红外多角度观测的优势分析

赵艳华赵利民

（1 北京空间机电研究所，北京 100094）

（2 中国科学院遥感与数字地球研究所，北京 100094）

红外多角度观测的优势分析

赵艳华1赵利民2

（1 北京空间机电研究所，北京 100094）

（2 中国科学院遥感与数字地球研究所，北京 100094）

常规单一角度热红外谱段观测获得的是像元平均温度，无法区分像元内不同地物的类别信息，导致物理意义模糊不清，在数据应用时无法满足精细地表温度反演的需求。红外多角度遥感数据通过双层能量模型、结合先验知识可以反演混合像元的组分温度（土壤、植被冠层等）；可利用不同辐射传输路径获得红外大气透过率的差异，可从图像自身提供的信息反演所需的大气参数，在无大气廓线情况下有效的完成大气校正，减少地表温度反演过程中带来的误差，提高地表真实温度的反演精度；可以获得更为全面的异质异构地表的热辐射状态，避免由于遮挡或者不可见而损失的热辐射信息。另外，红外多角度观测对于更为客观认识地表热辐射状态提供了可能，其在陆表生态系统建模、地表能量平衡研究等方面具有重要科学价值，同时也为热辐射方向性科学探索提供了必不可少的数据支撑。红外多角度光学遥感为热红外遥感数据定量反演提供了有效的手段，是一个重要的发展方向；无论是对工程应用还是对科学研究，红外多角度空间光学遥感器及其应用的研究都有非常重要的意义。

红外多角度 温度反演 组分温度 航天遥感

0 引言

地面目标的空间结构信息、波谱和温度信息的获取是定量遥感的主要目标之一[1]。与单一方向遥感相比，多角度对地观测通过对地面固定目标多个方向的观察，使得对目标的观测信息更加丰富，为定量遥感提供了新的途径[2]，多角度遥感正成为一个新的研究领域而受到普遍的关注。利用长波红外谱段对地遥感，可以获取地物目标温度特征[3]。随着遥感技术的不断发展，对红外遥感温度反演精度提出了越来越高的要求，而由于大气气溶胶、地表结构特征等的影响，导致地表信息不能有效分离、温度反演精度不高，限制了长波红外遥感数据的应用[4]。各种遥感数据用户对地表结构特征信息分离、大气影响精确校正等提出了迫切的需求，强烈要求发展能够实现高精度温度反演的红外多角度遥感仪器。

红外多角度观测是利用多个红外谱段从多个观测方向对地物辐射信息进行探测，获取地表目标不同视角的红外遥感数据，能够分辨地面景物由于结构特征造成的辐射度差别，同时，结合大气通道监测，有效分离地表辐射与大气辐射，提高地表目标物的温度反演准确度，是提高遥感定量化水平的有效手段之一。

1 红外多角度观测的必要性分析

地物热辐射具有明显方向特性[5]。对落叶林、行播作物、裸土、建筑物等地物的实际观测试验表明，由于空间异构性、温差等因素，其热辐射亮度值在 2π空间中随观测角的变化而变化，对于城市冠层，这种热方向性差异更为显著。由于地表热辐射具有很强的方向性，导致单一角度红外遥感探测的地表温度信息在反演精度、地表热力状态客观重现等方面受到制约[6]。图1展示了实际测量的典型地物在不同观测方向上的发射率特性；图2～4中以30°为间隔进行观测，以云图形式直观给出了各观测角度上亮温的分布，来展示作物冠层、小麦、城市的热辐射方向特性。

在地方时 13:30左右，农田蒸散活动趋于峰值，而遥感探测一般都采用峰值信号探测[7]。另外，这一时间段的植被—土壤组分温差也趋于最大。图5为植被冠层叶片光照面—阴影面温差特性以及土壤—植被温差随太阳光照的变化情况。实地连续观测结果表明，这个差异能达到4～5K甚至更高，即使对于植被，光照面和阴影面温差也能超过1K。

单一角度观测无法满足精细地表温度反演的需求[8]。由于多通道热红外遥感数据本身不具有对象的几何结构信息，因此，只能把混合像元视为一个整体予以处理，这样即使反演过程的每一步都正确，反演所得的也只是所谓的混合像元的平均温度[9]，而它的物理意义是模糊不清的。以植被冠层和土壤背景所构成的混合像元为例，植被冠层温度(Tv)通常有别于土壤表面温度(Ts)，而只有Tv才对植被瞬时水分蒸腾量以及估计它对大气二氧化碳(CO2)的消耗量有着举足轻重的作用，像元的平均温度对此毫无帮助。其次，热红外多通道数据间具有高度的相关性，以中分辨率成像光谱仪（MODIS）的四个热红外通道为例，通过数据模拟计算可以确定，其间的相关系数在0.194～0.199之间，在现有测量水平及仪器精度条件下，很难达到温度反演精度小于1K的目的[10]。由此可见，研究热红外多角度遥感是摆脱上述困境的核心手段。

