第四章 熱像儀輻射率定
第二節 熱像儀輻射率定實驗結果
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圖4-3 感測溫度與真實溫度差異折線圖
上述溫度差異可視作輻射改正模型，因此可設定熱像儀各位置對應之 改正值。為驗證輻射改正模型，本研究曾在不同的環境下，拍攝相同的實 驗物體(木板)，蒐集所得之感測溫度，直接使用輻射改正模型改正其溫度 值，並比對表面溫度計量測之溫度，使用輻射改正模型之前後，溫度如表 4-2 所示。
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圖4-4 改正前後輻射誤差折線圖
圖4-4 中，藍色折線代表熱影像在輻射改正前，熱像儀感測溫度與真 實溫度之差值，青色線為其平均值；紅色折線代表熱影像在輻射改正後，
熱像儀感測溫度與真實溫度之差值，粉紅色線為其平均值。在輻射改正前，
熱像儀所感測之溫度與使用表面溫度計量測到之真實溫度差異平均值為 1.21°C，經過輻射模型的改正後，兩者差異的平均值降為 0.3°C，圖 4-4 中青色線與粉紅色線的間距，即為輻射模型所改善之系統誤差部份，在改 正前後的均方根誤差(Root-Mean-Square Error, RMSE)則由±4.57 下降為
±1.65，經由這項輻射改正，確能降低熱像儀在輻射方面之誤差，本實驗所 降低之誤差幅度為(4.57-1.65)/4.57≒64％。
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第五章 熱影像的綜合特性探討
本章說明在使用熱影像時，熱影像所展現的綜合特性，包含在使用面 陣列熱像儀拍攝近景熱影像時，可能出現之高差位移與熱影效應。在熱影 像上，這些現象可展現熱影像的幾何與輻射特性，因此本章列示拍攝到之 熱影像，並說明這些熱影像所展現的綜合特性。
第一節 高差位移
在地物上空，垂直拍攝地表時，地物在高程上的差異，會讓其在影像 上的位置移動，這種影像位移稱作高差位移(Relief Displacement)，如圖 5-1 所示(Wolf and Dewitt，2000)。高差位移會影響物體在影像上的幾何，在判 釋遙測影像時，需要考量高差位移造成的影響。
圖5-1 垂直影像的高差位移(Lillesand et al., 2008)
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算之地物點高程，H 為由基準面起算之感測器高程(Wolf and Dewitt，2000)。
以往衛星載臺使用點式橫掃瞄的熱像儀，拍攝到的熱影像上會呈現一
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圖5-3 熱影像之高差位移
圖5-3 是使用面陣列熱像儀，垂直拍攝數個盛有熱水的水杯所得到的 熱影像。由圖上可以看出水杯在各個方向所呈現出的高差位移，是以像主 點為中心的二維放射狀高差位移。
在圖5-3 中，幾個溫度較高的水杯(右上、右下、左下)在地面產生了 熱影，除了水杯本身有高差位移之外，熱影同樣呈現出二維的高差位移，
然而其高差位移的方向與水杯本身高差位移的方向相反，呈現出朝向像主 點分佈。假如依照式(21)計算，則熱影的高程將小於基準面，也就是低於 影像中地面的高程，此現象與熱影本身之特性有關，如次節所討論。
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狀(Lillesand et al., 2008)。衛星或航空搭載的感測器拍攝之熱影像上，也常 發現類似的陰影，其成因為地物遮蔽太陽光，使得地表在陽光照射區域與 地物遮蔽區域的明顯溫度差異所致(Lillesand et al., 2008)。使用手持式熱像 儀拍攝近景熱影像時，尚有一種可能會干擾判釋的熱影，以下分別說明熱‧ 國
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故在地表上，熱影效應並不需要特定溫度閾值，也不侷限在特定溫度區間 的環境內。圖5-5 展示幾張不同對象的熱影效應。
(a) (b)
(c) (d)
圖5-5 不同物體所展現之熱影。(a)行人在路面上留下熱影，在不同類型 的路面上分別留下了明顯程度不同之熱影。(b)動物的熱影。(c)植物的熱 影。(d)金屬製的水溝蓋在牆面上留下熱影。
由圖5-5，可以看出熱影的一些特性，首先是熱影的形狀與原物體大 致保持一樣，但如反射面粗糙程度較大，如圖5-5(a)中，行人站在柏油路 上，柏油路面上之熱影呈現模糊不清的情況，反而不如距離較遠的紅磚路 面上之熱影清晰。其次是熱影所顯現出的溫度數值受多種因素影響，多數 熱影所顯示的溫度略低於物體本身，如圖5-5(a)與 5-5(b)；但也有熱影本 身顯示溫度高於物體的例子，如圖5-5(c)中樹木的熱影在影像上的顯示溫 度即比樹木本身高；其他也有熱影溫度與物體溫度類似的情況，如圖 5-5(d)，水溝蓋的熱影與本身的顯示溫度差異不大。
圖5-6 可以說明物體溫度與熱影溫度高低關係的原因，在一般情況
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下，由於反射面會吸收部份輻射能量，使得熱影在熱影像上的亮度值低於 物體本身的亮度值，但在特殊情況下，例如反射面本身處在高溫狀態時，
