多光谱遥感影像煤火监测新方法

煤火在世界各地均有不同程度的发生,严重威胁生态环境,煤火燃烧释放大量的有毒有害气体,造成大气污染,同时煤火燃烧形成地下空洞,导致地表塌陷,直接威胁着矿区人员的生命安全。遥感技术的迅猛发展使大尺度反演与监测煤火温度变为可能。单窗算法是一个简单可行且精度较高的煤火温度反演方法,该方法需要两个大气参数进行温度反演,即大气水分含量和地表比辐射率。由于该算法需要卫星影像获取瞬间时的大气水分含量,而卫星过境瞬间的大气水分含量受多种因素影响难以获得;单窗算法对不同类型的地物均采用统一的地表比辐射率,这会导致反演温度不精确,误差较大。针对上述存在的问题,采用基于地面湿度参量建立起的大气可降水量与地面水汽压间的经验关系,计算大气水分含量,同时,采用NDVI阈值法计算不同地物类型的地表比辐射率,对单窗算法中的两个参数进行精确估计,从而改进提高该算法的精度及可操作性。将改进的算法应用于内蒙古乌达矿区,反演从1988年到2015年间研究区的煤火温度,提取每年研究区的温度异常区域,对比分析煤火区域分布、面积变化情况。本文提出的改进算法能够快速、高效的反演煤火温度,对掌握煤火异常区域变化情况提供技术支持,具有可操作性及现实意义。     

多光谱遥感影像煤火监测新方法（英文）

煤火在世界各地均有不同程度的发生,严重威胁生态环境,煤火燃烧释放大量的有毒有害气体,造成大气污染,同时煤火燃烧形成地下空洞,导致地表塌陷,直接威胁着矿区人员的生命安全。遥感技术的迅猛发展使大尺度反演与监测煤火温度变为可能。单窗算法是一个简单可行且精度较高的煤火温度反演方法,该方法需要两个大气参数进行温度反演,即大气水分含量和地表比辐射率。由于该算法需要卫星影像获取瞬间时的大气水分含量,而卫星过境瞬间的大气水分含量受多种因素影响难以获得;单窗算法对不同类型的地物均采用统一的地表比辐射率,这会导致反演温度不精确,误差较大。针对上述存在的问题,采用基于地面湿度参量建立起的大气可降水量与地面水汽压间的经验关系,计算大气水分含量,同时,采用NDVI阈值法计算不同地物类型的地表比辐射率,对单窗算法中的两个参数进行精确估计,从而改进提高该算法的精度及可操作性。将改进的算法应用于内蒙古乌达矿区,反演从1988年到2015年间研究区的煤火温度,提取每年研究区的温度异常区域,对比分析煤火区域分布、面积变化情况。本文提出的改进算法能够快速、高效的反演煤火温度,对掌握煤火异常区域变化情况提供技术支持,具有可操作性及现实意义。     

中红外波段地表发射率特性分析

陆表温度(LST)在地-气相互作用过程中扮演着重要的角色,是全球变化研究的关键参数。陆表发射率是陆表温度反演的关键输入参数之一。中红外谱区(3~5 μm)介于可见光-近红外谱区(0.38~2.5 μm)与热红外谱区(8~14 μm)之间,地物的发射率在该谱区表现出独特的光谱特性,可用于霜冻监测、矿物成分分析等研究。由于传感器在中红外谱区探测到的能量既有来自于地物自身发射的热辐射能量,又有反射的太阳辐射能量,这两部分的能量分离机理比较复杂,因此中红外谱区发射率特性分析的相关文献较少。本文针对单一均匀地表和具有混合像元的复杂地表计算了MODIS红外通道的有效发射率,发现通道有效发射率在单一均匀地表下与温度的耦合效应不强烈;但在复杂地表下,通道有效发射率与混合像元内的成分比例以及成分的地表温度具有耦合效应。在误差允许的范围内,混合像元的有效发射率可以忽略成分地表温度的影响。发射率误差对陆表温度反演精度的敏感性随着波长的变化而变化。在热红外波段,敏感性是其在中红外波段的2倍左右,说明利用中红外波段进行陆表温度反演具有一定的优势。     

