专 业： 测绘工程
班 级： 0614111
组 别： 第一组
指 导 教 师： 牛 磊
姓 名： 曹岳飞、闫佩良、马欣欣
梁威力、王君
完 成 时 间： 2013年12月1日
热红外遥感技术及其在地热资源调查中的的应用
0614111班 第一组 曹岳飞 闫佩良 马欣欣 梁威力 王君
摘 要：热红外遥感即通过热红外探测器收集地物辐射出来的人眼看不到的热红外辐射通量，经过能量转换而变成人眼能看到的图像。热红外遥感自从1962年第一台红外测温仪诞生起在军事、地热油气调查、地质填图、热制图、热惯量估算以及灾害监测、环境污染等方面有了非常广泛的应用。本文主要介绍了热红外遥感技术及其在地热资源调查中的应用。 关键词:热红外技术 地热资源调查
引言
自然界任何温度高于热力学温度（0K 或-273ºC ）的物体都不断地向外发射电磁波。热红外遥感即通过热红外探测器收集地物辐射出来的人眼看不到的热红外辐射通量，经过能量转换而变成人眼能看到的图像。热红外遥感技术的发展是为了获取地物的热状况信息，从而推断地物的特征及环境相互作用的过程，为科学和生产所应用 。
地热是地球赋予人类的廉价能源，地球就像一个庞大的地热库。
人类在面对环境污染的困扰、地球生态平衡的破坏、不可再生资源的匮乏、各国对能源需求的急速增长。这时地热资源调查就显得尤其重要。热红外遥感技术是一种快速检测地面温度的新技术，它能在瞬间或比较短的时间内获取大面积地面温度场信息，将这一新技术用来进行地热资源调查，取得了许多成功经验，同时在理论探讨方面也在逐步深化，展现出它的应用前景。
1 红外线的起源与发展
热红外遥感的发展可以从1962年第一台红外测温仪诞生算起；
1978年美国发射热惯量卫星（HCMM ），首次用卫星来观察地球表面的温度差异，这标志着热红外遥感的发展；
随后，红外技术不断发展，一系列航空航天遥感器运用了热红外波段采集地面数据，并将其应用于军事、地质填图、热制图、热惯量估算以及灾害监测、环境污染等方面;
热红外遥感的发展可以从1962年第一台红外测温仪诞生算起；
1978年美国发射热惯量卫星（HCMM ），首次用卫星来观察地球表面的温度差异，这标志着热红外遥感的发展；
随后，红外技术不断发展，一系列航空航天遥感器运用了热红外波段采集地面数据，并将其应用于军事、地质填图、热制图、热惯量估算以及灾害监测、环境污染等方面;
应用研究，如岩溶区探水、热红外探矿、探地热、城市热岛、林火监测等均取得不少成果; 但许多热红外遥感应用主要是以亮度温度为信息源的定性分析阶段，定量研究还很不够。
随着比辐射率研究和测定工作的进展，以及热红外遥感大气纠正问题的深入，热红外遥感的定量研究也得到很大的发展；
但是由于热红外遥感本身的复杂性，它的许多理论问题均未很好的解决，如地表热红外辐射及比辐射率的方向性问题、温度与比辐射率的分离问题、非同温混合像元的分解问题等；
目前，国内外许多学者正在致力于对热辐射与地面相互作用机理的研究、地表真实温度的模型反演等疑难问题的攻克以及热红外遥感应用研究的进一步开拓 。
2 热红外遥感技术的原理
（1）热红外遥感的特点
由于被遥感的物体在任何时间都在不断地向外辐射热红外线，热红外遥感可以在白天或黑夜无人造光源的条件下实施，它是一种全天时的遥感手段。
（2）热红外遥感机理
1）获取波段 热红外大气窗口和热红外波段
图一 热红外大气窗口和热红外波段
红外遥感技术的发展以红外线的物理特性为基础。红外线是由于物质内部带电微粒的能全发生变化而产生的，它是一种电磁波．处于可见光谱红光之外．突出特点是热作用显著。红外线的波长介于可见光与无线电波之间．从0 .75µm ～1000µm ，可分为四个波段：近红外（0.75～3µm ）、中红外（3～6µm ）、远红外（6～
