北京师范大学学报(自然科学版)2007一06JournalofBeiji眼NoramlUniversity(Naturalsciecne)43(3)热红外比辐射率光谱野外测量方法的对比研究‘沈 斌阎广建冯雪王锦地(北京师范大学地理学与遥感科学学院,遥感科学国家重点实验室,环境遥感与数字城市北京市重点实验室,10O875,北京)摘要 比辐射率是热红外地表真实温度反演,能量平衡等研究的关键参数.本文主要探讨使用傅里叶变换红外光谱仪进行地物的比辐射率测量方法,引人几种常见温度与比辐射射率分离(TES,tmepeartru-elmesMtysepartaino)算法计算地物比辐射射率波谱,并进行了对比评价,最后对输人参数的影响进行了分析.通过对比发现:基于平滑度算法不仅精度较高,而且条件少,算法易于实现.对输人参数的分析可知,比辐射率计算结果对地物表面温度的估测精度要求较高.关键词 比辐射率;TES算法;Fr1R光谱仪 热红外遥感传感器获取的是物体热辐射通量,它得到的结果与标准石英曲线具有很好的一致性.文章最同时取决于目标的温度和材料的比辐射率,因此比辐后对该算法输人参数进行了简单的敏感性分析.射率成为反演地表真实温度研究中必不可少的参数.鉴于比辐射率的重要性,人们需要测量和积累不同材1测量原理料和地物的比辐射率数据. 由辐射传输理论可知,假定地表为朗伯表面,大气近几十年来, 无论是室内还是野外,人们都在努力下行热辐射各向同性,卫星所接收到的热辐射可以简探索各种测量方法.但实验室测量的比辐射率数据往化表示为:往不能满足实际遥感应用的需求,因为比辐射率不仅L,( 劝=LB(Ts,劝。以)几(劝+L才(劝+取决于该地物的材料特性,同时还取决于地物的物理(1一£( 久))L二(久)TO以),(1)状态、表面粗糙度、表面温度以及周围环境等等[jl.这式中L,(劝为传感器接受到的光谱辐亮度;LB(Ts,劝要求在尽量不改变自然和生态环境的情况下,在野外为真实温度为Ts的黑体的辐亮度;。(劝是比辐射率;实现快速获取植被、土壤、岩石等地物比辐射率数据.几(劝为透过率;L才(久)、LDRw以)分别是大气上行和下目前国内这方面研究已有一定进展, 张仁华等[]z行辐射.利用FTIR光谱仪在测量地物时探测器距离提出黑体筒法,由于测量波段范围较宽,得到的比辐射地面高度在lm左右,MODTRAN模拟结果表明在率仅是宽波段范围的平均值.肖青等阁利用BOMEN8一14拜m波段内,该距离下大气的上行辐射L才(劝小傅里叶变换红外光谱仪测量土壤,得到了土壤高光谱于探测器接收的总辐射能量的0.5%,大气透过率(光谱分辨率可以达到Icm一‘)比辐射率曲线,但该仪几(劝近乎为1,可以考虑忽略这2项川,于是公式可以器自身体积过于庞大,野外携带非常不便.本文主要讨进一步简化为:论便携式傅里叶变换红外光谱仪(FTIR,FourierL,( 几)=LB(Ts挤)£(久)+(1一£(久))L,(久),(2)transforminfraredspectrometer)测量比辐射率的相其中Ls(劝由仪器测量目标物得到;下行辐射LDRw(劝关算法.D邑P(Designs&Prototypes)公司生产的采用低比辐射率的金板(或铝板)测量.如果金板自身Mode-l102F型便携式FTIR光谱仪具有杂散辐射少、温度几高出环境温度,则测量的下行辐射L益JwR(劝将可研究的光谱范围宽、分辨率高、波数精确等优点,已超出实际的大气下行辐射LDRw以),需要从测量值中成为野外采集光谱数据的主要设备.本文首先简单介将金板自身辐射剔除绍了该仪器的测量原理,随后以标准石英为例,着重讨了‘nv、论如何从样品辐亮度信息中通过温度和比辐射率分离LnRw(久)=L赢以)一兔(劝LB(几,劝[1一气(入)]、口.产算法(TES)得到真实比辐射率曲线.对比了几种常用式中几为金板测量温度;。G以)为金板比辐射率,甘一向月日的TES算法的结果,通过与仪器自带的标准石英光谱常在0.03一0.05之间.比辐射率曲线对比发现,选择基于平滑度的TES算法FTIR光谱仪通过双温黑体法消除仪器响应和自,国家自然科学基金资助项目(4o471095);长江学者和创新团队发展计划和科技部国际科技合作重点资助项目(2。。4DFA06300)收稿日期:2007一02一10第3期沈斌等:热红外比辐射率光谱野外测量方法的对比研究身噪声,获得样品测量值并利用金板获取大气下行辐射,由公式(2)就可以导出地物光谱比辐射率Ls(久)一L,(久)£5(入)二LB(Ts,幻一LDR(w劝’(4) 内,大气的下行辐射线由于众多辐射吸收线(H20、CO:)的存在变得很不规则.地表的热辐射虽然包含了地表反射的大气下行辐射,但其光谱分布总体上比大气的下行辐射要平滑的多.Inrgam等[]的IssTEs算法计算平滑度的公式如下:2・温度与比辐射率分离(TES)算法,因为 到这里并不算完成对地物比辐射率的计算实际测量中我们不太可能得到目标真实温度,公式(4)中存在2个未知数。