植被冠层热辐射方向性建模及组分温度反演

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1、密级:博士学位论文植被冠层热辐射方向性建模及组分温度反演作者姓名：卞尊健指导教师:柳钦火研究员中国科学院遥感与数字地球研究所肖青研究员中国科学院遥感与数字地球研究所杜永明副研究员中国科学院遥感与数字地球研究所学位类别:理学博士学科专业:地图学与地理信息系统培养单位:中国科学院遥感与数字地球研究所2018年6月Modellingthermal-infrareddirectionalbrightnesstemperaturesandinversionofcomponenttemperaturesovervegetationcanopiesAdissertation/thesiss

2、ubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinCartographyandGeographicalInformationSystemByBianZunjianProfessorLiuQinhuoSupervisor:ProfessorXiaoQingAssociateProfessorDuYongmingInstitutedofRemoteSensingandDigitalEarth,Chin

3、eseAcademyofSciencesJune2018中国科学院大学研究生学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。作者签名：日期：中国科学院大学学位论文授权使用声明本人完全了解并同意遵守中国科学院有关保存和使用学位论文的规定，即中国科学院有权保留送交学位论文的副本，允许该论文被查阅，可以按照学术研究公开原则和保护知识产权的原则公布该论文的全部或

4、部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。涉密及延迟公开的学位论文在解密或延迟期后适用本声明。作者签名：导师签名：日期：日期：摘要摘要地表温度是地-气系统中能量收支和水循环等物理过程重要的驱动参量，广泛应用于气候变化、灾害监测、城市规划和军事侦察等领域。遥感方法可以实现区域和全球尺度上地表温度的反演，但是现有的地表温度产品精度仍存在较大不确定性，未考虑地表热辐射方向性。地表热辐射各向异性是地表非均质非同温特性造成的，对其建模是实现地表温度角度效应归一化的有效手段。目前，已有的热辐射方向性模型存在的问题包括：1）建模时没有考虑植被聚集指数；2）现有的大多数

5、热辐射方向性模型只能进行瞬时模拟，需要地表组分温度作为输入；3）目前仍旧没有一套完善的角度效应归一化方法用于地表温度产品的业务化运行。热辐射方向性模型的不足，也限制了组分温度反演的发展。针对上文提到的问题，本文以植被冠层热辐射方向性为研究对象，从建模和反演两个方面开展了研究。论文的主要工作和成果如下：（1）基于机载红外多角度观测，提出了叶片、光照土壤和阴影土壤的温度反演方法。在解析辐射传输模型FR97的基础上，引入光照土壤和阴影土壤的可视比例计算组分有效发射率，结合贝叶斯优化算法，反演了叶片、光照土壤和阴影土壤的温度。地面测量和遥感反演结果均表明土壤光照和阴影部分的温度差异达

6、5°C。反演方法间对比发现三组分的温度反演方法比两组分的温度反演方法更准确，而且比四组分的温度反演方法更稳健。（2）提出了考虑植被聚集指数的四组分热辐射方向性模型。在（1）的基础上，将三组分的FR97模型拓展到四组分。随后，基于植被的空间分布特征引入植被聚集指数。与TRGM模型模拟结果和地面测量数据对比表明：考虑了植被聚集指数后，拓展的FR97模型可适用于行播作物和离散森林场景；考虑了叶片光照和阴影部分的温度差异后，拓展的FR97模型对热点的模拟比三组分的FR97模型更准确。（3）构建辐射传输与能量平衡的一体化模型。由于复杂地表的温度分布难I植被冠层热辐射方向性建模及组分温度

7、反演以基于试验方法准确获取，因此本文将3维辐射传输模型（TRGM）与能量平衡方法耦合，进行地表温度分布和冠层方向亮温的协同模拟。基于机载WIDAS红外多角度数据对该模型进行了验证，结果表明：在浓密玉米冠层，模拟的亮温角度效应与测量结果间的决定系数大于0.6，均方根误差小于0.32°C。（4）基于可见光、近红外波段与热红外波段数据的回归关系，提出了地表亮温角度效应归一化半经验方法。由于卫星热红外观测信息和地面先验知识的局限，已有的多数热辐射方向性模型难以应用于卫星数据处理。引入可见光、近红外波段数据和模型