2 红外多角度观测优势分析

2.1 工程意义

开展热红外多角度遥感具有以下三方面工程意义：

（1）避免由多通道信息间的高度相关给反演温度所带来的困难，提高地表温度反演精度。

基于红外多角度数据，利用不同辐射传输路径红外大气透过率的差异（如图6，图中Ts为观测角度，eps为地表温度反演精度），可以从图像自身提供的信息反演所需的大气参数，在无大气廓线情况下有效的完成大气校正（特别适合夜间红外观测），减少了地表温度反演过程中带来的误差，提高了地表真实温度的反演精度。研究结果表明，对于匀质地表，在双通道地表温度反演中（分裂窗技术）加入多角度信息可使地表温度的偏差降低 0.39K（白天）或0.28K（夜间）；同时，多角度技术与仅有垂直方向探测相比，可使得反演地表温度的精度提高2倍。这就是说，在当前的观测条件下，沿轨迹扫描所能提供的有关大气状况的附加信息可使得从卫星上测量到的地表温度与实测值相比较，精度范围提高到 0.03～0.39K之间。而且如此显著的反演精度的改进，仅是利用卫星发射前所提供的算法得到的。另外，以水表为例，利用多角度信息对均匀比辐射率的角度订正，使多个方向由卫星上亮温到反演得到的表面温度偏差减少了1.45K。

对于非匀质地表——例如低植被覆盖度条件下的植被-土壤混合地表，多角度观测对于反演精度的提升相对较小（陆表温度（LST）误差降低0.2K左右），但提供了更为全面的方向辐射信息，进而为地表土壤/植被含水量估算提供更为精确的地面温度数据。

（2）直接反演混合像元的组分温度（土壤、植被冠层）

反演混合像元的组分温度为农业蒸散发、干旱制图、土壤/植被含水量光学估算等应用需求提供必要的输入。

（3）更为全面地探测异质异构地表的热辐射状态，避免由于遮挡或者不可见而损失的热辐射信息（特别对于山区、城市），为热异常探测（如山区地震断裂带的震前热异常，单一角度识别准确度较低）、灾损评估（受灾前后建筑物方向亮温的变化）、热环境评估等应用提供真实有效信息。

2.2 科学意义

红外多角度观测对于更为客观认识地表热辐射状态提供了可能，其在陆表生态系统建模、地表能量平衡研究等方面具有重要科学价值，同时也为热辐射方向性科学探索提供了必不可少的数据支撑。

（1）地—气能量与水分交换研究

地表、植被冠层、大气的水热交换是大气边界层及陆表生态系统决定性过程（显热通量、感热通量）[11]。在半干旱地区，植被覆盖度较低，地表的热交换由表层土壤和植被共同决定，这使得如何分离不同组分在地表-大气热对流交换中的贡献成为挑战。此外，地表与大气的水、CO2交换在很大程度上决定了对流层边界动力学特征[12]。对于匀质地表，核心问题可转化为如何将净辐射分解为感热、显热以及土壤热通量，在对待植被冠层、土壤含水量的时候，通常处理是将植被与土壤视作一种均匀混合物。事实上，地表的异质异构是普遍现象，在不同方向上对地表进行热辐射探测，通过遥感反演策略分离植被和土壤的组分温度，是深入了解土壤-植被系统的热辐传输过程的独特手段[13]。另一方面，土壤-植被的温差可用以直观表征作物水分胁迫因子，或通过土壤蒸发和植被蒸腾对作物水分胁迫状态进行建模。最后，多角度红外观测也为克服地气耦合面热通量的参数化问题提供解决途径。

（2）光能利用率与碳循环研究

叶片、土壤温度的探测对于地—气碳交换规律的认识和建模具有显著作用[14]。植被光合作用率与很多因素相关，包括大气中的CO2含量，叶片温度，土壤矿物质类型[15]。

植被温度：自养呼吸是部分由光合作用存储的化学能驱动植被生长、进化的过程。该过程对于碳循环研究至关重要，因为经光合作用吸收、再向大气中排放的碳，一大部分是经由这一过程完成的。研究自养呼吸的关键参量为植被温度，同时也与生长速率，总生物量，以及植被的生化组分等相关。

土壤温度：异氧呼吸是有机土壤中存储的碳的释放过程。与地表生物质相比，土壤的固碳能力非常强大。认识土壤中存储的碳的源头、去向，是局地尺度碳循环研究主要关注的问题。异氧呼吸作用与土壤温度的相关性非常强，同时也与土壤水、土壤肥力（特别是氮）有关。

由于叶片光合作用和土壤呼吸作用均与温度具有强相关性，因此准确地探测植被和土壤的温度有益于这些过程的认知和建模。对于地面观测而言，利用高分辨率的热红外成像仪可以直接测量区分植被、裸土温度，对于航天遥感而言，唯一行之有效的手段，就是利用多角度红外遥感技术，获取不同角度的冠层亮温，再基于一定的反演策略（如贝叶斯），从异构地表分离出植被和土壤温度。

