Synchronous retrieval of land surface temperature and emissivity

This is an old topic for more than ten years to retrieve land surface temperature (LST) from satellite data, but it has not been solved yet. At first, people tried to transplant traditional split window method of sea surface temperature (SST) to the retrieval of LST, but it was found that the emissivities of land surface (ε_i) must be involved in atmospheric correction. Then many different formulas appeared with assumption of emissivities known. In fact, emissivities of land surface with pixel size cannot be known beforehand because of various reasons, so in recent years the focus of attention has been transferred to retrieving emissivities (ε_i) and LST at the same time. Therefore, we have to solve missing equations problem. For this some people try to introduce middle infrared information, but new problems will be brought in which means that it is very difficult to describe middle infrared BRDF of targets with high accuracy and the scattering of atmospheric aerosol cannot be ignored. Therefore a different way is offered to solve this problem only using two thermo-infrared bands data based on three assumptions, constant emissivities in two measurements, and the same atmospheric parameters for neighbouring pixels and the difference of emissivity (Δε) of two channels can be known beforehand. Results of digital simulations show that it is possible to retrieve LST with its root mean square (RMS) of errors less than 1 K and RMS of relative error of ground radiance at 7% if the error of atmospheric temperature at ± 2°C and the relative error of atmospheric water vapor at ± 10% can be satisfied. Results have been confirmed by initial field test. Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 49471056) and China’s National Key Basic Research Plan.     

LABORATORY STUDY ON MICROWAVE REMOTE SENSING OF GROUND TRUTH

In order to improve the interpretation of the earth system microwave remote sensing, the research of microwavespectrum characteristics of the ground truth (earth objects) was carried out in laboratory. A laboratory formicrowave remote sensing of the earth objects has been constructed to improve the remote sensing level, thelaboratory consists of four parts: the measuring system of dielectric constants, the microwave emissivity meter,the microwave reflectometer and the microwave remote sensing simulation experiment in field. In this paper,the principle of measurement, the correction of near field process, the structure of instrument, the calibrationmethod and the measurement of the earth substances, including soil, water and oil, are discussed. The labora-tory may supply the condition for measuring the parameters of thc earth substance remote sensing and help tointerpret the remote sensing data.     

近10 年我国地表比辐射率的时空变化

基于Terra-MODIS L3 级产品MOD11C3,得到2001-2010 年10 年我国地表比辐射率时空数据集。结果表明,我国地表比辐射率最小的区域是西北沙漠地带,该区域比辐射率一年四季变化不大、分布范围固定。东北地区和北疆地区、青藏高原地区、长江中下游和华东华南地区等区域比辐射率变化明显。冬季,东北地区、北疆地区地表比辐射率比较大。青藏高原地区11 月-次年3 月维持在一个中低比辐射率水平,其他月份比辐射率则呈现增大趋势。长江中下游、华东、华南和四川盆地地区的比辐射率7-10 月减小,其中8 月份面积达到最大。低比辐射率区(0.6163~0.9638)、中低比辐射率区(0.9639~0.9709)、中比辐射率区(0.9710~0.9724)所占面积都不大,分别维持在20%、10%、20%左右;中高比辐射率区(0.9725~0.9738) 所占范围最大,达到我国陆地面积的40%~50%,且变化十分明显,表现出明显的波峰、波谷变化,春季和秋季是波峰、夏季和冬季是波谷;高比辐射率区(0.9739~0.9999) 面积变化也很明显,冬季是一个明显的波峰,面积可达10%,而其他季节则维持在1%、2%以下。我国地表比辐射率时空分布与温度之间呈现一定的相关关系,比辐射率越高、气温越低。     

