遥感教程第9-4页

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材料的热状态对白天(夜晚)的时间非常敏感,因为大多数的加热都是由太阳完成的,这得益于大气中的热传递。日间加热循环中辐射温度的变化随所涉及的材料而变化。循环过程中温度的变化将取决于每种材料的热性能。土壤的加热历史,作为深度的函数,尤其重要,因为大多数土地表面都被各种类型的土壤所覆盖。


日热效应

本节早些时候已经暗示,热图像在外观上会有很大的变化,这取决于它们是在白天温暖的部分还是在没有阳光的夜晚获得的,以及由此产生的大气冷却以及表面和浅层的热损失。水下深度。这在这两张佐治亚州亚特兰大市中心的照片中很明显。这两张照片拍摄于白天(上图),然后在黎明前(下图)。热传感器在飞机上飞行。

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在白天的热成像中,加热的建筑物和街道以及阴影区域之间的对比形成了一个类似于航空照片的场景。但在黎明图像中,温度差异急剧下降(没有阴影),尽管图像的一部分更亮,代表了局部的“热岛”效应。而且,在黎明的图像中,许多街道是显而易见的,因为沥青铺面,它们吸收更多的热量,并在整个夜晚保持温暖。

与仅涉及最顶层(几个分子层厚)的表面反射的遥感不同,热遥感包括延伸至地表以下不同浅层深度的能量变化。这需要时间,是白天加热和夜间冷却的正常结果。在分析和解释热数据和图像时,最关键的考虑是了解加热近地表层的物理和时间条件。随着季节的推移,基岩平均温度的微小变化可能发生在10米(33英尺)或更深处。太阳辐射和空气中的热传递在白天显著地加热地表及其下的物质。温度通常在夜间下降,主要是由于辐射冷却(最大辐射冷却发生在无云条件下),伴随着一些传导和对流。在一个单一的日(日)循环中,近地表层(通常为松散土壤)经历交替加热和冷却,深度通常在50至100 cm(20-40 in)之间。日平均地面温度一般接近平均气温。观测到的温度变化主要是由白天加热周期的变化引起的,但温度和当地气象条件的季节性差异(平均值和范围)也会影响每天的周期响应。

24小时热循环期间五种表面覆盖类型的辐射温度变化。来自F.F.Sabins,Jr.,遥感:原理和解释。第2版,1987年。经纽约市W.H.Freeman&Co.许可转载。

这里显示的曲线总结了在24小时周期内辐射温度的定性变化,从局部午夜开始到结束,在表面发现的五类一般材料。根据这些曲线,我们可以估计出热传感器可以记录的相对灰度,作为材料和一天中时间的函数。假设两个相同区域的热图像相距12小时,大约在中午和午夜,我们可以根据它们的温度和热惰性来确定共注册像素的身份。

` <>`__9-8 Letting the gray levels in a thermal image vary with temperature, predict the relative gray tones you would expect for a desert surface (rock and soil) and standing water at 4:00 AM and 2 PM. `ANSWER <Sect9_answers.html#9-8>`__

不同材料的热惯性、反射和发射率的差异以及可变的大气辐射是改变测量表面温度的重要因素。考虑下面绘制的四组曲线:

image3 |受这些性质变化影响的日温度变化曲线:(a)热惯性;(b)反照率;(c)发射率;(d)大气辐射。|

顶部曲线(a)显示了仅由材料热惰性差异引起的温度变化,其他因素保持不变。注意明显的交叉点。P值远高于0.05(通常是金属物体),会产生接近穿过交叉点的直线的日变化曲线。这一效应与先前的说法一致,即具有高热惯性的材料在整个加热/冷却循环期间会经历较小的辐射温度变化。B中的曲线显示了不同反射率的影响(以反照率计算,即反射太阳辐射与入射辐射之比,以百分比表示)。日最高、最低温度及其差异(dt)随太阳照射反射率的降低而增大。在C中,曲线表示与 发射率 ;大多数天然材料的价值 e 范围从0.80到0.98。D中的曲线表示大气辐射引起的温度效应,这是由水蒸气(一个常见的误差源)的再发射引起的。从这些曲线,我们了解到,由于这些变量,天然表面材料在辐射温度方面表现出相当大的变化。

` <>`__9-9为什么上述曲线在0600小时(早上6点)左右达到最低温度?对表面温度的变化与这些曲线中四个特性变量的值的变化作一个一般性的陈述或规则? **ANSWER**

这些不同性质之间的相互作用共同影响了地表以下30厘米(1.2英尺)左右的表层中的加热速率、总热交换和温度分布(梯度=dt/dz,其中z是厚度或深度)。在白天的周期中,这种情况会发生很大的变化。不同的温度和深度剖面描述了白天和夜晚的不同时间,如图中所总结的(对于具有非常低热惯性的低密度土壤):

|四个不同时期土壤温度随深度的变化曲线。|

不管一天中什么时候,加热区的温度分布在30-50厘米以下的某个深度(取决于岩石或土壤及其含水量)趋于稳定,但随着地热梯度的变化,这个深度慢慢地增加到地球中。在黎明前(06:00小时),地面区域(顶部50厘米左右)显示出地面温度上升的递减率(dt/dz总体上为正值)。在早晨的阳光下(08:00小时),典型土壤的最上面的10到20厘米(4-8英寸)开始快速加热,在浅层形成负的dt/dz,在近地表的较低处恢复为正梯度。到中午后不久(12:00小时),表层达到最高温度,下层随着深度的增加,温度逐渐降低。日落后进入夜间(20:00小时),当热量离开时,梯度会反转(变为负值),从而使表面的温度下降,但仍保持温暖,直至白天变化区的底部。

` <>`__9-10At what time of day does the soil show the least variation in temperature; the most? `ANSWER <Sect9_answers.html#9-10>`__

观察表面(最高厘米左右)的最高和最低温度主要取决于蓄热器的积聚程度以及通过受影响层的蓄热能力。对于密度和反照率相同但导电率和/或比热不同的材料,随着导电率的增加和比热的降低,黎明前(最低t值)和中午(最高t值)的差异增加。实际差异的大小随着深度的增加而减小,直到底部的稳定(收敛)值。增加材料密度的影响(保持其他变量不变,p=(ρkc)1/2 )需要更多的热能来加热给定体积的附加质量,从而减少热量传递到下层。随着密度的增加,总的附加热量(来自太阳和空气)分布在表层厚度的减少上。因此,在这种情况下,中午达到的最大温度更低,晚上达到的最小温度更高。因此,与密度较低的材料相比,日极端温度(δt’s)的分布往往较低。密度较大的材料的热惯性相应增加,只是表示其对温度变化(随着加热或冷却的进行,较小的δt)的阻力增加(有时称为热阻抗)。对于热导率较高的材料,更多的热量传递到更大的深度,较少的残余物集中在表面,而且,温度极限也会降低,这一点可以证明,白天表面温度较低,夜间温度较低,而Ks较低的材料。(例如土壤)。

一般来说,很难补偿、纠正或消除上述许多因素的影响。因此,温度和导数函数,例如表观热惯性(ati;“表观”是一个限定符,表示除非我们考虑到大气过程和其他因素的影响,否则我们无法获得真实值。)是近似值,并且容易出现(有时是严重的)误差。更关键变量的现场测量有助于减轻不确定性。我们可以将这些数据和其他辅助数据源合并到数学中 现象学模型 试图复制物理因素所扮演的角色。


主要作者:Nicholas M.Short,高级电子邮件: nmshort@nationi.net