遥感教程第9-8页

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The Heat Capacity Mapping Mission (HCMM) was an experimental satellite program dedicated to determining how useful temperature measurements could be in identifying materials and thermal conditions on the land and sea. Although day and night thermal images were valuable visual guides, the determination of one of the physical properties of materials, thermal inertia, was the ultimate goal. The scenes acquired covered large areas at higher resolution than meteorological satellites. Many proposed applications were proven valid. The principles of interpretation can also be applied to thermal data gathered routinely by meteorological satellites; examples of three thermal band images of clouds, and the corresponding visible image, taken in June 2000 by the GOES-11 geostationary satellite illustrate the features evident at different wavelengths.


热容测绘任务;气象卫星

1978年4月26日,美国国家航空航天局发射了一个能够测量温度和反照率的传感器系统,从中可以估算出陆地和海面各部分的表观热惯性(ATI)。这是热容测绘任务。它使用双通道辐射计:一个通道检测到近红外辐射可见,0.5至1.1微米,第二个通道检测到发射的热红外,间隔10.5至12.5微米。在接近极地、与太阳同步的逆行轨道上,在620公里(385英里)的名义高度,卫星在下午早些时候(赤道大约下午2:00)沿7.86°倾斜至纵向线的路径从南到北越过采集目标。夜间通行证的倾斜角度也为7.86°,但与纵线方向相反,因此白天和夜间的道路是对称的。当地时间凌晨1:30至2:30之间,一条由北向南的夜间通道覆盖了目标。大约12小时后,它在0°到20°和35°到78°的纬度对同一区域进行了成像(八个轨道上的半日周期)。它在20°到35°纬度(当然,云量影响了一些图像)之间间隔36小时(一个半周期)再次成像。重复周期为16天,在昼夜模式中覆盖了大致相同的区域。高度和传感器光学系统产生了715公里(445英里)的条带宽度,可见光通道的空间分辨率为500米(1640英尺),热通道的空间分辨率为600米(1968英尺),其灵敏度(区分差异的能力)在280°K时约为0.4°K。

因为白天和夜晚通过路径上的相同区域是以相反的角度获取的,因此热传感器扫描的单个像素并不精确地覆盖相同的地面区域(瞬时视场),即不一致,因此有必要共同注册EQU。Ivalent使用计算机程序绘制地面图,该程序使用特定的控制点(在600米分辨率下可识别的特征)将两个场景连接在一起。一旦对像素集进行了登记,我们就可以根据午后和午夜获得的值来计算特定周期的温差(δt)(注意,由于最冷的时间是几小时后的黎明左右,所以δt不会是最大的)。我们可以得出表观反照率“a”(从0到1不等)。 [最大值等于100%反射] )从日可见通道值。这些值是根据公式计算ati所需的传感器获得的值:ati=n c(1-a)/δt,其中n是比例因子(设为1000),c是与太阳通量(辐照度)相关的常数,对给定纬度进行广义化。对于ATI没有离散单位;这些值是相对的。为在一个场景中显示ATI变化而制作的图像显示高值(小δts和/或低反照率)为浅色,低值为暗色。白天和夜晚的温度图像遵循通常的光热和黑暗的惯例。我们必须谨慎地解释这些图像,因为本节前面提到的许多变量会影响任何或所有点的温度状态,通常我们无法控制或测量它们。因此,ATI只是对实际热惯性的一种近似,它不考虑大气特性和其他难以从空间确定的因素。

` <>`__9-16Calculate the ATI for a material that attains a temperature of 30° C in the day and 15 °C at night. The apparent albedo is 0.3. For this case, at a latitude of 40° N and a date of June 21st (summer solstice), the constant C = 1.605. (Note: in some instances, the formula is further simplified by setting N = 1; this gives ATI values in the same general range as we observed earlier for P).`ANSWER <Sect9_answers.html#9-16>`__

我们从这幅具有指导意义的全天可见的HCMM图像开始,它横跨640公里(398英里),并在这幅图像中,完全覆盖了科罗拉多州以及周边各州的部分地区,从堪萨斯州的大平原,西到犹他州,北到怀俄明州。G,如随附地图所示。

落基山以其主要由针叶植被造成的暗色色调而引人注目,与平原和盆地的浅色色调形成鲜明对比。在这幅图像中,高耸的落基山脉在某种程度上没有那么令人印象深刻。

为了获得热图像的感觉,让我们来研究几个HCMM场景,这些场景捕获了美国东北部和邻近的加拿大的一部分。首先看看从1978年9月26日获得的全天可见近红外图像中提取的467公里(290英里)宽的部分。

