佳文赏析 | 地表温度热红外遥感反演的发展趋势和未来研究方向

转自公众号赛杰奥

地表温度是表征地表过程变化的重要特征物理量，是研究地表与大气之间物质和能量交换､气候变化等方面不可或缺的重要参数，涉及众多基础学科研究。遥感是高时效准确获取区域或全球尺度地表温度的唯一手段。 如何从遥感获取的热辐射信息中定量反演地表温度是遥感科学界公认的难题。

▲ 红外辐射传输方程示意图

Ii是在大气顶部接收到的通道i 的辐亮度，路径①表示经大气衰减之后的近地表处辐亮度，路径②和③分别表示上行大气辐射和上行大气散射太阳辐射，路径④表示地表自身发射辐射，路径⑤和⑥分别表示经地表反射的下行大气辐射和下行大气散射太阳辐射，路径⑦表示经地表反射的太阳直射辐射

在国家自然科学基金重点项目“全天候长时间序列观测角度和时间归一的地表温度遥感反演方法研究” 的支持下，笔者对地表温度热红外遥感反演开展了深入系统的研究，以期提高地表温度热红外遥感反演的精度与水平，推动热红外遥感的进一步发展。《地表温度热红外遥感反演方法》（段四波，李召良，范熙伟著. 北京:科学出版社，2018. 11）为相关研究任务成果的总结。本书首先介绍了与热红外遥感相关的基本理论和概念，以及地表温度热红外遥感反演的国内外研究进展；其次阐述了考虑气溶胶和高空薄云影响的地表温度反演方法；再次介绍了现有地表温度热红外遥感反演产品和地表温度产品的时间归一化方法；最后展望了地表温度热红外遥感反演的发展趋势和未来研究方向。

本文分享该书对地表温度热红外遥感反演的发展趋势和未来研究方向的展望。 

在全球尺度上精确获取地表温度在许多领域的研究中都起到了关键作用，包括地球表面水和能量平衡，陆地生态系统中物质和能量交换，以及全球气候变化等研究。 近年来，一些学者已经提出各种各样的方法来从多光谱或者多角度热红外数据中反演地表温度。 多光谱数据提供的光谱信息有限，因此，所有方法都依赖于辐射传输方程的近似，以及不同的假设和限制，以此解决反演自身的病态问题。 在某些情况下，这些近似､假设和限制条件可能并不正确。 因此，用户必须考虑传感器的特性､需要的精度､计算的时间､大气温度和水汽廓线的可用性，以及地表比辐射率，来选择最佳的从空间中估算地表温度的方法。 虽然最近几十年从多光谱热红外数据中估算地表温度有了显著的进步，但如果在遥感数据的获取上没有创新的话，估算地表温度的方法将不会再有明显的进步。 为了克服多光谱数据的缺陷，从根本上提高从空间反演地表温度的精度，有必要在遥感领域探索新的想法，开辟新的道路。

与多光谱热红外传感器相比，高光谱热红外传感器有几千个通道，因此，高光谱热红外传感器更易于获取大气和地表的参数。 大量的窄波段通道可以提高大气探测的分辨率(Chahine et al. ，2001)，并获得用来进行大气校正的大气的特征。 大气窗口内测量的高光谱热红外数据可以提供更多详细的地表信息，特别是连续的比辐射率光谱，而不是多光谱数据中离散的比辐射率值。 另外，它还能提供更多合理的假设和限制，从而将地表温度和比辐射率分离开。 这些优势驱动着定量遥感和其他相关学科的发展，利用高光谱热红外数据分离地表温度和比辐射率，以及大气廓线和大气校正中大气特性的反演将成为定量遥感未来的研究热点。

未来的发展还可以着眼于使用多光谱和多时相热红外数据相结合的方法来提取地表温度，该数据可以从新一代静止卫星上的多光谱传感器上获得，如SEVIRI，GOES 和FY-2 系列。 静止气象卫星可以提供每日的覆盖数据，并且至少每小时都能以固定的观测天顶角对地表进行扫描。 除了两温法､日夜温度无关波谱指数法和日夜双时相多通道物理反演法需要在白天和夜晚进行两次测量以外，其他所有方法都基于多光谱数据，并且不需要考虑时相信息。 因此，利用多光谱和多时相热红外数据中的多时相信息来反演地表温度是非常吸引人的。

▲ 中纬度夏季模型在45°观测角度下的大气透过率

目前绝大多数可用的地表温度反演方法都是在晴空条件下由极轨卫星提供的多光谱数据瞬时反演的，没有适合所有天气状况的长期的地表温度产品。 考虑到对被动微波和热红外数据的补充，未来必须发展起一个基于物理的模型，来从被动微波数据中反演出地表温度，以及一个有效的结合不同地表温度的模型，其中地表温度是从热红外和被动微波卫星数据中反演得到的，以此产生各种天气条件下的高空间分辨率的地表温度。

由于极轨卫星搭载的传感器固有的扫描特性，相同的极轨卫星在某一特定地点不同时间反演的地表温度，或者在不同的地点相同时间反演的地表温度，与观测时不同当地太阳时和观测天顶角是相符的，更别说从不同极轨卫星反演的地表温度。 地表温度随着时间和观测天顶角的变化而变化，不同时间反演的同一像元，或者相同时间反演的不同像元的地表温度并不具有可比性，这也极大地限制了地表温度产品的应用。 为了解决这些问题，包括角度归一化和时间归一化的一系列地表温度模型必须发展起来，以生产适用于所有天气条件下的长期的､时间和角度归一化后的持续的地表温度产品。

未来的研究应该集中在以下内容上，以此提高基于空间测量的地表温度估算精度：

▋ 高光谱热红外数据同步反演地表温度､比辐射率和大气廓线的方法

▋ 用新一代静止卫星的多光谱和多时相数据同时反演地表温度和比辐射率的方法

▋ 非均匀像元的组分温度反演

▋ 从被动微波数据，以及热红外数据和被动微波数据的结合反演地表温度的方法

▋ 地表温度角度归一化的方法

▋ 新的高光谱热红外成像仪

▋ 利用卫星数据反演地表温度的物理意义和应用

▋ 利用卫星反演地表温度的验证

本文摘编自《地表温度热红外遥感反演方法》（段四波，李召良，范熙伟著. 北京:科学出版社，2018. 11）一书“第八章 展望”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-059394-8

责任编辑: 张井飞 李秀伟 白 丹

全书共分8 章。 第1 章主要介绍了热红外遥感相关的基础理论和概念；第2章介绍了均质同温地表和非均质非同温地表条件下的地表温度与比辐射率定义；第3 章阐述了晴空条件下地表温度热红外遥感反演方法，包括在比辐射率已知和在比辐射率未知条件下的地表温度反演方法；第4 章系统分析了气溶胶对地表温度遥感反演的影响，阐述了考虑气溶胶影响的地表温度反演方法；第5 章系统分析了卷云对地表温度遥感反演的影响，阐述了考虑高空薄云影响的地表温度反演方法；第6 章介绍了现有的地表温度热红外遥感产品及其反演算法；第7 章阐述了全天晴天和部分晴天情况下地表温度产品的时间归一化方法；第8 章给出了相关总结，并展望了地表温度热红外遥感反演的未来工作。

（本文编辑：刘四旦）

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资料来源 | 赛杰奥

排版 | 张敏

责任编辑 | 梁龙武

审核 | 任宇飞 王冠 王波涛

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