5(幻和Ts,解不唯一,而且不论增加多少通道,总是有对应通道数的光谱比辐射率。,(劝和1个目标真实温度Ts,形成欠定方程组问题.几十年来,国内外研究者通过各种假设在方程组里加人独。(。)一习(。。一卑1十民十e叶1、—j。j (6)-.LDwR—Ls莽)、7(-』5・甲任产钾日. U石 4 立信息,提出了很多TES算法,如Watson[5〕的光谱比率算法,柳钦火等困的双温双通道法,Kahl[7e〕的参考通道算法,以及Ingram等[]的平滑度算法等等.这里s不可能对所有的TES算法做介绍,只是结合FTIR光谱仪介绍几种快速有效的TES算法,讨论算法的适用性并对比最终结果.46810121416Ka hle等川在假定已知地物比辐射率值为1或。(凡)的前提下,直接在波长凡处计算地表真实温度Tss(T幻刀卜m 图1样品辐亮度几和大气下行辐射兀.呱 首先给定一个初始地面测量温度Ts,通过在给定, ,、:L(凡)一(1一e(凡))五撇(凡)、.,、In\Cl/又A一—j州片11温度范围内不断改变目标温度Ts,e,,,由公式(6)得到七、彻j 烧/凡不同温度下石英比辐射率曲线系列,在选定波段范围 (5)式中,‘,和。:为普朗克常数,再由Ts利用公式(4)计算其他波长光谱比辐射率.Korb对该方法加以改进,提出最大光谱温度法.假定比辐射率值不随波长变化,近似于灰体,得到的“光谱温度”是关于波长的函数,取波段范围内最大温度为最优温度,在该温度下计算比辐射率曲线.FTIR光谱仪提供的黑体拟合法与这2种TES算法比较类似,这里就不再赘述.通过研究高光谱比辐射率曲线与大气吸收曲线关 内计算每条曲线的平滑度武。),武。)最小时对应的比辐射率曲线即为最优比辐射率曲线.类似于ISSTES算法,也可以在地物特征波段内采用二阶或更高阶多项式方法拟合每一条比辐射率曲线闭,对应比辐射率曲线与拟合曲线的残差平方和最小的比辐射率曲线即为最优比辐射率曲线,此时对应的温度为最优温度s,T叩t.系,inragm等[j提出了一种基于平滑度的反演迭代s算法1义汀ES(ItatreiesvPetcarnysmoo1hten1petuar-eremissivityseparation).如图1所示,在8一14拌m波段方法3结果与分析对比 利用FTIR光谱仪对标准石英进行野外测量,测量的参数设置见表1.表14种11万算法输入参数气1旧蕊01. ‘只11坟/脚12313138.55 an/拜mhIT石u/K了漏in/K备注参考通道法(REFCHAN) 只 ̄为£ ̄波长位置l212最大光谱温度法(MAXTEMP)黑体拟合法(BBFI T)平滑度算法(SM以〕TH) 图2是4种算法分别得到的标准石英比辐射率曲线,其中ISSTES算法在Siq的剩余射线特征光谱吸收带内采用公式(6)计算平滑度.与仪器自带的标准石英光谱比辐射率曲线对比发现,平滑度算法得到的结11一.10:03002903o029o2种平滑度算法参数一致果与标准石英曲线具有很好的一致性,而前3种算法曲线整体偏高.这是由于最大比辐射率hx假定为1a的缘故.由公式(4)和普朗克函数可知,如果地物的。 ̄<1,则。、、一1的假定会带来Ts,Po,的计算结果较北京师范大学学报(自然科学版)第43卷真实温度Ts偏低,从而造成曲线整体偏高.另外,参 ̄、〕n :考通道法由于“,具体波长位置估计误差,得到的曲线较另外2种算法要更高一点.多项式拟合法的结果4llJ见图3,在retstsarlhn特征波段内用二次曲线去拟合e石英比辐射率曲线系,图3中拟合曲线为实线,石英比了 王辐射率曲线系为虚线,其中有3条加粗的线也是比辐射率曲线,中间1条为最优曲线,而上下2条由于大气效应没有剔除完全,所以较中间1条要粗糙一些.由图4可以直观地得到Ts,tPo=21.2℃,2种平滑度方法得到的最优地表真实温度一致.ln : 0n,0『乃 . 07-0‘ : U 0叹甘o4 ‘ nU-,、8910ll 又/协m图2标准石英比辐射率凡曲线0‘〕.勺‘......护 声扮 ̄..r卜.0亡J,..r‘..F.rLL0lrn ̄钊 诺 04只 户 04石勺 04‘q 840 刀料m 图3二次多项式拟合曲线 大量野外测量与实验室标准地物波谱数据对比发 现:在已知8一14拌m波段内ha(劝及波段位置的情况下,4种算法均能获取准确的‘,曲线.但是,大多数野外测量地物ha往往小于1,尤其是人造地物.因此前3种算法适用性受到很大,可以考虑设置。二不为1.另外,对于。xanT波段位置确定,通过实验室测量积累地物比辐射率曲线特征是一种解决办法,但野外测量与实验室测量的环境、物质结构都发生了变化,比辐射率曲线也会发生变化.。一\圳 寒 气j0日....巨卜..、 .. .... .、. 曰... ... 曰口..