被动微波遥感反演地表温度研究进展

热红外遥感技术在地表温度反演中已经获得了丰厚的果实,反演精度可达到1 K,然而,大气中云雾和尘埃对热红外遥感探测地表温度影响很大,限制了热红外遥感反演地表温度的应用.相反,被动微波遥感受大气干扰小,可穿透云层获取地表辐射信息,并具有全天候、多极化等特点,在地表温度反演中具有独特的优越性.但是微波信号也受多种因素的影响,其反演地表温度的算法目前尚不成熟,有待进一步研究.根据不同微波辐射计特征,系统讨论并评估了被动微波反演地表温度的经验模型、物理模型以及半经验模型及其发展过程,指出目前研究的难点和缺点,为今后相关研究提供参考.     

田块尺度作物辐射温度获取方法对比研究

热像仪的优势在于可以获得组分辐射温度,常用于地面温度同步测量实验中,其数据与植被覆盖度联合还可以得到作物田块尺度的平均辐射温度。以黑河流域进行的星—机—地遥感综合观测试验加密观测——盈科绿洲玉米地的热像仪和手持式红外辐射计温度测量数据为基础对不同采样方式获得的地面辐射温度进行对比。对于热像仪数据:①采用阈值法对热像仪影像中的玉米和土壤背景两组分进行分离,获得了各自辐射温度的平均值;②利用LAB彩色变换法处理同步拍摄的真彩色照片,获得每块玉米样地的植被覆盖度;③最终结合组分温度和植被覆盖度求得地块平均的辐射温度。经过实验对比发现,由热红外图像计算获得的地面平均辐射温度与手持式红外辐射计垂直垄或顺垄条带采样获得的地面平均辐射温度差值较小,基本在±1℃以内,而3种测量方式的最大值、最小值相差较多。还模拟了几种常见尺度下利用手持式红外辐射计进行随机采样时,其采样平均值以不同的置信度处于真实温度±0.5℃之间所对应的采样次数。分析表明,基于点测量的采样方案难以仅利用1~2台手持式红外辐射计实现对田块或更大尺度平均辐射温度的准确测量,高时空采样频率是保障地面辐射温度测量精度的前提,与遥感像元尺度相匹配的地面真实性检验需要...     

利用MODIS数据反演沙漠化地区地表温度的简化模式——以陕西北部地区为例

利用MODIS数据可见光波段、近红外波段和中红外波段,获得提取地表温度所需要的2个基本参数：地表比辐射率和大气透过率;然后对热红外波段b31、b32运用劈窗算法提取出陕北地区地表温度;并利用两种不同经验公式参数得出的结果与相应位置气象观测站观测的卫星过境时刻的地表气温进行比较。结果表明,劈窗算法简化模式能获得较准确的地表温度,符合陕北地区的实际地表状况,印证了应用该简化模式可以在大范围内快速实时监测地表温度。     

阜平县地表温度遥感反演及其空间特征研究

以阜平县为研究区域,基于Landsat 8遥感影像和ASTGTM2 DEM数据,利用辐射传输方程法反演地表温度,运用统计学方法分析地表温度与归一化植被指数(NDVI)、海拔和坡向之间的关系.结果表明:阜平县地表温度整体呈西高东低分布,地表温度与植被覆盖、地形要素之间的关系密切,地表温度高值区域主要分布在研究区西部和东北部海拔较高且NDVI值较高区域,低值区域主要分布在东南部海拔较低且NDVI值较低区域.地表温度随海拔和NDVI的升高逐渐减小,呈现明显的负线性相关;不同坡向的地表温度分布具有一定的差异,阳坡的地表温度高于阴坡.     

基于DEM的单窗算法及山区地表长波净辐射的计算

地表温度和长波净辐射是地表能量平衡中两个重要的能量项。首先对单窗算法应用于山区的可行性进行了分析,然后依据DEM和大气温度、湿度轮廓线对地表气温和湿度进行空间上的插值。在计算出每个像元上的气温值和湿度值基础上求算出单窗算法所需要的两个主要的大气参数分布图——大气平均作用温度分布图和大气透过率分布图,从而将单窗算法推广应用于地形起伏悬殊的山区,以计算各个高程上的地表温度。通过建立基于DEM的山地热辐射传输模型,计算每个像元来自于周围地形的热辐射分量,引用大气向下长波辐射公式计算其分量,并依据长波辐射平衡方程计算山区各个像元的长波净辐射。     