15µm ）、和极远红外（15～1000µm ），在大气传输过程中，地表热辐射能通过3-5μm 和8-14μm 两个窗口，这也是大多数传感器的设计波段范围。
2）热红外遥感成像过程
图二 热红外遥感成像
3）地球温度与热辐射峰值
图三 黑体的辐射光谱曲线
红外遥感的信息源来自物体本身，其基础是：只要其温度超过绝对零度，就会不断发射红外能量，即地表热红外辐射特性。
如下图为黑体的辐射光谱曲线（不同温度下物体辐射能量随波长变化的曲线），常温的地表物体（300K 左右）发射的红外能量主要在大于3μm 的中远红
地球表面温度的产生主要来自于太阳能的辐射加温作用，其次是来源于地球深部热源。前者以电磁波辐射形式进行热传递，它对地球表面的增热起主导作用，而且存在于地球表面的所有地方。后者则以传导和对流方式进行热传递，它主要受地质构造控制和地层岩石的物理性质影响，属于局部增温现象，只有这种热传递在地面形成的热异常才对寻找地热资源有实际意义。
上述这种比背景温度高的地热异常很容易被热红外探测器检测出来。
例如：
航空热红外遥感技术可以精确地提供温泉点的位置和热异常的分布特征, 为查清导热、控热构造提供有利线索, 以指导地热勘探工作。
此外, 在某些受岩层和第四系松散层掩盖的所谓“盲热”区, 亦可通过航空热红外遥感方法, 填绘浅部热含水层来帮助发现深部地热资源。
常用航空/卫星传感器
ASTER
HYMAP
LANDSAT TM/ETM+
Master
FTHSI
HyperSpecTIR
4. 进行试验或者预估应用该技术过程中的问题及应用结果
应用示范：见下页
SATER data is used to conduct over the Brady Hot Springs region
true-color HyMap image subset that centers on the 40 MW Casa Diablo geothermal plant
(2)存在问题
1) 热红外遥感方法只能取得地表温度信息，而开采利用价值比较大的地热资源多埋藏在地下深部，或被巨厚的沉积盖层所掩盖，在没有热通道通向地表的条件下很难被发现。
2) 来自地球内部的热源产生的地表温度异常，主要靠地层岩石的热传导和地下水的热对流作用，热传导率极低的岩石限制了这种异常的产生。
3) 成像条件选择至关重要。理想的成像条件应包括：①成像季节。一般而言, 地表与大气进行热交换处于平衡状态时，有利于地热异常的形成；②成像时间，应该在夜间太阳辐射影响消失后，地表与大气呈现正向热交换时, 地热异常才能显示出来；③大气对地表温度产生干扰影响最小的时候, 如风、云、雨、
雾、气温高低等都可成为干扰因素；④成像时温度定标范围的选择，可以确定最佳温度范围和最大限度的提高图像的温度分辨率。
4) 热红外遥感方法只能做为地热调查中的一种技术手段使用，它不能代替常规的地热勘探方法。该技术必须与其它技术方法相配合，与专业知识相结合才能取得比较好的应用效果。
5. 总结
热红外遥感技术是一种快速检测地面温度的新技术，它能在瞬间或比较短的时间内获取大面积地面温度场信息，它具有连续采样(面扫描) 、信息量大、检测精度高(0 2～0 5℃) 、一致性好、直观形象、速度快、成本低和不受地面通行条件限制等优点。因此, 它一问世立即引起地热工作者的极大兴趣，并将这一新技术用来进行地热资源调查，取得了许多成功经验，同时在理论探讨方面也在逐步深化，展现出它的应用前景。
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，2003.