从宽波段热红外图像反演组分温度的相关问题讨论——通道响应函数和比辐射率波段变化的影响

对于宽波段传感器,不一定能直接由普朗克定律或者斯蒂芬玻尔兹曼定律建立温度与辐射亮度的关系。在知道传感器通道响应函数和像元组分比辐射率波段变化的情况下,只要恰当地拟合出黑体温度和其宽波段热辐射的对应经验关系式,并计算一个通道响应函数加权平均的比辐射率,则从混合像元的宽波段多角度热红外观测仍可较准确地反演组分温度。以AMTIS为例,文中给出了两种拟合宽波段传感器亮度温度和辐射亮度之间关系的方式:一种是从斯蒂芬玻尔兹曼定律的形式出发的;另一种则是用普朗克定律,选择一个合适的波长,使得AMTIS传感器随温度变化的热辐射曲线和普朗克函数在某个波长处的热辐射曲线两者之间尽可能地平行。文中以两个例子说明了这两种方式在宽波段传感器组分温度反演中的应用和误差,分析了比辐射率波段变化对组分温度反演的影响。     

基于DISORT算法的冰川表面温度反演研究

考虑冰雪发射率受污染物、地形及冰雪中溶解水的影响,不同地区、不同季节冰川的表面温度存在较大差异。以青藏高原西昆仑山古里雅冰川为研究对象,基于MIE散射理论及DISORT算法,借助散射相函数计算二次散射光的方向分布,实现了DISORT辐射传递求解,并建立ASTER影像第10-14波段发射率估算经验公式。结果表明:ASTER影像的冰雪发射率估算值与美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室冰雪发射率实测均值相差不超过0.0058,水汽含量(云)距地面高度为0km状况下,ASTER第10-14波段发射率均值分别为0.9792、0.9799、0.9819、0.9920、0.9781,且ASTER影像发射率温度分离算法的冰雪估计误差约0.5℃。冰川表面温度与高程呈负相关。     

黄河三角洲Sentinel-3高精度时空连续海陆表面温度反演

海陆表面温度是理解全球变化与人类活动的关键参数。针对已有温度反演产品海陆边界时空不连续的问题,本文采用Sentinel-3海陆表面温度辐射计(SLSTR)光学与热红外影像,通过植被指数阈值法逐像元计算陆表与海表发射率,基于分裂窗算法反演得到黄河三角洲陆海表面时空连续温度产品。结合地面温度观测和欧洲中期天气预报中心提供的全球中等分辨率数值大气再分析产品,验证了本文陆海温度产品(均方根误差优于1.1K)反演精度高于现有公开的全球产品,可为全球时空连续温度产品反演提供参考。     

作物冠层的热红外辐射传输模型

通过在辐射传输方程中添加热发射项的方式 ,直接把一个常用的可见光波段的冠层模型———SAIL模型改造成热红外波段模型。该模型与Hapke公式相比能更准确地计算多种农作物冠层的热红外辐射特性 ,并能方便地作为一个基础模块融合到其他更高层次的热红外辐射模型中去     

宽波段热红外方向性辐射建模

温度和发射的常规定义均是针对均匀同温的物体,但陆地表面通常是既不同温又不均匀,热辐射的方向性不可忽略。在一个概念模型的基础上,把复杂的不同温度地表分解为若干均匀同温的组分,建立宽波段热红外方向性辐射模型,并针对一个不同温的叶子冠层进行了建筑及反演的实现研究。对反演结果的统计分析表明,此模型有较高的抗噪声能力,能冠层顶部及底部温度的先验预测值存在２Ｋ偏差,观测噪声等效温差（ＮＥ△Ｔ）为０．２９ＫＪＦ     

地面热红外发射率的天顶角变化效应

文中着重研究了自然地表面的红外辐射的方向特征 ,实地测量了发射率随观测天顶角的变化 ,分别对卫星资料反演地面温度和地面辐射测量作出红外发射率的观测天顶角修正 ,两者比较的结果表明 ,发射观测天顶角修正在精确地面温度的反演计算中不可忽视 ,尤其在大角度观测情况下 ,对某些地物发射率方向特征的修正比发射率本身的修正更重要。     

利用ATSR/ERS-1资料研究复杂下垫面比辐射率的变化

一定精度地表温度的取得不仅依赖于较好的大气订正,而且还取决于比辐射率随波谱及角度变化的知识。利用AVHRR植被指数资料,参数化了星下点的比辐射率值,得到了对于包括沙漠、绿州、戈壁等不同类型的复杂下垫面上的星下点比辐射率的值。结合ATSR的双角度技术,计算了复杂地形条件下前向地表比辐射率,给出了一种利用ATSR资料获得有关地表比辐射率信息的新方法。