非均质场景热辐射方向性核驱动模型研究

Land surface temperature is one of the key parameters in the physics of land surface processes from local through global scales. It is the key input parameter of the application of crop drought monitoring. Neglecting the problem of thermal radiation directionality is a bottleneck to further improve the accuracy of land surface temperature. Kernel driven models received more and more attention because of its good accuracy and high practicability. However, the existing thermal infrared kernel driven models did not fully consider the characteristics of thermal infrared radiative transfer process which leads to serious error in the brightness temperature simulation of continuous vegetation canopy. This project intends to evaluate the accuracy of existing kernel driven models, and separate the angle dependent quantity (kernel) and the angle independent quantity (kernel coefficient) based on the directional thermal radiation physical model. After the construction of three kernel driven model (isotropic kernel, volume kernel and geometric kernel) with considering the mechanism of thermal infrared radiation transfer process, its fitting capability over homogeneous and heterogeneous scenes will be analyzed. We will try to propose a new heterogeneous kernel to express the shielding effect of boundary, and try to achieve accurate brightness temperature simulation of heterogeneous scene with the new four kernel model. Then, we will propose the upward longwave radiation estimation algorithm with the consideration of thermal radiation directionality, and some application work will be performed with the thermal infrared multi-angle dataset from satellite network.

地表温度是区域及全球尺度地表物理过程的关键参数，是作物干旱监测等应用中的重要输入参数。对热辐射方向性问题的回避是制约地表温度产品精度进一步提高的瓶颈之一，热红外核驱动模型因为能兼顾准确性与实用性而受到广泛关注，但现有的热红外核驱动模型均未充分考虑热红外辐射传输机理，在连续植被的方向亮温模拟中仍存在显著误差。本项目拟在评估现有热红外核驱动模型精度的基础上，从热辐射方向性物理模型出发，进行角度相关量（核）与角度无关量（核系数）的分离，首先构建考虑热红外辐射传输机理的三核（各向同性核、体散射核及几何光学核）核驱动模型以提高对均质场景的拟合精度。进一步分析三核线性核驱动模型对典型非均质场景的拟合误差，尝试新增一个考虑边界遮挡作用的非均质核，构建四核模型以实现非均质场景热辐射方向性的准确模拟，提出卫星尺度的考虑热辐射方向性的地表上行长波辐射估算实用算法，并基于热红外卫星组网多角度数据集开展应用研究。

地表温度是区域及全球尺度地表物理过程的关键参量，对热辐射方向性的回避严重制约了地表温度及上行长波辐射遥感产品的精度。半经验半物理的核驱动模型兼具准确性与实用性，具备在卫星尺度校正遥感产品热辐射方向性的潜力。本项目深入评估了现有三参数热红外核驱动模型在连续和离散植被冠层的精度，发现其严重低估热点效应的现象；基于热红外建模与可见光近红外建模的机理差异，建立了“各向同性核+几何光学底核+几何光学顶核”的四参数热红外核驱动模型通用框架，并提出了4个实例化核驱动模型，解决了热点效应低估的问题；进一步分析了四参数模型在非均质垄行植被冠层拟合精度低的原因，基于垄行植被热辐射方向性物理模型推导了非均质核KimesPorous，将KimesPorous核替换通用框架内的几何光学底核，即可实现非均质场景热辐射方向性的高精度模拟（R2>0.95），并创新了非均质场景近地面多角度观测的实验方法；建立了多时相核系数之间的物理关联，提出了卫星尺度可考虑热辐射方向性的地表上行长波辐射估算实用方法，适用于单颗静止卫星、两颗静止卫星、多颗极轨卫星三种驱动条件，发布了基于GOES静止卫星的考虑热辐射方向性的地表上行长波辐射产品，首次实现了热辐射方向性模型在地表上行长波辐射估算研究中的落地应用。项目发表SCI论文20篇、EI期刊论文5篇、会议论文5篇，授权发明专利1项，培养博士生3名及硕士生1名，全面完成了预定的研究内容，达到了预定的研究目标，所取得的研究成果将有力推动热红外定量遥感理论与应用的发展。