[2]徐冠华. 论热红外遥感中的基础研究，中国科学（E 辑），2000，30（8）：1~5
[3]柳钦火 地表温度的遥感反演方法及应用， 北京大学博士研究生学位论文 1997年6月
[4]郭裕元，程红. 热红外遥感的成像原理及温度定标. 影像技术 1998（4），37~42
[5]宫鹏，史培军等. 对地观测技术与地球系统科学. 北京：科学出版社，1996，1~208
[6]梅安新，彭望禄等. 遥感导论 高等教育出版社，2001年
[7]陈良富，徐希儒，张仁华. 地表温度遥感反演的现状与发展趋势，地理科学进展，1998，17（增刊）：208-215
[8]李小文等. 地球表面热量交换定量遥感研究，1998，国家攀登项目书
专 业： 测绘工程
班 级： 0614111
组 别： 第一组
指 导 教 师： 牛 磊
姓 名： 曹岳飞、闫佩良、马欣欣
梁威力、王君
完 成 时 间： 2013年12月1日
热红外遥感技术及其在地热资源调查中的的应用
0614111班 第一组 曹岳飞 闫佩良 马欣欣 梁威力 王君
摘 要：热红外遥感即通过热红外探测器收集地物辐射出来的人眼看不到的热红外辐射通量，经过能量转换而变成人眼能看到的图像。热红外遥感自从1962年第一台红外测温仪诞生起在军事、地热油气调查、地质填图、热制图、热惯量估算以及灾害监测、环境污染等方面有了非常广泛的应用。本文主要介绍了热红外遥感技术及其在地热资源调查中的应用。 关键词:热红外技术 地热资源调查
引言
自然界任何温度高于热力学温度（0K 或-273ºC ）的物体都不断地向外发射电磁波。热红外遥感即通过热红外探测器收集地物辐射出来的人眼看不到的热红外辐射通量，经过能量转换而变成人眼能看到的图像。热红外遥感技术的发展是为了获取地物的热状况信息，从而推断地物的特征及环境相互作用的过程，为科学和生产所应用 。
地热是地球赋予人类的廉价能源，地球就像一个庞大的地热库。
人类在面对环境污染的困扰、地球生态平衡的破坏、不可再生资源的匮乏、各国对能源需求的急速增长。这时地热资源调查就显得尤其重要。热红外遥感技术是一种快速检测地面温度的新技术，它能在瞬间或比较短的时间内获取大面积地面温度场信息，将这一新技术用来进行地热资源调查，取得了许多成功经验，同时在理论探讨方面也在逐步深化，展现出它的应用前景。
1 红外线的起源与发展
热红外遥感的发展可以从1962年第一台红外测温仪诞生算起；
1978年美国发射热惯量卫星（HCMM ），首次用卫星来观察地球表面的温度差异，这标志着热红外遥感的发展；
随后，红外技术不断发展，一系列航空航天遥感器运用了热红外波段采集地面数据，并将其应用于军事、地质填图、热制图、热惯量估算以及灾害监测、环境污染等方面;
热红外遥感的发展可以从1962年第一台红外测温仪诞生算起；
1978年美国发射热惯量卫星（HCMM ），首次用卫星来观察地球表面的温度差异，这标志着热红外遥感的发展；
随后，红外技术不断发展，一系列航空航天遥感器运用了热红外波段采集地面数据，并将其应用于军事、地质填图、热制图、热惯量估算以及灾害监测、环境污染等方面;
应用研究，如岩溶区探水、热红外探矿、探地热、城市热岛、林火监测等均取得不少成果; 但许多热红外遥感应用主要是以亮度温度为信息源的定性分析阶段，定量研究还很不够。
随着比辐射率研究和测定工作的进展，以及热红外遥感大气纠正问题的深入，热红外遥感的定量研究也得到很大的发展；
但是由于热红外遥感本身的复杂性，它的许多理论问题均未很好的解决，如地表热红外辐射及比辐射率的方向性问题、温度与比辐射率的分离问题、非同温混合像元的分解问题等；
目前，国内外许多学者正在致力于对热辐射与地面相互作用机理的研究、地表真实温度的模型反演等疑难问题的攻克以及热红外遥感应用研究的进一步开拓 。
2 热红外遥感技术的原理
（1）热红外遥感的特点
由于被遥感的物体在任何时间都在不断地向外辐射热红外线，热红外遥感可以在白天或黑夜无人造光源的条件下实施，它是一种全天时的遥感手段。
（2）热红外遥感机理
1）获取波段 热红外大气窗口和热红外波段
图一 热红外大气窗口和热红外波段
红外遥感技术的发展以红外线的物理特性为基础。红外线是由于物质内部带电微粒的能全发生变化而产生的，它是一种电磁波．处于可见光谱红光之外．突出特点是热作用显著。红外线的波长介于可见光与无线电波之间．从0 .75µm ～1000µm ，可分为四个波段：近红外（0.75～3µm ）、中红外（3～6µm ）、远红外（6～
