广义地表热辐射方向性计算机模拟研究进展

地表温度反映了地球表面的能量变化与交换过程,是研究地球科学的一个重要指标。地表的几何结构和组分温度差异是地表热辐射在不同方向上存在差异性的主要原因,因此,大部分陆面都存在不同程度的热辐射方向性。介绍了广义热辐射方向性计算机模型的研究方法和研究现状,并从模型特点、模拟对象、模拟精度和时间复杂度等方面对常见模型进行评价,评述了耦合气候模型和地表热辐射方向性模型进行热辐射方向性研究中的应用情况,指出该领域尚未解决的问题并对未来的研究方向进行了展望。     

城市区域热辐射方向性研究进展

城市是陆地生态系统中极为重要的地表覆盖类型,把握其热辐射特征对于研究城市地表能量平衡和城市热岛具有积极的意义.相对于自然地表,城市区域表现出更为显著的热辐射方向特征,但这方面的研究直到近年来才开始发展起来.对城市区域的航空遥感和地表观测试验均揭示,城市区域热辐射方向性与太阳-地面目标-传感器几何关系、城市形态与结构、地面目标物理性质等密切相关.同时,为描述城市区域热辐射方向性,辐射温度三维格局模型、几何模型以及辐射传输模型都相继建立起来.从热辐射方向性的试验观测、模型建立及其与城市热岛关系等角度入手,系统回顾了城市区域热辐射方向性的研究进展,并对已经取得的研究成果进行了总结.最后,指出了尚待解决的问题及今后应着重研究的方向.     

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。     

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。     

基于地面观测的异质性下垫面像元尺度地表温度模拟研究进展

遥感反演的地表温度是研究全球气候变化和区域水分与能量交换的关键参数,准确获取地表温度对诊断地球环境变化意义重大。然而在异质性下垫面,像元尺度地表温度相对真值获取困难,导致遥感反演的地表温度的不确定性难以准确评估,影响了遥感反演的地表温度的深入应用。梳理了基于地面观测数据的异质性下垫面像元尺度地表温度模拟研究进展,依据模型是否构建真实空间分布,归纳了修正几何投影模型、真实结构三维模型和其他模型等,并对比了几种模型的优缺点。最后,指出了异质性下垫面像元尺度地表温度模拟中尚待解决的问题,并探讨了以后的研究方向。     

卫星遥感地表温度的真实性检验研究进展

地表温度是多种地表过程模型的输入参数,遥感反演地表温度是估算区域及全球尺度上地表辐射平衡和能量收支的关键手段。对遥感地表温度开展真实性检验有利于客观评价其精度和稳定性,对遥感地表温度的反演及应用都具有重要意义。简单回顾了通过遥感手段反演地表温度的基本原理和常用方法。回顾并分析了基于实测地表温度的检验方法、基于辐亮度的检验方法、交叉比较以及时间序列分析4种典型地表温度真实性检验方法的优缺点。在此基础上,重点总结了地表温度直接检验方法中地面观测数据获取方法、检验对象,分析了直接检验中的不确定来源。最后,对地表温度真实性检验中存在的问题进行了讨论。     

最大熵增地表蒸散模型:原理及应用综述

精确估算地表蒸散一直是地球系统科学中的难点问题。经典的蒸散模型大多建立在水汽输送及能量平衡约束等基础上,相关的基础理论研究进展缓慢。最大熵增地表蒸散(E-MEP)模型是在综合借鉴贝叶斯概率论、信息熵概念、非平衡态热力学理论和大气边界层湍流相似性理论的基础上,建立的全新地表蒸散理论框架,克服了经典模型的主要缺陷,包括:离散梯度模型不满足能量守恒条件,Penman模型针对饱和土壤,Penman-Monteith模型需要率定经验参数等。E-MEP模型具有3个显著特点:①同时给出地表(包括水面、雪面和冰面)蒸散量、感热通量和介质表面热通量,且在所有时间空间尺度上满足能量平衡方程;②模型公式中没有可调经验参数,不依赖于温度梯度和水汽梯度变量,不需要输入风速和表面粗糙度;③适用于任何土壤含水量和植被覆盖条件。由于E-MEP模型建立在坚实的数学物理基础上,并具有解析表达式,简单易用,其输入变量和模型参数少于传统蒸散模型使用。地表辐射、表面温度、表面比湿等模型输入变量易于实地观测获取,且可通过遥感反演获得。检验分析表明,E-MEP模型优于Penman和Penman-Monteith等传统蒸散模型。这一全新的地表蒸散模型已被用于大尺度地表水热的遥感反演和过程监测,并用于改进气候模式的参数化方案。     

