基于能量平衡的作物冠层热辐射方向性模型

The land surface temperature of thermal infrared remote sensing observation is a rapid changing physical quantity. In the construction process of multi angle thermal infrared band data collection, the differences in different observation time often bring more errors masking the angular effect. While the existing directional thermal radiance models are the instantaneous models, and cannot meet the demand of thermal infrared satellite data processing. The goal of this project is to build a directional thermal radiance model based on the energy balance. This new model will include a radiance transmission modular to calculate each component’s solar radiation interception and thermal radiation, estimate the net radiation of each component, based on the principle of energy balance, An iteration algorithm will be designed to get the temperature profile of the vegetation canopy and canopy beneath the soil, and thus calculate the direction the thermal radiation of the soil-vegetation system. The model will be able to simulate directional radiation distribution which is continuously changing with time, and can improve the accuracy of the current satellite thermal infrared multi angle data processing; The new model will also be able to simulate temperature profile, instead of the three component temperature (light soil / shadow soil / leaf) hypothesis, more close to the real situation, so as to improve the precision of the simulation of directional thermal radiation.

热红外遥感观测的地表温度是随时间快速变化的物理量。在构建热红外波段的多角度数据集过程中，不同观测时刻带来的差异常常掩盖了角度效应引起的差异；而现有的模型假设组分温度已知，是瞬时模型，不能满足热红外卫星数据处理的需求。本项目的目标是构建一套基于能量平衡的作物冠层热辐射方向性模型。该模型通过内置一套计算各个组分对太阳短波辐射的拦截和长波热辐射在冠层内部传输的模块，估算出各个组分的净辐射，依据能量平衡原理，通过迭代算法得出植被冠层的温度廓线和冠层下方土壤的温度分布，从而计算出土壤-植被体系的方向性热辐射。该模型的优势在于：具备模拟热辐射方向性分布的随时间连续变化的能力，可以提高目前热红外卫星多角度数据处理的算法精度；具备模拟温度廓线的能力，代替三组分温度（光照土壤/阴影土壤/叶片）假设，更接近真实情况，从而提高方向性热辐射的模拟精度。

项目的背景：经过20多年的发展，植被方向性热辐射模型已经发展出了辐射传输模型，几何光学模型，计算机模拟模型和混合模型。但是这些模型的出发点都是已知组分温度，而且与短波辐射的分布相对独立。如何将短波辐射在冠层内部分布考虑进热辐射模型中，需要将能量平衡原理应用到冠层内部的组分温度中。.项目主要的研究内容是构建一套基于能量平衡的作物冠层热辐射方向性模型。该模型通过内置一套计算各个组分对太阳短波辐射的拦截和长波热辐射在冠层内部传输的模块，估算出各个组分的净辐射，依据能量平衡原理，通过迭代算法得出植被冠层的温度廓线和冠层下方土壤的温度分布，从而计算出土壤-植被体系的方向性热辐射。设计实验对模型的精度进行验证。并且对模型进行简化，探讨模型的应用潜力等。.项目取得的重要结果是：项目在单点尺度和像元尺度分别建立了考虑能量平衡的热辐射方向性模型TRGMEB模型和RAPIDEB模型，该模型通过计算长短波辐射在冠层内部的分布，从而计算出各个面元的净辐射，通过迭代优化算法得到各个组分的温度，从而得到冠层的方向性热辐射。TRGMEB模型是完全三维的计算机模型，它使用严格的辐射度计算，具有高度的模拟精度，但是代价是运算速度较低，且占据较大内存，不适宜于大场景的模拟。RAPIDEB模型解决这个限制。RAPIDEB模型在牺牲了较小的精度为代价，使用浑浊介质体的概念代替了逐个叶片的场景假设，大大提高了运算效率，降低了内存负担。.基于这两个模型，我们在应用上做了两个方面的延伸，一个是探讨了组分温度反演算法，使用黑河区域飞行的机载AMTIS多角度红外数据，探讨了三组分温度反演的精度。二是利用机载多角度红外数据，讨论了地表上行辐射估算算法中热辐射方向性的影响和改进方法。.项目圆满完成了当初设定的目标，取得的成果有望在地表温度角度校正，地表长波辐射估算，地表能量平衡等方面得到应用。