受反射的輻射能量加上反射面本身放射出的能量，會使熱影在熱影像上的 亮度值高過物體本身，例如圖5-7 為使用熱像儀拍攝中午時刻位於金屬車 蓋上的手掌與其熱影，由於金屬車蓋已長時間曝曬在陽光下導致其本身的 高溫，因此在金屬車蓋上反射手掌的輻射能量，加上自身輻射的能量令熱 影在影像顯現最高的亮度值。
圖5-6 熱影與反射面溫度關係示意圖
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圖5-7 溫度高於物體本身之熱影
以往在衛載熱影像上，熱影不易顯見，可能原因為：(1)地表面的放射 率較大，使得地物放射的輻射能量大部分為地表所吸收，而較少反射。(2) 衛載影像大多為近垂直拍攝，導致地物放射的輻射能量，經過地表反射至 感測器的角度太小，使得熱影極不明顯。(3)衛載感測器與地表之距離，較 手持式熱像儀拍攝近景影像遠甚多，使得熱影效應更加不明顯，此外，由 於衛載感測器上熱波段的空間解析度較差，也使得熱影在影像上難以辨識。
根據熱影是物體的輻射能量受到反射所致，因此熱影在熱影像上的亮 度受下列因素影響：(1)物體本身的溫度：物體本身溫度越高，其所放射的 輻射能量也越強，自然受到反射的能量也會增強，使熱影像上熱影的亮度 增加。(2)反射面的溫度及放射率：反射面本身亦會輻射能量，這些能量加 上反射外部的輻射能量成為熱影，因此作為反射面物體的溫度越高，熱影 的亮度亦會提高；此外反射面的材質也會影響熱影的變化，不同的材質意 味著不同的放射率，而由前述文獻提到在熱紅外波段中，放射率與反射率 呈現此消彼長的關係，放射率越低的物體，反射輻射能量越高，使其在影 像上顯示的熱影有較高的亮度。(3)拍攝角度：經過實驗後發現，使用熱像
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圖5-8 熱影溫度折線圖
圖中的折線依照反射面材質排列，由上而下依序為鋁板、不鏽鋼板、
玻璃、瓷磚、紙以及木板，從圖上的數值變化，可得到以下兩個推論：(1) 扣除掉0°較極端的情況，非金屬材質反射面上的溫度曲線隨著俯角的降低 而提高，當俯角越接近0°，即熱像儀越接近地面時，溫度曲線上升的程度 也變得較大，經過分析後發現，非金屬反射面上熱影的溫度與俯角的csc θ有高度相關。(2)使用金屬材質的反射面與非金屬材質的反射面，對熱影 的溫度變化有相當重大的影響，代表放射率對於熱影的形成也有重要的關 係。
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常大的差異(Aluminum, foil: 0.05; Aluminum, polished: 0.08; Aluminum, paint: 0.55)。表5-2 物質在波長為 8-14μm之放射率(Jensen, 2007) Surface Material Emissivity, ε
Water, distilled 0.99
Water 0.92-0.98 Water with petroleum film 0.972
Concrete 0.71-0.90 Asphalt 0.95 Tar/stone 0.97 Loamy soil, wet 0.95
Soil, sandy 0.90 Brick, red and rough 0.93 Vegetation, open canopy 0.96
Grass 0.97 Wood, planed oak 0.90
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Deciduous forest 0.97-0.98 Coniferous forest 0.97-0.99
Stainless steel 0.16 Aluminum, foil 0.05 Aluminum, polished 0.08 Aluminum, paint 0.55
Polished, metals 0.16-0.21 Oxidized steel 0.70
Granite 0.86 Dunite 0.78 Basalt, rough 0.95
Snow 0.83-0.85 Paint 0.90-0.96
Human skin 0.98
影響物體放射率的因素有很多種，包含(1)物體表面的粗糙度，(2)物體 的氧化程度，(3)物體的含水量與(4)物體的溫度等等(Danov et al., 2007)。另 外也有文獻說明放射率還受到其他因素影響，包含顏色、化學成份、緊密 度(Compaction)以及感測器視角等(Schmugge et al., 2002; Weng et al., 2004)。由於影響放射率的因素很多，這些因素且大多難以控制，因此物質
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體的放射率，Tkin為物體的真實動態溫度(True Kinetic Temperature)。假設 Mb=σTrad4，以及Mr=Mb，則可推導得出：‧
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