15µm ）、和极远红外（15～1000µm ），在大气传输过程中，地表热辐射能通过3-5μm 和8-14μm 两个窗口，这也是大多数传感器的设计波段范围。
2）热红外遥感成像过程
图二 热红外遥感成像
3）地球温度与热辐射峰值
图三 黑体的辐射光谱曲线
红外遥感的信息源来自物体本身，其基础是：只要其温度超过绝对零度，就会不断发射红外能量，即地表热红外辐射特性。
如下图为黑体的辐射光谱曲线（不同温度下物体辐射能量随波长变化的曲线），常温的地表物体（300K 左右）发射的红外能量主要在大于3μm 的中远红
地球表面温度的产生主要来自于太阳能的辐射加温作用，其次是来源于地球深部热源。前者以电磁波辐射形式进行热传递，它对地球表面的增热起主导作用，而且存在于地球表面的所有地方。后者则以传导和对流方式进行热传递，它主要受地质构造控制和地层岩石的物理性质影响，属于局部增温现象，只有这种热传递在地面形成的热异常才对寻找地热资源有实际意义。
上述这种比背景温度高的地热异常很容易被热红外探测器检测出来。
例如：
航空热红外遥感技术可以精确地提供温泉点的位置和热异常的分布特征, 为查清导热、控热构造提供有利线索, 以指导地热勘探工作。
此外, 在某些受岩层和第四系松散层掩盖的所谓“盲热”区, 亦可通过航空热红外遥感方法, 填绘浅部热含水层来帮助发现深部地热资源。
常用航空/卫星传感器
ASTER
HYMAP
LANDSAT TM/ETM+
Master
FTHSI
HyperSpecTIR
4. 进行试验或者预估应用该技术过程中的问题及应用结果
应用示范：见下页
SATER data is used to conduct over the Brady Hot Springs region
true-color HyMap image subset that centers on the 40 MW Casa Diablo geothermal plant
(2)存在问题
1) 热红外遥感方法只能取得地表温度信息，而开采利用价值比较大的地热资源多埋藏在地下深部，或被巨厚的沉积盖层所掩盖，在没有热通道通向地表的条件下很难被发现。
2) 来自地球内部的热源产生的地表温度异常，主要靠地层岩石的热传导和地下水的热对流作用，热传导率极低的岩石限制了这种异常的产生。
3) 成像条件选择至关重要。理想的成像条件应包括：①成像季节。一般而言, 地表与大气进行热交换处于平衡状态时，有利于地热异常的形成；②成像时间，应该在夜间太阳辐射影响消失后，地表与大气呈现正向热交换时, 地热异常才能显示出来；③大气对地表温度产生干扰影响最小的时候, 如风、云、雨、
雾、气温高低等都可成为干扰因素；④成像时温度定标范围的选择，可以确定最佳温度范围和最大限度的提高图像的温度分辨率。
4) 热红外遥感方法只能做为地热调查中的一种技术手段使用，它不能代替常规的地热勘探方法。该技术必须与其它技术方法相配合，与专业知识相结合才能取得比较好的应用效果。
5. 总结
热红外遥感技术是一种快速检测地面温度的新技术，它能在瞬间或比较短的时间内获取大面积地面温度场信息，它具有连续采样(面扫描) 、信息量大、检测精度高(0 2～0 5℃) 、一致性好、直观形象、速度快、成本低和不受地面通行条件限制等优点。因此, 它一问世立即引起地热工作者的极大兴趣，并将这一新技术用来进行地热资源调查，取得了许多成功经验，同时在理论探讨方面也在逐步深化，展现出它的应用前景。
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，2003.
[2]徐冠华. 论热红外遥感中的基础研究，中国科学（E 辑），2000，30（8）：1~5
[3]柳钦火 地表温度的遥感反演方法及应用， 北京大学博士研究生学位论文 1997年6月
[4]郭裕元，程红. 热红外遥感的成像原理及温度定标. 影像技术 1998（4），37~42
[5]宫鹏，史培军等. 对地观测技术与地球系统科学. 北京：科学出版社，1996，1~208
[6]梅安新，彭望禄等. 遥感导论 高等教育出版社，2001年
[7]陈良富，徐希儒，张仁华. 地表温度遥感反演的现状与发展趋势，地理科学进展，1998，17（增刊）：208-215
[8]李小文等. 地球表面热量交换定量遥感研究，1998，国家攀登项目书