基于MODIS数据的石羊河流域地表温度空间格局

利用2010年4期MODIS影像, 基于植被指数、 地表比辐射率、 大气透过率和星上亮度温度, 采用分裂窗口算法, 反演石羊河流域不同季节地表温度并对其进行验证. 结果表明: 石羊河流域四季地表温度变化明显, 昼夜温差很大, 其中, 春季温度分布在-13.45~29.27℃之间; 夏季温度分布在-3.75~56.29℃之间; 秋季温度分布在-10.15~32.67℃之间; 冬季温度分布在-17.15~12.75℃之间. 从地表温度空间分布上看, 在武威、 民勤、 古浪等绿洲地区地表热量丰富, 水土和植被效应显著, 热量呈圈状空间递减趋势; 在下游地区腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠地区夏季温度最高, 祁连山东端的石羊河上游地区由于受常年积雪、 河流、 地表植被和海拔等因素影响地表温度较低. MODIS数据为宏观小流域热环境监测提供了新的途径, 且将遥感数据和地表下垫面数据相结合能提高反演精度.     

ERA-Interim地表温度数据集在青藏高原冻土分布制图应用的适用性评估

地表温度综合反映了大气、植被和土壤等因素的能量交换状况, 是冻土分布模型和一些寒区陆面过程模式的上边界条件, 对多年冻土分布制图和活动层厚度估算有重要意义. 为了评估ERA-Interim 地表温度产品在青藏高原地区的适用性, 综合比较了青藏高原69个海拔2 000 m以上气象站1981-2013年地面实际观测值与ERA-Interim之间的差异及其分布状况. 结果表明, 两种资料的变化趋势一致, 但是ERA-Interim地表温度在数值上与实际观测值差别显著, 平均偏低7.4℃. 原因之一可能是由ERA-Interim再分析资料格点的海拔高度与气象站实际海拔高度差异引起的. 根据两种温度产品之间海拔的差异, 对ERA-Interim地表温度重新进行模拟, 经过模拟后的ERA-Interim地表温度与实际观测值的差值在大部分气象站变小, 平均偏高0.4℃. 因此, 经过重新模拟的ERA-Interim地表温度基本能够反映青藏高原地表温度的真实情况. 以模拟后的ERA-Interim地表温度作为地面冻结数模型的输入参数模拟了青藏高原冻土分布, 结果表明青藏高原多年冻土区面积为1.14×10⁶ km², 季节冻土区面积为1.43×10⁶km².     

地表温度反演的数值方法

陆地表面温度(LST)是区域和全球尺度上陆地表面物理过程的一个关键参数,它综合了地表和大气相互作用以及能量交换的结果。研究地表温度对全球能量平衡的研究有着重要的意义。地表温度反演以地表热辐射传输方程为基础,直接求解辐射传输方程是不可能的,也就是说它是不适定的。因此要采用一系列的数值计算方法来求解。主要介绍了几种方程解算的非线性数值方法,并阐述了其大致过程及优缺点。     

青海湖流域瓦颜山湿地辐射平衡和地表反照率变化特征

利用2014年5月至2015年11月青海湖流域瓦颜山湿地观测的辐射资料,综合分析了辐射相关因子的变化特征。结果表明：瓦颜山湿地总辐射和净辐射的最大值都出现在7月,最小值都出现在12月;大气长波辐射最大值出现在8月,最小值出现在12月;地面长波辐射最大值出现在7月,最小值出现在2月。阴天对总辐射和地面反射辐射削弱作用比较明显,对大气长波辐射增强作用明显,对地面长波辐射和净辐射的影响季节差异性很大。瓦颜山湿地地表反照率的年均值为0.26。在无积雪覆盖条件下,地表反照率在冻结期明显大于消融期,最大值出现在12月。夏季地表反照率均值为0.185,略小于下垫面同为草甸的青藏高原唐古拉站。在暖季,土壤水分也是影响高寒湿地地表反照率变化的重要因子,随着表层土壤含水量的增加,地表反照率随之减小。     

基于时间序列的地表温度反演:以松江河地区为例

为研究同一地区不同时相的地表温度受植被和地表状况等因素影响后,其温度变化程度的差异,以Landsat 5 TM和Landsat 7 ETM+热红外数据为数据源,采用辐射传输方程法分别反演了松江河地区12个不同月份的地表真实温度,并分析出现稳态温度异常地段的影响因素,计算12个月的温度反演结果的均值和方差。结果表明:1平均值图像中的温度异常区域与绝大部分时相图像的温度异常区域十分相似,图像西北区域和中心区域出现较多温度异常。2方差图像中原系列图像中高温异常的区域,其方差也较大,即时间序列上温度波动较大;原系列图像中植被覆盖度较高的区域,其方差较小,即时间序列上温度变化较为稳定。     