川巨..卜口曰.Z11曰盛日19 202122232425/T ℃图4地物最优温度( T)相对而言, 基于平滑度算法条件就很少,不需要事先指定。、及波段范围,。不必在0一1之间,并且对样品温度的估测也没有较高要求,得到的。(幻数据相对于前3种算法也更准确.同时,也要看到基于平滑度算法不是完美的,平滑度计算或曲线拟合的波段选择是关键,往往选取的波段范围不同,得到的结果也会出现较大差异.对于土壤,一般可以选择Siq的ertstsarlhne特征光谱吸收带,其他地物可通过观察样品辐亮度曲线选择特有吸收波段来计算.对比本文提到的2种平滑度算法,nIgram算法相对于多项式拟合法计算简单,易于实现,是一种较好的算法.而多项式拟和法还需要指定多项式的拟和阶数.4输入参数影响分析 值得注意的是,在选用ISSTES算法计算地物热红外光谱。(幻的过程中,需要给定初始测量地物温度,漫反射板温度和e3个参数,参数测量误差必然影响最终结果.这里通过改变单一参量,固定其他参量的方法简单直观地讨论参数敏感性.从图5中可以看出, 在8一14拼m波段区间内,仅改变金板比辐射率。。,而固定另外2个温度参数,所带来的样品。的变化最大值出现在石英特征吸收波段内,仅为2%左右,而在非吸收波段误差最大影响不超过0.5%.金板温度几由于金板较小的气偏低的影响,对最终结果影响更小,士5℃左右的温度误差引起气值变化幅度在非吸收波段大约在0.5%左右.在51唤的吸收波段最大偏移也不超过1%,如图6所示.地物温度测量误差对最终结果影响相对于几和C而言要大的多.如图7所示,在8一14拜m波段区间内,样品温度士2℃的误差即可引起最终结果的偏移在5%左右.第3期沈斌等:热红外比辐射率光谱野外测量方法的对比研究气j气 : 】 }。0,。。3一。0,。乃41os/,。.。;,‘』、 ̄},oe05一500.司偏,o.40岁、(。之。勾v)一则一、-一/、/一入910ll 又/林m图5金板比辐射率对估算地表比辐射率的影响 2一Dr}几.22一To,2:}/几,27;IoT.32一To,27}/oT,72.一1.0910111213又/林m 图6金板温度对估算地表比辐射率的影响}兀2。一兀,22}/sT,22;!兀,42一Ts,22}/双,22;岁、(NN卜‘\。句v),-,一,、一、9 10111213 又勺川1图7地物表面温度对估算地表比辐射率的影响5结论与展望 Model一012F型FTIR光谱仪是一种便携式傅里叶变换红外光谱仪,适合在野外快速获取地物比辐射率数据.它采用双黑体法进行辐射定标,低比辐射率的漫反射板用于测量大气下行辐射,在比辐射率计算过程中,需要对温度和比辐射率进行分离,除了仪器自身已实现的黑体拟合法外,本文另外介绍了3种TES算法,并对各种算法进行了简单介绍和对比评价.结果表明:基于平滑度的ISSTES算法和多项式拟合法不仅条件少、适用性强,而且精度较高,算法易于实现.最后, 通过对输人参数的分析知道,在比辐射率测量过程中,对地物表面温度估测精度要求较高,而对漫反射板的温度和比辐射率就没有很高要求.在未来的研究中, 仪器的定标误差,金板反射率和大气下行辐射的非朗伯性,TES算法的研究和选择,仪器视场内混合像元问题,仪器响应非线性关系间题,是研究的主要方向.另外,通过改进仪器可以最大程度地减少误差,譬如尽量减少观测样品和漫反射板之间的测量时间差,加强仪器的自动化功能,用户通过编写简单程序就能让仪器自动完成一系列测量任务,并自动计算保存数据等等. 感谢张昊、穆西烩、段四波、郭新平等在野外数据测量和计算中给予的支持和帮助.6参考文献厂}I「L引赵英时.遥感应用分析原理与方法[M〕.北京:科学出版社,2003Fwen乙「|」到张仁华,田国良.常温物体比辐射率的测量〔J].科学通报,1981,5:297[3]肖青,柳钦火.热红外比辐射率光谱的野外测量方法与土壤热红外比辐射率特性研究[J〕.红外与毫米波学报,2003(5):373[4]ChrisotphCB.lterativeretrivealofsurafceemissivityandtenll〕eartureforah即erspectarlsensor[C〕//FirstJPLW(〕krshoPonReomteSensingofLandSurafceEnilssivity,JPL,May,1997:6一8厂『L二J引Kenwatso几SPectralratiomethodformeasuri鳍emissivity[J〕.ReomtesensEnviorn,1992,b42:113lesL内匕J柳钦火,徐希孺,陈家宜.遥测地表温度与比辐射率的迭代反演方法[J].遥感学报,1995,2(1):1LweFweL【了.JKahleAB,AlleyRE.Separationoftemperatureadnemittanceinreomtelysensedradiancemeasurmeents[J].Relllotese刀sEnviorn,1992,42:107〔8〕1眼rmaPM,HenryMA.