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

Knowledge of land surface temperature (LST) at global scale is of crucial for the researches such as the Earth surface water and energy balances, material and energy exchange in terrestrial ecosystem, and global climate change and so on. On the basis of previous research results and analying the limitations and weaknesses in the estimate of LST, this project aims to integrate the advantages of optical and passive microwave remote sensing, and to develop an integrated model for retrieving LST, emissivity and atmospheric temperature and moisture profiles simultanously from hyperspectral thermal infrared satellite data, as well as a physic-based model for retrieving LST from passive microwave remotly sensed data. Considering that the pixel temperature retrieved from different polar orbit satellite data (even the same polar orbit satellite data measured within two continuous days) has different local observation times and different observation angles, the retrieved LST products accordingly are not comparable, which limites significantly the applications of LST products. To address these issues, this project devotes to develop a series of LST models, including angluar normalization, temporal normalization, and effective fusion model of LSTs retrieved respectively from thermal infrared and passive microwave satellite data, and to produce finally a consistent land surface temperature for all-weather conditions from combined thermal infrared and passive microwave data onboard polar satellite. Results obtained in this project can provide accurate and reliable LST products to meet the government's requirements of responding to the global climate change and major natural disaters and so on.

准确获取全球尺度地表温度信息是地球表层水热平衡和陆地生态系统物质与能量交换及全球气候变化等研究中的关键一环。鉴于不同极轨卫星获取的像元温度具有不同的局地观测时间和观测方向，即使同一极轨卫星相邻两天获取的同一像元温度也具有不同的局地观测时间和观测方向，导致极轨卫星获取的地表温度产品之间缺乏可比性，严重限制了现有地表温度产品的实际应用。本研究在分析前人研究成果与存在问题的基础上，集合热红外遥感和被动微波遥感各自的优点，建立热红外超光谱地表温度、地表比辐射率和大气温湿廓线一体化反演物理模型、被动微波地表温度反演物理模型、极轨卫星地表温度产品角度归一化模型、极轨卫星地表温度产品时间归一化模型、被动微波地表温度产品与热红外地表温度产品融合模型，最终生成全天候的、长时间序列的、观测角度和时间归一化的、高精度的地表温度产品，为国家应对全球气候变化和重大自然灾害预警提供科技支撑和数据服务。

项目针对目前地表温度遥感反演方法上的不足，集合极轨与静止卫星、热红外遥感与微波遥感、多光谱与超光谱各自的优点，进行了方法上的改进和创新。在多光谱热红外方面，改进了地表温度分裂窗遥感反演算法，建立了考虑气溶胶和高空薄云以及大气逆温影响的地表温度遥感反演模型，并针对最新极轨卫星Landsat8和FY-3卫星数据发展了地表温度遥感反演算法，使地表温度的反演精度在1K以内；在超光谱热红外方面，改进了现有地表温度和发射率分离的分段线性法，发展了高发射率地物地表温度遥感反演方法，并构建了超光谱热红外地表和大气参数一体化反演方法，实现了地表温度、发射率和大气参数的一体化反演；在被动微波地表温度反演方面，建立了两通道水平极化亮温差反演大气可降水模型和基于亮温和大气可降水量的被动微波地表发射率估算模型，发展了利用18.7GHz和23.8GHz的亮温来反演地表温度的物理模型，使地表温度的反演误差降低到4 K以内；在热红外地表温度与被动微波地表温度融合方面，根据辐射传递理论推导出了适合于被动微波的有效深度模型，建立了像元内有云部分被动微波地表温度与无云部分热红外地表温度之间的有效融合模型；在地表温度时间归一化方面，改进了现有的温度日变化模型，建立了考虑天与天之间温度连续变化的时间归一化模型，构建了上午10:00-12:00时间段内地表温度随局地太阳时间线性变化的温度归一化方法，消除了极轨卫星地表温度产品因局地观测时间差异而存在的不可比性问题；在地表温度角度归一化方面，构建了非同温像元方向性热辐射模型，提出了一种从白天多角度中红外和热红外数据中反演地表方向性发射率和等效温度的D-TISI模型。项目最终实现了全天候、长时间序列、观测角度和时间归一的高精度地表温度遥感定量反演，并生成了中国区域的地表温度产品。共发表科技论文66篇，其中SCI论文43篇，EI论文16篇，CSCD论文7篇，获得国家授权专利8项。项目取得的研究成果将对地表能量平衡和全球变化等研究具有重要意义。