黄河源鄂陵湖地区辐射收支和地表能量平衡特征研究

利用2010年6-7月鄂陵湖野外试验的近地层观测数据,分析了在不同天气条件下黄河源鄂陵湖地区辐射分量、地表能量分量、土壤温度和反照率的变化特征. 结果表明：不同天气条件下,辐射和地表能量各分量日变化差异较大,晴天、阴天和雨天的地表反照率依次递减,平均反照率约为0.21;观测期内,平均辐射贡献从大到小依次为向上长波、向下长波、向下短波、向上短波,日积分值分别为31.4 MJ·m^-2、25.6 MJ·m^-2、22.4 MJ·m^-2、4.2 MJ·m^-2,净辐射(12.5 MJ·m^-2)占向下短波辐射的55.7%;平均地表能量和土壤温度的变化幅度较晴天小,感热、潜热、0 cm土壤热通量的平均日积分值分别占净辐射的21.2%、43.1%、8.2%;平均土壤温度变化幅度随深度增加逐渐减小,浅层土壤温度峰值较晴天低2 ℃,深层土壤温度相差不大. 云和降水的扰动削弱了向下短波辐射,导致平均感热通量和0 cm土壤热通量的峰值比晴天小,而平均潜热通量的峰值大于晴天. 由于湖泊水体巨大的热容量和水分供应,鄂陵湖地区的气温日较差较小,地表温度变化幅度变小,附近地表温度升高缓慢. 鄂陵湖区的地表能量平衡中,潜热通量占主导,感热和地表土壤热通量次之. 研究结果有助于理解气候变化背景下黄河源区湖泊的能量水分循环过程,为促进该地区光热资源的合理利用和畜牧业的可持续发展提供数据支持.     

基于植被指数和土地表面温度的干旱监测模型

干旱是一种周期性发生的自然现象,其发生过程中有关参数如地表覆盖度、温度和土壤表层含水量等可以通过遥感的途径进行定量反演,而这些参数客观地反映了地表的综合特征。综述了运用遥感反演产品---土地表面温度和归一化植被指数在干旱监测中的应用前景和进展,分析了距平植被指数、条件植被指数、条件温度指数和归一化温度指数等干旱监测方法的优缺点,在前人研究的基础上,提出了条件植被温度指数的干旱监测模型,探讨了其应用前景。     

陆面模式CLM4.5在青藏高原土壤冻融期的偏差特征及其原因

利用中国区域地面气象要素数据集制作的大气强迫场驱动通用陆面模式CLM4.5（Community Land Model version 4.5）对青藏高原区域进行离线模拟试验,模拟结果与D66、沱沱河（TTH）和玛曲（Maqu）3个站点的观测资料以及GLDAS（Global Land Data Assimilation System）-CLM2模拟结果进行了对比,并分析了陆面模式对冻融过程中土壤温度和湿度模拟的偏差及其可能原因。结果表明：CLM4.5对土壤温度模拟较好（平均RMSE≈3℃）,而GLDAS-CLM2计算的土壤温度偏高,偏差较大（平均RMSE>6℃）,且其偏差大于CLM4.5,尤其在冻融期;CLM4.5能较好地模拟出冻融过程中土壤湿度季节变化,但土壤湿度的模拟值与观测值存在一定偏差（平均RMSE≈0.1 mm³·mm^-3）,GLDAS-CLM2不能反映出土壤湿度在冻融过程中的变化特征。CLM4.5的模拟偏差主要来自大气强迫场,而GLDAS-CLM2的偏差除了大气强迫场的不确定性外,还来自于模式冻融参数化方案的不完善。大气强迫场中的气温和降水对土壤温度和湿度的影响在冻融期和非冻融期表现不同。在非冻融期,土壤温度的模拟主要受气温的影响（r>0.6）,气温偏差对土壤温度偏差的贡献率大于50%;土壤湿度的变化则主要受降水的影响,降水偏差对土壤湿度偏差的贡献率为20%~40%。在冻融期,受土壤水热相互作用的影响,气温和降水对土壤温度和湿度的作用效果减弱;土壤湿度的变化受气温影响显著,其贡献率为10%~20%。陆面模式中冻融参数方案的不完善是冻融过程中土壤温度和湿度偏差的重要来源之一。     