利用Landsat热红外数据研究1985年—2015年北京市冬季热场分布

由于北京城市中心区冬季供暖、汽车尾气、工业生产等因素的影响,以及冬季植被覆盖减少导致地表热惯量降低,致使北京市冬季地表热场与其他季节差异明显。冬季城市热场分布直接影响冬季大气颗粒物等污染物的扩散速度,因此,研究热场分布对了解城市热场在大气颗粒物污染中的贡献具有重要的意义。首先利用MODTRAN大气辐射传输模型计算大气透过率、大气上行辐射与大气下行辐射三个关键参数,通过构建查找表解算热红外波段辐射传输方程。使用数据模拟的手段评价了该方法的精度,结果表明,当比辐射率和水汽分别在±0.005和±0.6的误差范围内波动时,温度反演的误差分别小于0.348和2.117 K,表明该方法可达到较高的反演精度。选择长时间序列Landsat TM、ETM+数据,进行地表温度反演,得到1985年—2015年北京市的地表温度。基于反演的地表温度分析了北京市热场的时空分布。结果表明,北京冬季热场分布在空间上可分为四个层次：北京市二环内温度较高、二环到五环内低温环状特征明显、外围郊区温度高以及北京西部的山区温度最低;随着近30年来北京市的快速发展,热场分布在长时间序列中发生了明显的改变：随着北京城市的不断扩张,环状低温区域也不断扩大,从三环扩展到六环;城市二环以内热岛效应随时间推移而增强,且分布范围扩大。     

超光谱红外卫星资料同步反演不同地表类型的大气廓线、地表温度和地表发射率

大气温度、水汽、地表温度和地表发射率是大气和地表的本征信息量。利用卫星红外资料精确反演大气温湿廓线有利于准确预报天气和研究气候变化,同时地表温度和地表发射率光谱的反演为研究植物生长与作物产量、地表水分蒸发与循环、能量平衡、地表成分及物理性质、气候变迁与全球环境提供重要参数指标。把大气和地面作为一个整体系统来考虑,建立一种能同步反演大气温度廓线、大气水汽廓线、地表温度和地表发射率的反演方法,利用超光谱红外卫星资料(atmospheric infrared sounder, AIRS),针对我国新疆地区沙漠和雪地两种典型发射率地表同步反演大气温度廓线、水汽廓线、地表温度和地表发射率。反演方法首先线性化地球-大气系统红外辐射传输方程, 提出通过经验正交函数构建大气廓线和地表发射率光谱,有效减少反演变量数,建立同步物理反演模式,然后以美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的预报结果(初始大气温度、水汽廓线以及地表参数)作为初始值,最后通过牛顿迭代得到最优化解。反演观测区域覆盖我国新疆塔克拉玛干沙漠和准噶尔盆地,分别选择位于塔克拉玛干沙漠腹地的塔中探测站(纬度38.98°, 经度83.64°)和准噶尔盆地的阜康荒漠生态系统国家野外科学观测研究站(纬度44.2°, 经度87.9° )为反演地面验证点。反演结果表明,塔克拉玛干沙漠地表温度明显高于准噶尔盆地地表温度,与实际情况相一致;根据反演的8.6和13.4 μm处的地表发射率分布情况,可以看出在8.6 μm处沙漠地表发射率明显低于雪地发射率,在6～15 μm范围内,反演的沙漠地区(塔中站)地表发射率和雪地地区(阜康站)地表发射率与美国喷气推进实验室测量的沙漠发射率光谱和雪地发射率光谱相一致。研究表明,把大气和地面作为一个整体系统来考虑,把地表发射率加入到反演中,通过比较和分析沙漠地区(塔中)和雪地地区(阜康)的大气廓线反演结果与当地气象探空值和传统反演方法反演值,改进了大气温度廓线和水汽廓线反演精度,特别是边界层温度和水汽改进尤为明显;同时分析表明在发射率光谱变化较大的沙漠地区, 大气廓线反演精度的改进比雪地要高,这是由于地表发射率光谱在沙漠、戈壁地区变化较大,而雪地的发射率光谱变化不大。用该方法针对地表发射率光谱变化较大的地区(沙漠)同步反演大气廓线、地表温度和地表发射率,可以更有效的提高大气温度廓线、水汽廓线的反演精度。该研究结果可以为数值天气预报和我国未来超光谱红外卫星应用提供服务和有力支持, 具有十分重要的意义。     

