）。

从理论上来讲，自然界任何温度高于热力学温度的物体都不断向外发射电磁波，及向外辐射具有一定能量和波谱分布位置的电磁波。其辐射能量的强度和波谱分布位置与物质的表面状态有关，它是物质内部组成和温度的函数。

2 热红外遥感波段选择

在热红外区间内，存在着3～5μm及8～14μm两个大气窗口。地表物体的温度一般在+40～-40摄氏度之间，平均环境温度为27摄氏度。根据维恩位移定

律。地面物体的辐射峰值波长在9.26～12.43μm之间，其辐射峰顶值波长在9.7μm附近。通常热红外遥感波段选择在波长8～14μm和3～5μm两个区间内。

8～14μm热红外波段的大气窗口，不仅集中了大多数地表特征的辐射峰值波长，而且在此区间内，不同物体的发射率随着物质类型的不同有较大的差异。但是，作为一个宽波段，在此区间内，对于任何特定的物质类型，它的发射率往往是不变的。也就是说，在这个宽波段范围内，物质常可以作为“灰体”对待。

这就为我们以后的工作提供了理论基础。综合上述，我们选择谱段在10.4～12.5?m的TM6。

3 特征提取

TM6是探测地表发射辐射的热红外波段，其灰度变化与地面温度和发射率有直接关系。

雪山环境特殊，其地表皆为冰雪覆盖，物体单一。故反射率为常数。因此可以利用热红外图片来提取雪山高程信息。

由于TM6光谱响应范围是

由于TM6光谱响应范围是10.4～12.5μm。故

普朗克公式是定义在单位波长上的，因此讲定积分展开为

可见wice 仅与T有关，即：Wice =f（T）

成像后图像亮度值与Wice 成函数关系，因此：Iice =f（T）

而冰面的温度是随高度增加而有规律的递减的，最终：

Iice =f（H）

I和H有关系，但不一定是线性关系，故需要根据已知的高程点，用高次拟合法求解待定系数，然后对每个图像点求其高程值。

拟合公式为：H=CiceIice

式中：i=0，1，2，.......，m为选择的最高此项数

由待定系数Cice 代入公式中，对图像每一个像元计算其高程H，最后内插出整高程处的等高线，绘制成地形图。

4 误差分析

（1）扫描图像具有不规则性，这种不规则性可以是由多种因素引起。比如：天气条件的干扰，云将降低热反差，雨将产生平行纹理，风将产生污渍或条纹图示，冷气流将引起不同形式的冷异常等；电子噪声的影响，无线电干扰将产生电子噪声带和波状云纹的干扰图式。这一切均可以使得图像出现一些“热”假象。在图像解译中，必须注意识别图像上的各种热假象，排除它的干扰。

（2）发射率的影响：不同地物的发射率不同，但由于雪山地物单一，故没有影响。

（3）反射光的影响：TM6的波段为10.4～12.5μm，此波段以热辐射为主，可以忽略太阳的反射能量。

（4）阴影的影响：雪山上无遮蔽物，阴影较少，可以忽略。

（5）时间和气候的影响：由于TM6只需26秒，在这么短的时间内待测物不会由大的变化，所以t无影响。

热红外信息，处受大气干扰外，还受地表层热状况的影响，比如风速，风向。空气温度，湿度等微气象参数，等多种因素的影响。故必须选在无风，无云的晴朗天气进行观测。

（6）地面经纬度的影响：由于雪山总体上跨度较小，随经纬度变化可以忽略不计。

（7）噪声影响：TM6的等效噪声为0.5k，故只能测100m等高距的等高线。

（8）大气效应：大气不仅是消弱辐射的介质（主指大气吸收作用），而且它本身也发射辐射，有时甚至发射辐射超过吸收部分。大气在14?m以上可看成近于黑体，地表14?m以上的红外辐射不能透过大气。但在8～14?m段吸收率小，透明度大。故可忽略其影响。

5结论

利用遥感测量雪山高程，将大大减少人力物力的消耗，为科学研究做出重要贡献。

随着遥感技术的发展，特别是遥感图像的自动识别，专题特征提取，尤其是遥感数据定量反演研究的发展，势必推动相关学科定量化的进程。它将成为精密测量的主要手段。并将进一步带动遥感和地球科学的发展。

参考文献：

[1]赵英时等.遥感应用分析原理与方法，科学出版社.2005.

[2]孙家柄，舒宁，关泽群.遥感原理方法和应用，测绘出版社.2004.

[3]孙家柄.遥感原理与应用，武汉大学出版社.2008.

[4]黄仁涛，厐小平，马晟燕.专题地图编制，武汉大学出版社.2006.