（3）地表半球热红外辐照度用于地表能量平衡、全球变化研究

地表反照率表征对各个方向到达地表的总的太阳短波辐射的反射能力[16]，可以藉此计算地表总的反射辐射通量[17]。对于长波辐射，往往采用地表温度与发射率的形式表征[18]。然而，对于真实地表，异质异构现象普遍存在，地表热辐射具有明显的方向性，只要精确统计半球空间的热辐射通量，方能为地表能量平衡的认知与建模提供准确的输入。由于同步热红外多角度遥感技术的缺乏，目前尚无一个参量用能准确描述地表向外的半球空间辐射或辐射能力。通过红外多角度观测数据，定义一个类似于短波波段反照率的参量，用以全面认知地表的热辐射能力和能量，是一个极具诱惑力的科学命题，对于地表能量平衡乃至全球变化研究具有重要科学意义。

（4）异质异构地表三维温度场建模

人们利用多角度高分辨率遥感图像提取目标空间三维结构信息的研究已日趋成熟[19]，其基本原理是共线方程。类似地，红外多角度遥感系统作为光学遥感的一种，理论上也可以通过共线方程结合传感器参数模型得到二维图像坐标和三维空间真实坐标之间的对应关系，只不过与可见-近红外遥感图像获得的反射率信息不同，热红外图像上的纹理信息表征了地表的热辐射强度[20]。利用光学遥感技术，对异质异构地表热辐射强度在三维空间上的变化进行重建，同样也是一个极具创新性的科学探索命题。

3 红外多角度遥感数据应用方向

红外多角度观测数据可有效应用于复杂地形条件下的地表温度的反演、海水温度反演、植被冠层温度与土壤温度分离等，可在旱情遥感监测、矿区煤火自燃监测、核电站热污排放监测等领域发挥重要作用。

表1 星载红外多角度相机对应的业务应用Tab.1 Operational applications of satellite borne multi-angle infrared camera

4 结束语

红外多角度观测从热红外定量遥感的需求出发，解决地物热辐射方向性探测问题和大气校正问题，为温度反演提供了有效的数据支撑；另外红外多角度遥感可获取组分温度，为农业蒸散发、干旱制图、土壤/植被含水量光学估算等应用需求提供必要的输入，提高遥感数据应用能力。红外多角度遥感为热红外遥感数据定量反演提供了有效的手段，是一个重要的发展方向。

红外多角度光学遥感载荷的研制应该和遥感数据的应用研究同步开展，与数据处理、反演和应用中遇到的问题紧密结合，以便使红外多角度观测技术更好的满足应用需求。在工程研制上，红外多角度光学遥感载荷应重点突破载荷总体设计技术、大视场高透过率光学系统设计、低噪声多谱段长波红外探测器研制、大视场高精度扫描控制系统研制、高精度辐射定标技术等技术，与数据处理和反演应用单位联合开展项目研制工作。

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Analysis of Advantages of Multi-angle Infrared Observation

ZHAO Yanhua1ZHAO Limin2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）
（2 Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China）

The feature has obvious heat radiation directional characteristics, thermal infrared spectral observations conventional single-angle is obtained pixel average temperature, can not distinguish different categories of information within a cell surface features, resulting in physical meaning obscure in data applications, unable to meet the demand for fine surface temperature inversion. Multi-angle infrared remote sensing data can be as inversion of component temperature of mixed pixel elements(soil, canopy, etc.). The use of different radiation transmission path can obtain the difference of infrared atmospheric transmittance, can provide atmospheric parameters needed for information inversion from the image itself, and can complete effectively atmospheric correction in the absence of atmospheric profiles, reducing the errors caused by surface temperature inversion process and improving the retrieval accuracy of the real temperature of the surface. A more comprehensive heterogeneous surface thermal radiation state can be got to avoid loss of heat radiation information due to invisible or occlusion. In addition, multi-angle infrared observations can get more objective understanding of the status of surface thermal radiation, which has important scientific value in terms of land surface ecosystem construction and surface energy balance studies, but and provide data support which is necessary for scientificexploration in neat radiation directivity. Multi-angle infrared optical remote sensing provides an effective means for the thermal infrared remote sensing quantitative retrieval of data, and is an important direction of development. For both scientific research and engineering applications, multi-angle infrared space optical remote sensor and its application research has very important significance.

multi-angle infrared; temperature retrieval; component temperature；space remote sensing

V474.299

: A

: 1009-8518(2017)01-0030-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.01.005

赵艳华，女，1977年生，2010年获中国空间技术研究院飞行器设计专业工学硕士学位。研究方向为航天光学遥感器总体设计、辐射定标技术。E-mail: zhaoyh304@sina.com。

（编辑：刘颖）

2016-02-19

国家重大科技专项工程