热红外遥感图像中云覆盖像元地表温度估算研究进展

地表温度是描述陆表过程和反映地表特征的重要参数。及时掌握区域和全球尺度上的地表温度时空分布是许多地表过程研究和热红外遥感应用的必需。热红外遥感是地表温度快捷获取的最佳手段,但仅局限于天空晴朗无云情形。云覆盖致使热红外遥感不能直接获取云覆盖像元地表温度,其反演结果为云顶温度或附加了云辐射强迫效应后的地表温度。如何精准获取热红外遥感图像中云覆盖像元地表温度信息,成为热红外遥感地表温度反演和应用亟待完善的难题。文章系统详细回顾了国内外热红外遥感图像中云覆盖像元地表温度估算方法,评述了各方法的特性,并指出今后应加强加深热红外遥感与被动微波遥感融合技术、数据同化技术、尺度效应和算法参数化中普适性假定等四方面研究。     

基于单通道算法的HJ-1B与Landsat 5 TM地表温度反演一致性研究

针对传感器参数与Landsat 5 TM较为相近的环境减灾卫星HJ-1B的热红外数据是否能达到与TM6反演地表温度同样的效果的问题,作者获取了2009年4月15日覆盖北京地区相同范围的HJ-1B影像和Landsat 5 TM影像,采用Ji m啨nez-Mu oz和Sobrino的普适性单通道算法,通过遥感数据获取反演参数,对研究区的地表温度进行反演,并对两类数据反演结果的一致性进行了分析和评价。通过对反演结果的统计分析和分级填图表明,基于普适性单通道算法的HJ-1B与TM的热红外波段反演的地表温度在数值上和空间分布趋势上一致性较高。因此,具有较高时间分辨率和较大幅宽等优势的HJ-1B IRS数据在地表温度反演方面具有更大的潜力和应用范围。     

基于热红外光谱和微波反演地表温度的研究进展

地表温度(LST)是研究地表和大气之间辐射和能量交换以及区域和全球尺度地表物理过程的重要参数。卫星遥感技术在生态环境、水文、气象、地震、军事的应用研究,以及气候模式的辐射过程描述都需要获得准确的LST。光谱中的红外和微波对于探测LST发挥重要作用。文章综合分析了热红外波谱和微波遥感反演LST的研究进展,包括:利用热红外辐射温度表探测LST的方法,晴空条件下星载传感器的红外通道反演LST的单窗、分裂窗等反演方法,单通道和多通道算法,组分温度的反演方法,单通道多角度法和多通道多角度法,以及地表发射率ε特性研究等。微波可以全天候探测地表,文章分析了被动微波波段遥感反演LST的方法。并对这些方法的优缺点、适用性及应用前景进行了评述。     

基于环境减灾小卫星(HJ-1B)的地表温度单窗反演研究

地表温度是地球环境中的一个关键参数,可探测地表温度的热红外波段在光谱谱段中占有重要位置.针对近年来发射的HJ-1B星波段特点,本研究在基于影像的COST模型大气校正基础上,以宁夏为研究区,采用无需大气水汽含量参数的单窗算法反演地表温度,并采用同步的MODIS温度产品对比验证,结果表明该法具有<1 K的较高精度.同时,对...     