考虑页岩纹层与裂缝网络的延长组页岩多尺度三维地质结构模型

现场调查表明,砂质纹层、凝灰质纹层和天然裂缝广泛地存在于陆相页岩储层中。本文对鄂尔多斯盆地页岩储层中的纹层和天然裂缝进行了多尺度研究,并构建了三维地质结构模型。首先,基于二维裂缝现场调查,利用蒙特卡罗模拟方法建立了研究区域的三维裂缝网络模型。然后通过多种观测手段获得由宏观尺度到微观尺度的纹层结构特征。对多尺度纹层厚度的统计分析表明,米级、分米级、厘米级、毫米级和10微米级等不同研究尺度下的纹层平均厚度分别为2.26 m,2.09 dm,1.70 cm,1.48 mm和11.7 μm,呈现出分形特征,分形维数为1.06;不同研究尺度下的单层厚度均服从负指数分布规律,即各研究尺度下厚度越大的纹层,其层数越少,反之越薄的纹层其数量越多。最后,根据上述纹层平均厚度及概率分布函数特征,建立了页岩的多尺度纹层结构模型,并将其叠加在裂缝网络模型上,生成不同尺度下的页岩三维地质结构模型。模型输出的裂缝、纹层参数与研究区域的真实地质参数有着较好的对比验证。这项研究工作可为页岩气储层的水力压裂数值模拟和物理模型试验提供更可靠的地质模型。     

蓄满—超渗兼容水文模型的改进及应用

在介绍蓄满—超渗兼容模型理论和自由水箱模型理论的基础上,针对其各自的结构特点和产流机理,对二水源蓄满—超渗兼容水文模型进行改进,模型能反映地表径流、壤中流和地下径流的动态变化,可应用于洪水预报、水情模拟、水资源开发和利用等。并将模型应用于伊河流域栾川站,采用单纯形法、罗森布瑞克法及基因法联合自动优选法对模型参数进行了率定,并与原模型进行了比较分析,结果表明,改进模型模拟精度高,且能反映不同径流成分的变化过程。     

植被FAPAR的遥感模型与反演研究

FAPAR是遥感估算陆地生态系统植被净第一性生产力(NPP)的重要参数。FAPAR模型是否能真实反映植被冠层吸收光合有效辐射状况,将直接影响遥感估算植被NPP和碳循环的准确性。从FAPAR机理出发,考虑土壤反射率、冠层结构、太阳入射角等多种因素,构建了全新的定量FAPAR反演模型,并分析了太阳天顶角、LAI、土壤背景等因素与FAPAR的关系。与蒙特卡罗模拟结果的对比和用地面实测数据的验证表明该模型拥有较高的精度。选择甘肃张掖盈科灌区为研究区,利用PROBA-CHRIS高光谱多角度数据反演得到了LAI和FAPAR,并用同步观测数据验证了反演结果。     

基于RS与GIS的北京市热岛研究

基于普适性单通道算法，利用2005年5月6日的TM数据反演北京市区的实际地表温度。在此基础上，分析了北京市区的热环境特征、热岛分布的位置。运用GIS空间分析工具，分析了地表温度与地形特征和地表覆盖类型之间的关系。结果表明，北京市热岛分布具有环状和带状分布特征，高程较低处和坡度较小处更容易形成热岛中心，不同地表覆盖类型的热特征具有显著的差异。     

基于热红外遥感的农田蒸散估算方法研究综述

农田蒸散是农田土壤蒸发和作物蒸腾的总称,基于热红外遥感的农田蒸散估算方法研究是农业遥感领域重要前沿课题之一。经过30多年的发展,基于热红外遥感的遥感蒸散算法逐渐成熟并广泛应用于农业、气象以及水文等多个领域。简要回顾基于热红外遥感地表温度与空气温度温差的经验方法、地表能量平衡的单层和双层模型、基于热红外遥感数据源的彭曼公式以及遥感参数化的Priestley-Taylor模型等多种遥感蒸散模型的基本原理、核心算法以及存在问题等研究。针对这些方法的优缺点,指出了基于热红外遥感的农田蒸散估算方法在农业遥感中尚需解决的关键问题,并提出可能的解决途径。     

全球变化与地表参数的定量遥感

从全球变化研究对遥感获取地表时空多变要素信息的需求 ,论述定量遥感中对地表多尺度空间信息作地学描述的新思路和新方法。在分析了变差图描述方法的特点及其不足的基础上 ,提出了直方变差图的概念 ,通过定义驻点和边界点 ,尝试采用直方变差图分解的方法分析地物空间分布规律 ,并通过一个实验对此方法进行了说明。进而基于对地表空间分布信息的提取 ,将可见光、近红外波段遥感信息用于热红外遥感的地温反演 ,利用地表空间结构和大气温度空间分布模式的差异 ,将热红外遥感图像分为地表贡献和大气贡献两部分 ,通过空间相关性分析 ,寻求从热红外遥感图像中直接分离出大气的空间分布模式的方法 ,以解决地温反演中面临的困难。已有的研究结果说明了在全球变化和定量遥感研究中 ,对地表多尺度空间变化信息作简洁的地学描述的必要性及其重要的应用意义。     