青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式(Ⅲ):参数化方案

以物理过程分析为基础,根据野外实测资料设计了青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式中的大气辐射参数化方案,对直接太阳辐射、大气散射辐射、大气向下长波辐射参数进行处理,得到了较好的结果.在无云大气条件下,对直接太阳辐射透过率和大气散射辐射以太阳天顶角进行参数化;对大气向下长波辐射以大气等效辐射率及气温进行参数化;在云天条件下,基于晴阴比的云量参数化和基于气候资料的云天系数参数化都各有较好的效果.对土壤热通量的参数化方法和拖曳系数的取值问题进行了讨论,更完善的方法还有待于与实验测量工作相结合.     

热红外遥感的温度与发射率分离研究进展

热红外传感器测得的辐射亮度值是温度和发射率的函数,因此,对于热红外遥感反演地表温度,温度和发射率的分离是一个关键问题。总结了地表温度反演所取得的进展,综述了温度与反射率分离的几种主要方法,对比分析了各种方法的优缺点。最后,对地表温度反演的发展趋势进行了展望。     

遥感技术在陆面过程研究中的应用进展

探讨了当前陆面过程 (LSP)研究的特点 ,指出遥感在陆面过程研究中的应用以及陆面过程国际合作实验是突出的特点 ,进而对遥感技术的陆面参数获取、地表能量通量的计算以及与 LSP模式的结合研究及进展进行了综述。根据不同特征的地表参数选择光学遥感或微波遥感已成共识 ,而综合利用不同遥感数据获取同一种地表参数也已成为研究热点 ,当前及今后发射的携载多种遥感仪器的众多遥感卫星为此项研究提供了条件 ;遥感与 LSP模式的结合研究是遥感在陆面过程研究中深入应用的一个方面 ,国际陆面过程合作实验是这项研究的重要保证。     

大气下行长波辐射参数化模型的比较

利用甘肃黑河流域不同下垫面的近地面气象和辐射观测数据,对已有的12个晴天大气下行长波辐射参数化模型和8个云天模型进行比较.指出晴天情况下Idso模型和Dilley & Obrien模型最适用,但后者一定要进行系数校正,云天情况下Maykut模型误差最小.经过平均日变化分析表明,晴天模型能较好地抓住大气下行长波辐射的日变...     

基于MODIS卫星遥感图像数据典型地表发射率光学特性分析

地表发射率是热红外遥感中的重要参量,也是辐射传输中的重要参数。基于MOD11B1卫星遥感图像数据,利用HDF插件获取典型地表温度参数,具体包括沙地、黄土、草坪、江水、冰面和雪地。在ENVI Classic软件环境下,针对2015年12月至2016年8月不同区域、不同季节的典型地表进行6个热红外波段发射率数据获取,研究不同季节典型地表的发射率随波长以及温度的变化规律。研究结果表明：冬季典型地表发射率参数最高且变化范围小在0.02内。沙地的发射率数值平均在0.870~0.990之间;草坪、黄土和江水的发射率数值平均在0.910~0.990之间,冰面和雪地的发射率数值平均在0.965~0.985之间。草坪、沙地、黄土、江水、雪地和冰面地表发射率在波长3~5 μm范围内随温度成波浪型分布;草坪、江水、雪地和冰面地表发射率在波长8~12 μm范围内随温度不变化。     

基于HJ-1B卫星数据的疏勒河上游流域地表温度反演

地表温度是描述地表和大气之间物质交换和能量平衡的关键参数之一. 利用疏勒河上游流域2010年7月25日过境的HJ-1B卫星数据, 采用修正的Jimenez-Mufloz&Sobrino普适性单通道算法反演了疏勒河上游流域的地表温度. 与MODIS LST产品的对比验证表明, 该算法在研究区有较高的精度. 同时, 对不同土地利用类型的地表温度的分析表明, 土地利用类型不同, 其地表温度存在一定的差异, 其中, 稀疏草地的地表温度最高, 裸岩次之. 研究发现, 在河流和冰川区, 修正的单通道算法可能高估了表面温度. 同时, 对模型反演所需的关键地表参数的敏感性分析发现, 算法在一定范围(0~0.01)内对比辐射率不太敏感, 但超过该范围则变得非常敏感, 而对大气水汽含量比较敏感. 因此, 一定程度上, 地表比辐射率和大气水汽含量的精度对HJ-1B卫星数据反演地表温度的准确性起主要作用.