基于相关性的中红外温度与发射率分离算法

温度和发射率是耦合在一起的.在精确获得大气参数的情况下,由传感器的辐射测量反演地表的温度与发射率,仍然是一个病态问题,必须采取一定的策略进行温度与发射率的分离.因此,温度与发射率的分离是红外遥感的核心问题.文章在分析无太阳直射光影响时大气下行辐射和含有大气残留的地表发射率之间关系的基础上,提出了一个针对野外测量中红外高光谱数据的温度与发射率分离算法.该算法利用大气下行辐射和含有大气残留的地表发射率之间的相关性作为判据来优化地表温度,进而获得地表发射率.基于模拟的中红外高光谱数据,对算法的精度进行评价.结果表明,该算法能够获得较高的地表温度和发射率反演精度;具有较广的适用范围,对测量过程中大气下行辐射变化不敏感;同时算法具有一定的抗噪性.     

地下组合受限空间火灾分区实验与数值分析

本论文对地下组合受限空间火灾初期的分区现象进行了模拟试验和数值分析。地下组合受限空间火灾呈现出特殊的分区现象。一般可分为燃烧区、新鲜空气补充区、烟气流区、过渡区和火焰后面的“惰化区”五区。有上下两层的地下复杂组合受限空间可分为燃烧区、烟气流区、新鲜空气补充区和“惰化区”4区。将数值模拟分析结果与实验结果进行了比较,二者吻合较好。研究表明,本文所采用的组合受限空间火灾三维模拟分析模型,是一种既能实现对实际结构复杂火灾现象的模拟分析又能在一定程度上满足实际工程要求的较好分析方法。     

Algorithm for detection of active fire zones using NOAA AVHRR data

Forest fires in tropical countries have become one of the important sources of Green House Gases and cause damage to the forest ecosystems. Information relating to the extent and location of active fire zones needs immediate attention to facilitate effective management and mitigation of forest fires. The spectral intervals that are most suitable for the detection of forest fires are 3.5–4.2 and 4.4–5.0 μm. The maximum thermal emission of fires is localized using middle infrared and thermal infrared bands for automatic recognition of fire active zones. The algorithm considers the thresholds for middle infrared on the basis of channel saturation to discriminate the fire zones from background warm surface and thermal infrared (10.3–11.3 μm) to ensure it to be free from cloud and water bodies. Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) data of 1 km resolution have been taken and we apply a spatial technique using background information to dynamically define thresholds appropriate for identifying fire pixels. The study suggests that satellite data provide a unique tool to detect and monitor active fire distribution.     

Background thermal noise correction methodology for average infrared radiation temperature of coal under uniaxial loading

This paper proposes a new background thermal noise correction (BTNC) Methodology for better utilization of average infrared radiation temperature (AIRT) as a precursor for rock fracturing and failure under uniaxial loading. The key innovative concept in the proposed Methodology is the introduction of control samples in the thermal infrared experimental setup. A strong linear correlation was observed between the background thermal noise (BTN) of the test samples and that of control samples, which was used to develop the AIRT-BTNC model. By utilizing the AIRT-BTNC model, the signal-to-noise ratio (SNR) of AIRT can be improved by two orders of magnitude from a mean value of 0.40–70.69. The variation in the AIRT after BTNC on the surface of the uniaxial loading coal samples can be categorized into two types instead of the three reported by previous researchers. The above achievements will be useful in monitoring and forecasting the natural and engineering hazards related to rock/coal structural failures during mining activities.     

Research and applications of infrared thermal imaging systems suitable for developing countries

It is a common situation in most developing countries that the utilization ratio of the sources of energy is low, the reliability service of equipment is poor, the cost of installation maintenance is high, the loss due to conflagration is heavy, and so on. Therefore, they are in urgent need of using infrared thermal imaging technique to improve their energy saving, equipment diagnosis as well as fire searching. But the infrared thermal imaging systems in the world market so far are not suitable for their use. This paper summarizes the research on two dimensional real time infrared thermal imaging systems on the basis of electron beam scanning and pyroelectric detection, as well as their applications in industry in China.     

