高空间分辨率城市地表温度遥感反演方法研究

The thermal infrared (TIR) remote sensing is considered as an important way to monitor urban heat environment. However, the current TIR sensors and their land surface temperature (LST) cannot detect the detailed information of urban surface because of their coarse spatial resolutions at the km- or hundred-meter scale. Moreover, the existed LST retrieval methods are mainly developed for the natural surface and therefore, do not explain explicitly the multiple scattering and adjacent effect from around pixels caused by the geometry of urban canopy, which consequently reduces the LST retrieval accuracy at urban surface. In order to solve this problem, this study will aim at developing new models and methods to improve the retrieval accuracy of urban surface temperature from the high-spatial resolution TIR imagery. .On basis of the Multiple-Spectral Imager (MSI, 40m and four channels in TIR) onboard Chinese Geofen-5 satellite, this study first plans to propose a new radiative transfer model at urban pixel scale with consideration on geometry effect of urban surface. According to the new model, we will develop a new algorithm to retrieve pixel equivalent temperature at the urban canopy level, and then remove the multiple scattering contribution and adjacent effect from such pixel equivalent temperature to generate the urban surface temperature. Finally, we will validate the new radiative transfer model at urban pixel scale and urban surface temperature result using multiple-scale datasets collected at ground and UAV level, respectively. The works from this study are expected to enhance the monitoring of urban heat environment using the high-spatial LST product.

热红外遥感是监测城市热环境的重要手段。然而，现有热红外数据与地表温度的空间分辨率多在公里级与百米级，难以满足对城市复杂地表的精细化监测。同时，现有地表温度反演算法主要面向自然地表，未充分考虑城市复杂结构对热辐射的多次散射作用和周围像元邻近效应，从而导致城市地表温度反演精度相对较低。为了改善这一困境，本研究将针对高空间分辨率热红外数据，致力于发展新模型和新方法以提高城市地表温度遥感反演精度。. 以高分五号全谱段成像光谱仪为主要数据源（40m，4个热红外通道），本研究将构建考虑城市几何结构的城市像元尺度热辐射模型；并以此为基础，发展城市像元等效温度遥感反演的新算法与消除城市像元多次散射、邻近效应的新方法，以最终获得城市像元表面温度。最后，将利用地面场景与无人机平台等多尺度观测数据验证城市像元热辐射模型与温度反演精度。研究工作将有望增强高空间分辨率地表温度产品对城市热环境的监测能力。

城市地表温度是进行城市热环境高效监测的重要数据，热红外遥感是当前获取大范围城市地表温度最直接、最重要的手段。然而，常用的热红外数据与地表温度产品的空间分辨率往往较低，难以实现城市热环境精细监测。同时，已有的地表温度反演算法多面向自然地表，将地表当作平面同温像元，未有效考虑城市三维几何结构对城市像元热辐射的影响，从而导致城市地表温度反演精度普遍较低。本项目针对高空间分辨率城市地表温度高精度反演这一关键问题展开研究，在城市热辐射建模与城市地表温度反演方法等方面形成了如下主要成果：. （1）构建了城市冠层热辐射传输新模型：引入城市天空可视因子，建立了考虑高分辨率城市像元三维几何结构多次散射和邻域像元热辐射贡献的城市冠层热辐射传输模型（UCM-RT），并在此基础上重新定义了热红外遥感可反演的城市像元等效温度和发射率。新模型揭示了城市几何结构效应对城市冠层有效辐射温度的影响为3.8K，对大气顶层亮温的影响为3K。新模型为发展高精度的城市地表温度反演方法提供了先决条件；. （2）提出了城市像元地表温度反演的系列新方法：以UCM-RT模型为基础，建立了适用于三维几何结构像元的新型城市地表温度与发射率分离算法（UTES）、劈窗算法和全遥感反演法。UTES和劈窗算法充分考虑了城市像元三维结构对反演算法的影响，将表征三维结构的关键因子作为反演算法的重要决定因素，消除了多次散射与邻近效应对城市地表温度的影响；全遥感反演法实现了无需输入外界发射率和大气数据的地表温度反演，突破了外界发射率和大气数据对多波段热红外遥感数据地表温度反演过程的限制，提高了城市温度反演算法的可行性。研究结果表明，相较于传统的平面像元地表温度反演算法，新方法将城市地表温度的反演精度提高1.4K，验证精度为0.9K。. 应用结果表明，考虑了几何结构和邻近效应的城市地表温度的空间异质性比已有的平坦模型地表温度更显著，可为城市热环境研究提供了更加精细的城市地表温度数据。本项目在遥感领域权威期刊Remote Sensing of Environment、IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing等发表第一标注SCI论文6篇，EI论文1篇。