灰nsitivyofiterativespectrallysomothtemperature/emiss一ivityseparatointoal即ritmhicassmuptionsandmeasurmeentnoise[J].lEEETransonGeoscienceandRemoteSens,2001,39(10):2158「9〕KeithAHorotn,Je仃reyRJohnson,PaulGLuce丫Infraredmeasurmentsofpristineanddisturbedsoils2.enviornmentaleffectSandfielddatardeuction[J].ReomteSensEnviorn,1998,64:47组(寺\召v)268尸卫L一esL一!Lles「习门11「|〕「J引}.1一.1北京师范大学学报(自然科学版)第43卷李召良.地表温度反演算法[C]//先进对地观测技术与sixmetodsfhorextracti雌relativeemissivityspectra011夕一qo应用学术研讨会材料汇编(一),1999alSisburyJW,D’AriaDMInfrard(8一14拜m)eformthealinrnfarredimages[J].ReotmeseoEnviorn,1999,69:197remotesensi飞ofsoilparticlesize[J].ReotmesensEnvion,1992,42:157r[14]Thamassc】lmtlgge,AndrewFrench.TemperatureandmiessivityseParationfommulrtisPectar1theralimnfrared陈良富,徐希孺,陆面温度反演的新进展[J〕‘国土资源遥感,1999,41(3):47LIZhaolia眼,BeckerF,StollMP,etal.Evaluationofobsevartions[J〕.ReotmesensEnvion,2002,79:r189仁15〕WatsonK.Two-temPeraturemetOdfhorrneasuringresearch.FieldmeasurementmethodsofemlscussedindetailwithFTIRspectrometer.SeveralsslVltyareditemPeratureemlsslvltyseparationalgorithmsareintroducedandcompared.ThesensitivitydataofvariousinputSSlvlty,andtemPerature)arecompared.TheresultsParameterS(sampletemperature,diffusegoldplateemlshowthatI-emlsslvltysSSTES(IterativespectrallysmoothtemPeratureeparation)algorithmhasbestem1Sslvltyandthesampletemperaturehasthegreatestinfluenceontheemissivitycalculation.sslvlty;TESalgorithms;FTIRspectrometerKeywo川5eml..1一.1niressivity[J].ReotmesensEnviorn,1992,42:117ACOMPARISONSTUDYONTHEFIELD MEASUREMENTMETHODSOF THERMALINFRAREDSPECTRALEMISSIVITYShenBinyanGuangjlaflFengXuewangjindi(S choolofGeographyandReotmesensi飞Science,StateKeyLaboratoryofRemotesensi鳍段ience,JointlyS卯nsoredbyBeiji叱NormalL1niversityandtheInstituteofRemoteSensingApplicationsofChineseAcademyofSciences;eiBji眼KeyLaboratoryofEnviomentralRemoteSensi叱andCityngitaliatzion,Beiji吃Norma1University:100875,Beiji昭,China)Enli AbstractancertantfactorinthermodynamictemperatureretrievalandenergybalsslvltylsaverylmPo