地下狭长受限空间火灾实验及大涡数值模拟研究

本文建立了地下狭长受限空间火灾模拟实验台架,完成了不同燃烧物种类、不同燃烧物质量的火灾燃烧实验,建立了适用于狭长式地下受限空间火灾的大涡三维数学模型。研究重点在于测量狭长式地下受限空间火源热释放率和烟气温度分布,得到燃烧物分别为柴油、汽油的火源热释放率及烟气温度分布的实验测量数据;结合实验完成了狭长式地下受限空间火灾的大涡三维数值模拟分析。通过火灾数值模拟结果与实验结果进行比较分析,本文所建立的模型能较为真实地反映实际狭长式地下狭长受限空间火灾的情形。     

基于可见-近红外和热红外光谱联合分析的煤和矸石分类方法研究

煤与矸石是矿山采煤过程中主要固体堆放物,对其进行遥感动态监测是矿山环境保护的重要需求。由于煤与部分矸石存在“异物同谱”现象,在使用传统的可见-近红外遥感分类时,往往将部分矸石划分为煤,导致遥感分类精度降低。首先对铁法矿区的12个煤样本和115个矸石样本进行可见-近红外光谱测试,发现绝大部分矸石样品的光谱与煤差异很大,二者易于区分,但有部分矸石与煤样本存在“异物同谱”现象。为进一步对矸石与煤区分,测试了混分样本的热红外光谱,发现二者存在明显的光谱差异,利用热红外光谱特征可以将其区分开来。在此基础上,提出了基于可见-近红外和热红外光谱联合分析的煤与矸石区分方法。该方法首先对所有样本进行可见-近红外光谱测试,利用Mao模型进行第一步分类识别;其次对煤与矸石混分的样品进行热红外光谱测试,利用光谱吸收比率SAR作为判别指标进行第二步分类,两步的分类结果为最终分类结果。该方法在铁法、兖州、神东和木里矿区的验证结果表明,其具有很高的分类准确率,效果远好于单独基于可见-近红外光谱特征的分类方法。研究结果表明,利用多种光谱联合分析的方法可以解决单波段存在的“异物同谱”现象,对于地物遥感分类具有重要的借鉴意义。     

地下车库火灾过程及消防措施的研究

采用火灾动力学模拟软件FDS对大型地下车库的火灾情景进行了数值模拟,分别讨论了隔烟卷帘、水喷淋、排烟风机以及不同措施联合作用下的消防效果。结果表明,隔烟卷帘和水喷淋都能起到良好的消防效果并且联合作用时效果更佳;而机械排烟措施则不然,它反而在一定程度上加剧了火灾的发展,与前两种措施联合作用时仍无明显效果。这说明在地下车库中,当火灾发生时,排烟系统的启动要慎重,否则可能会加剧火灾的蔓延。     

高精度非致冷长波红外热像仪的辐射标定

为使非致冷长波红外热像仪在不同温度下保持较高的测温精度,建立了考虑探测器工作温度效应的非致冷长波红外热像仪的辐射标定模型。对非致冷长波红外热像仪进行辐射标定实验,在不同黑体温度和不同亮度增益值条件下,获得了16组图像灰度与探测器工作温度之间的函数关系,建立了目标温度的数学计算模型,并对定标结果进行了实验验证。结果表明：在25～40℃,探测器的工作温度效应可做线性化处理,且与目标温度无关。通过设定合适的亮度增益值可使红外热像仪的测温误差〈0.5℃,极大地提高了非致冷长波红外热像仪在不同温度环境下的测温精度。     

零视距地物长波红外特征场景仿真研究

为仿真地物长波红外场景图像,根据地表温度随时间变化的规律,并结合气象状况、背景材质、热特性参量、热状态等参数,在对太阳辐射、大气长波辐射、大气温度和地表热传导等影响地表温度变化的因素进行分析的基础上,建立了基于热平衡理论和热传导过程的方程。解算出多种常见地表一日之中的温度变化情况,并将其应用于由相同景物可见光纹理图像反演出的相应红外纹理图像中。在考虑景物表面自身发射、反射的辐射计算模型的前提下,生成了具有相似红外纹理细节的地表红外场景。结果表明,该方法可生成接近真实感的红外场景,有效地模拟仿真地物的长波红外特征。