1978年9月26日获得的HCMM日可见光图像显示

纽约州和宾夕法尼亚州。|

最大规模的特色是安大略湖和伊利湖。纽约的手指湖很明显。场景中的主要河流是萨斯奎汉纳河和特拉华河,主要在图像的右下三分之一处可见。费城和纽约市呈现为暗色调。将此图像与 MSS Band 5 view 与引言中所示的区域相同。区域地质主要为沿海平原和山麓(右下)、阿巴拉契亚山脉的褶皱带、阿巴拉契亚高原以及纽约州北部进入加拿大(左上)的冰川。在右中央是一个狭窄的、弯曲的暗色图案,我们将其识别为宾夕法尼亚州东部的怀俄明州山谷(威尔克斯-巴雷/斯克兰顿地区),一个主要的无烟煤带。注意少数积云。

同时拍摄的日热图像呈现出明显的差异。

湖泊的热结构很明显。与主题地图六级图像相似,伊利湖比安大略湖更温暖。水牛城以西的白云在热成像中被描绘成非常黑暗(寒冷),与它们在大气中凝结的一般低温一致。大部分土地呈中灰色。与褶皱脊和阿巴拉契亚高原部分相关的非常黑暗的区域。这些地区与这些山区的落叶乔木覆盖有关。树木通过蒸散作用使周围环境凉爽。五个主要的大都市地区——布法罗、罗切斯特、锡拉丘兹、纽约/新泽西和费城/威尔明顿——以非常轻的色调脱颖而出,表明气温更高。一些农村地区也很轻(温暖),原因不明显。但怀俄明州山谷以其非常轻的色调与周围的环境形成鲜明对比,这是由广泛分布的黑色页岩和黑色煤尘(黑体效应)混合而成的较高辐射温度造成的。

接下来,我们展示了几乎相同区域的几乎无云的完整图像,但延伸到新英格兰西部,穿过长岛,一直延伸到切萨皮克湾中部。这张照片拍摄于1978年11月2日晚。湖泊、河流和海洋似乎比凉爽的陆地更温暖。这是一个明显的悖论:尽管水在夜间有所冷却,但它通常比陆地经历的δt更小。

白天的水比陆地要冷得多,晚上的水比陆地更热,这是因为它的热量保持和陆地表面温度通常下降得更大。这个情节可以澄清这个想法。

绘制分配给温度的灰度级的图表

在白天和夜晚的热红外HCMM图像中测量到的变化;这说明了如何选择级别会导致白天图像中温度较高的色调较暗,而夜晚图像中温度较低的色调较浅。|

此图显示了灰色调作为昼夜图像辐射温度函数的分配。在这里,陆地上285°K的温度比夜晚相同表面270°K的温度更暗。如果(图中未显示的情况),白天的水温为280°K,夜间降至275°K,我们可以将这些值外推到两个直线图:280°K的灰色水平非常暗,275°K的水平比相应的土地值亮。这一推理解释了上面显示的白天和夜间红外图像中的相对陆地水灰色调。

在夜间红外图像中,城市比周围环境稍微暖和一些。褶皱的阿巴拉契亚山脉的山脊看起来更温暖,这主要是因为它们的叶子掉了下来(因此,不再被蒸散所冷却),而下面的岩石单元有助于热响应。怀俄明州山谷并没有受到来自煤炭/黑土表面的热辐射的强调,它只能从包围它的山脊模式中找到。一些山谷显得非常黑暗,可能是由于高地的冷空气排放。安大略湖以北,乌云密布(寒冷)。

` <>`__9-17Bring back to memory your knowledge of the Harrisburg region you built up from taking the test at the end of Section 1. In the visible and thermal images shown on this page, locate features from the test scenes and note their tonal patterns in the thermal images. `ANSWER <Sect9_answers.html#9-17>`__

有史以来第一个获得空间的ATI图像来自美国东部地区的卫星观测(5月11日的HCMM日图像和1978年6月11日的夜间图像)。

水的色调非常明亮,云(左上角)和雪(图中没有)也是如此。(1-a)的值接近水的最大值(中等δt),因此是一个大的ati。但是,对于具有高反照率的云和雪,因此倾向于降低ati,δt相当低,通过提高ati(因为它在分母中的位置)来抵消(1-a)效应。水的典型比率(1-a)/δt为0.98/3=32.7;雪的典型比率为0.40/2=20.0;中等反射性土壤的典型比率为0.70/20=3.5。一般来说,植被具有中到低的ATI,许多土壤也是如此,而玄武岩具有非常低的ATI,花岗岩具有中到高的ATI。阿巴拉契亚山脉森林茂盛的地区是黑暗的,这意味着低ATI。山麓和沿海平原的土壤由于树木较少而暴露得更好,因此具有较高的抗蚀指数。我们可以用浅色调将山麓和平原大致分开。

同一天的热图像,我们在制作以下的ATI图像时使用了部分输入,当我们为不同的校准温度分配颜色时,显示出大西洋中一个突出的热模式。

|美国东部和大西洋的一天红外-氢氯化镓热成像,其中温度被指定为颜色(黄色、棕色、白色=更热;蓝色、紫色和绿色=更冷)。γ

` <>`__9-18Account for the black, purple, and blue colors on the continent. Where is the coldest part of the Atlantic Ocean in this scene? What is responsible for the green band in that ocean? `ANSWER <Sect9_answers.html#9-18>`__

