基于被动微波遥感的全天候地表温度反演方法研究

As one of the essential surface variables in the Earth’s system, land surface temperature (LST) plays a key role in controlling the balance of water-heat exchange of matter and energy at the surface-atmosphere interface. Due to the capacity of penetrating non-precipitating clouds, passive microwave radiation signal can provide LST information under nearly all-weather conditions, which can effectively overcome the defect of thermal infrared remote sensing. Due to the strong influence of land surface characteristics on the microwave radiation,as well as the lack of definite microwave radiation transfer mechanism for several land cover types,no mature LST products based on the passive microwave remotely sensed data are available at present. The study aims to make full use of the observing ability of passive microwave remote sensing under all-weather conditions, by deeply understanding the radiative transfer theories in specific land covers, model parameterizations, parameter optimization and dimension reduction, and authenticity testing, to develop a physical algorithm for retrieving LST under all-weather and all land cover conditions from passive microwave remotely sensed data.

地表温度是地球表层系统一个重要参数，承担着陆表与大气水热交换桥梁的作用，对全球水热平衡和陆地生态系统物质与能量交换具有重要的意义。微波遥感可以穿透云层，弥补热红外遥感在有云情况下无法获得地表温度的缺憾，成为解决这一难题的有效方法。然而由于被动微波辐射受非均一地表影响较大，对部分地类的辐射传输机理研究不够深入，同时云层和除去云层之外的大气对进入传感器的地表微波信号也并非完全透明，对该影响的准确刻画仍是需要深入探讨和亟待解决的难点,所以目前仍无成熟的地表温度产品。本项目旨在充分利用被动微波可穿透云层获取地表辐射信息的能力，从典 型地类独有的微波辐射特性出发，通过全天候大气数据定量分析、微波辐射传输机理分析、模型参数化、参数优化降维以及真实性检验等研究手段，建立适用于全天候的被动微波地表温度物理反演模型，实现区域尺度地表温度的全天候反演，为气候、水文、生态等相关研究领域提供有效参数。

被动微波由于其能够穿透云层甚至一定程度的雨区获取地面辐射信息，在获取云下地表温度方面具有良好的发展潜力和空间。考虑到以辐射传输方程为基础的地表温度反演方法在典型区域存在大气影响机制不明确、发射率物理机理不清晰和反演精度较差等问题，本项目通过全天候大气数据定量分析、微波辐射传输机理分析、模型参数化以及遥感数据反演等研究手段，最终实现了全天候被动微波地表发射率和地表温度的遥感反演。项目首先评估了各种再分析大气廓线产品所衍生的大气参数的精度和适用性，阐明了AMSR-E不同微波频率下大气参数的变化规律及其相关关系，及其对微波地表温度反演的影响和敏感性。通过提出一种晴空条件下K波段地表发射率估算方法和全天候被动微波地表发射率估算方法，实现了AMSR-E微波发射率的瞬时反演，进一步阐明了不同地类覆盖状态下发射率间的内在关系，为实现被动微波地表温度反演奠定基础。进而，通过假设相邻微波通道发射率存在线性关系，以被动微波大气效应分析和大气参数模拟及参数化为着眼点，推导和提出了一种高效的被动微波地表温度物理反演模型。同时，考虑到单一卫星数据难以反演到兼顾时间分辨率和空间分辨率的地表温度产品，项目以MODIS地表温度产品为基础，协同空间降尺度和时空数据融合机制，提出了一种粗分辨率地表温度时空分辨率锐化算法。研究结果表明：研究提出的全天候地表发射率估算方法能够成功地恢复受云层污染的图像间隙问题，具有清晰的空间纹理信息；基于模拟数据库构建的地表温度反演算法具有较好的反演精度，能够实际应用于遥感数据产品。通过以上研究，本项目实现了被动微波地表温度和地表发射率的遥感物理反演，实现了预期的目标，对于土壤湿度、地表蒸散发和其他物理参数定量反演及应用具有重要的科学意义和实际价值。