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。     

地表粗糙度参数化研究综述

粗糙度反映了地表的起伏程度,是许多陆面过程的关键影响因子。然而,人们对地表系统认识的不足,造成现有的各种地表粗糙度参数化方案均存在一定的问题。从地表测量技术、粗糙度相关参数和遥感研究3个方面对地表粗糙度参数化研究现状进行了综述。针式廓线法和激光廓线法是当前主流的地表测量技术,而三雏激光扫描和摄影测量技术已展示出了较大的潜力。基于统计方法和基于分形理论的粗糙度相关参数具有截然不同的物理意义,但地表复杂的多尺度特性使得很难用一类参数进行描述。光学遥感与微波遥感均具有广阔的前景,其中前者需要注意与经典粗糙度参数化方案相结合,后者则需拓展在下一代遥感平台上的技术与方法。还针对不同尺度粗糙度参数的比较与转换,地表粗糙度的空间异质性与各向异性,以及三维表面粗糙度参数化等当前地表粗糙度参数化研究中的一些关键问题进行了讨论。     

Landsat8卫星数据在安徽黄山汤口-寨西地热资源调查中的应用

遥感大数据分析与应用正成为地球信息科学领域重要的研究内容。利用热红外遥感技术进行地热异常信息的提取可以为地热资源勘查评价提供重要的依据。Landsat系列卫星数据拥有长时间的数据积累和较高的空间分辨率,是地表热环境时空序列大数据分析的重要数据。最新一代的Landsat8 卫星热红外数据在延续了较高分辨率的同时,敏感性更强,更加适合于对地表热环境空间分布进行精确分析。本文以安徽黄山汤口-寨西工作区为研究区,分别选用2016年12月9日Landsat8 的热红外遥感数据和2009年12月6日Landsat5 TM 数据,采用大气校正方法进行地表温度的反演和对比分析,通过密度分割分析提取地热异常信息,并综合遥感地质解译信息、气象、地形等数据,对工作区地热资源有利区进行了预测。结果表明：两个时相地表温度反演结果的空间分布基本一致,利用Landsat8 热红外数据的地表温度反演结果可以有效地获取地热异常信息,所圈定的地热异常较为合理,与工作区内主要的断裂构造分布一致,且和物探勘查和钻孔实验结果相对应,可以为地热资源勘查大数据分析提供重要的数据源。     

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.     

The relationship between land surface temperature and land use/land cover in Guangzhou,China

The integration of remote sensing, geographic information system, landscape ecology and statistical analysis methods was applied to study the urban thermal environment in Guangzhou. Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Normalized Difference Build-up Index (NDBI), Normalized Difference Barren Index (NDBaI) and Modified Normalized Difference Water Index (MNDWI) were used to analyze the relationships between land surface temperature (LST) and land use/land cover (LULC) qualitatively. The result revealed that, most urban built-up lands were located in the middle part, and high LST areas mostly and were in the middle and southern parts. Therefore, the urbanization and thermal environment in the middle and southern parts need to be determined. Land surface temperature increased with the density of urban built-up and barren land, but decreased with vegetation cover. The relationship between MNDWI and LST was found to be negative, which implied that pure water would decrease the surface temperature and the polluted water would increase the surface temperature. A multiple regression between LST and each indices as well as the elevation was created to elevate the urban thermal environment, which showed that NDVI, NDBI, NDBaI, MNDWI were effective indicators for quantifying LULC impacts on LST.     

Surface displacements due to batter piles driven in cross‐anisotropic media

This article derives the closed‐form solutions for estimating the vertical surface displacements of cross‐anisotropic media due to various loading types of batter piles. The loading types include an embedded point load for an end‐bearing pile, uniform skin friction, and linear variation of skin friction for a friction pile. The planes of cross‐anisotropy are assumed to be parallel to the horizontal ground surface. The proposed solutions are never mentioned in literature and can be developed from Wang and Liao's solutions for a horizontal and vertical point load embedded in the cross‐anisotropic half‐space. The present solutions are identical with Wang's solutions when batter angle equals to 0^°. In addition, the solutions indicate that the surface displacements in cross‐anisotropic media are influenced by the type and degree of material anisotropy, angle of inclination, and loading types. An illustrative example is given at the end of this article to investigate the effect of the type and degree of soil anisotropy (E/E′, G′/E′, and ν/ν′), pile inclination (α), and different loading types (a point load, a uniform skin friction, and a linear variation of skin friction) on vertical surface displacements. Results show that the displacements accounted for pile batter are quite different from those estimated from plumb piles, both driven in cross‐anisotropic media. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.