几处较深的蓝色阴影标志着冷水区。靠近底部,在一个浅蓝色的身体内,是一个绿色的曲线图案,代表着较温暖的湾流向北移动到纽芬兰的外滩。

1978年12月20日,佛罗里达以东的墨西哥湾流以及巴哈马、古巴和墨西哥湾周围水域的夜间热红外图像显示,海水中的热模式相当复杂。其中一些可能与海洋延伸部分的薄云覆盖有关。请注意,所有的陆地都是黑暗的(较凉爽),因此甚至很难找到巴哈马。

在一年中的不同时间拍摄的夜间热图像在色调上和温度上都会有很大的不同。看看这两张西地中海的夜间红外-HCMM图像,其中显示了意大利北部、撒丁岛、科西嘉岛、法国里维埃拉和一些阿尔卑斯山。注意主要区别。

HCMM image of the Mediterranean Sea and land taken on July 26, 1978.

HCMM image of the same area as above, taken on November 15, 1978.

在7月份的图片中,陆地几乎都比海水冷。在后者,细微的热模式,在某种程度上是由于不同地区的可变风造成的,是可见的。左侧较冷的灰色图案部分是由于罗纳河水进入地中海。海面上的黑色区域是冷云。11月的现场经过处理,显示出陆地上的温度变化。对比度拉伸将海水中较浅的色调集中为一个值,从而将较深的像素转变为强调较小温差的拉伸。在陆地上,海拔较高的地方较暗,山谷/低地较浅。

JPL运行HCMM来证明或进一步深入了解陆地卫星计划所处理的大多数相同学科的应用。成功调查的目标包括:

  • 制作有助于区分岩石类型和确定资源位置的热图

  • 测定植物冠层温度以确定应力和蒸腾作用

  • 监测季节和日循环期间的土壤含水量和变化

  • 精确定位天然和人造污水并观察水中的热梯度

  • 雪场重复覆盖径流预测

  • 城市热岛效应与当地气候变化的相关性

为了评估HCMM所能完成的两个地质实例,我们首先再次转到死亡谷区域,现在扩展到HCMM颜色组合以覆盖更广的区域。在这一版本中,乐队被赋予了这些颜色:白天红外=蓝色;白天可见=绿色;夜晚红外=红色。正如JPL的AnneKahle所解释的,许多岩石单元可以通过不同的颜色区分为不同的组。但是,事实上,一个岩群可能包含几种岩石类型或类别,地质学家认为它们在组成和性质上有明显的不同。

巴伐利亚州的Rupert Haydn博士制作了一个引人入胜的特殊产品,其中死亡谷陆地卫星场景(此处裁剪仅显示西北60%)来自TM 4图像(i),与TM 6热图像(h)和HCMM Day红外图像(s)相卷积。括号中的这些字母指的是一种不同的制备颜色复合材料的方法,称为IHS系统,其中三种原色被分配给派生的强度(i)、色调(h)和饱和度(s)参数。

同样,红色代表热,蓝色代表冷,黄色和绿色代表中间温度。与热红外多光谱扫描仪图像一样,冲积扇显示为红色,一些盐沉积为蓝色和绿色,某些Playa层显示为黄色。

现在,考虑一下这一由Anne Kahle和她的同事在喷气推进实验室开发的HCMM数据地质应用的决定性例子。

研究区域位于加利福尼亚州莫哈韦沙漠东部,盆地和山脉地形与死亡谷地区相似,占据着主要景观。右上角的彩色图像是一个主要组成部分,使用四个陆地卫星多光谱扫描仪波段。在右下角的地图中表示了颜色单位与野外绘制的岩石类型和矿床的相关性。特别令人感兴趣的是靠近中心的粗线条特征,包括玄武岩灰渣锥和相关的熔岩流出,被称为Pisgah火山口。相应的场景(左上角)由hcmm day-ir(蓝色)、night-ir(红色)和day-visible(绿色)组成,显示出相似性和不同之处。冲积层以蓝色清晰地显示,更多的硅质火山岩以红色出现。来自Pisgah火山口的熔岩流现在似乎由两个单元组成,PCA产物中分离不良:具有类pahoehoe(ropy)结构的玄武岩和具有(煤渣)结构的玄武岩。

在3-6微米和8-14微米区域运行的传感器已经在许多气象卫星上运行了40年。这将在第14节中得到更具体的考虑。现在,这里是从GOES-11卫星(2000年春天发射)拍摄的一系列图片,显示了北美西部。在2000年6月10日的序列中,四个通道被表示为:1)可见(一般云分布);2)3.9微米(良好森林火灾探测器);3)6.7微米(水蒸气);4)12微米(云甲板)。

GOES-11 image of the western U.S. as seen by Channel 1 (visible).

GOES-11 image of the western U.S. as seen by Channel 2 (3.9 µm).

GOES-11 image of the western U.S. as seen by Channel 3 (6.7 µm).

GOES-11 image of the western U.S. as seen by Channel 5 (12 µm).


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