辐射能量的强度和波谱分布的位置是温度的函数

，自然界任何高于热力学温度(Kinetic temperature

)的物体都不断地向外发射具有一定能量的电磁

波。其辐射能量的强度和波谱分布的位置是温度的

函数。随着温度的增加，总辐射能量将相应增加，辐

射能量的最大波长也将逐渐变短

第25卷第2期

2007年6月

 

干 旱 气 象

 

ARID METEOROLOGY

 

Vo1．25 N0．2

 

June，2007

文章编号：1006-7639(2007)一02—0017-05

 

引 言

 

热红外遥感反演地表温度研究现状

 

朱怀松 ，刘晓锰2，裴 欢

 

(1．新疆乌鲁木齐市环境信息中心，新疆乌鲁木齐830063；2．新疆乌苏市水利局，新疆乌苏833000；

3．南京大学国际地球系统科学研究所，江苏南京210093)

 

摘要：地球表面温度是一个重要的水文、气象参数，它影响着大气、海、陆之间的感热和潜热交换，是

诸多研究领域不可或缺的基础资料，精确定量反演陆面温度的成果将推动旱灾预报和作物缺水研究、

农作物产量估算、数值天气预报、全球气候变化和全球碳平衡等领域研究的进展。因此，利用卫星遥

感资料进行地表温度的反演已成为目前遥感定量研究中的重要任务之一。本文阐述了遥感反演地表

温度的原理及各种方法，对各种方法所要解决的关键问题及优缺点做了评述，最后展望了遥感反演地

表温度的发展趋势。

关键词：地表温度；单窗算法；劈窗算法；组分温度反演

 

中图分类号：P407．6 文献标识码：A

 

地表温度是监测地球资源环境动态变化的重要

指标之一，对水文、生态、环境和生物地球化学等研

究有重要意义。传统获取地表温度的做法是采用温

度计测量，所测的结果只代表观测点的局部温度，唯

有遥感可以提供二维陆面温度分布信息⋯，并且可

以快速同步地获取大面积区域地表温度。因此利用

卫星数据演算地表温度，探讨卫星热通道的理论及

其实际应用方法，已经成为遥感科学的一个重要领

域。热红外遥感记录的是地物发射的热辐射能量，

具有不破坏地表热力学状态的特点，用其反演陆面

温度早已被科学家重视，可以从1962年发射的rrI—

ROS卫星算起。由于热红外遥感本身较为复杂，如

地表发射率的测定、大气效应订正、温度与发射率的

分离以及非同温像元混合问题等，使得反演陆地温

 

度复杂了许多 J，精度也受到了限制。随着空间信

 

息技术的发展，遥感陆面温度的反演技术也取得了

很大进步，已发展出了多套地面温度反演方法。本

文介绍了地表温度遥感反演的原理及各种方法，并

对各种方法的优缺点及适用性进行了阐述，最后分

析了遥感反演地表温度的发展趋势。

 

1 遥感反演地表温度的原理

 

目前遥感反演地表温度的方法主要有传统的大

气校正法、单窗算法、劈窗算法。这些算法最基本的

理论依据是维恩位移定律和普朗克定律。从理论上

讲，自然界任何高于热力学温度(Kinetic temperature

)的物体都不断地向外发射具有一定能量的电磁

波。其辐射能量的强度和波谱分布的位置是温度的

函数。随着温度的增加，总辐射能量将相应增加，辐

射能量的最大波长也将逐渐变短。通常用Planck

定律来描述这种现象。根据Planck定理，黑体的光

谱发射特性可以表示为：

 

BA 卜 南(1)

 

式中B ( )是黑体辐射强度，单位为W ·m～ ·sr

 

·

 

～

 

，A是波长，c。和c：是辐射常数，C。=3．

7418×10一 W ·m～ ；C2=1．4387685×10 m ·K，

 

是温度，单位是K。

Planck函数给出了黑体辐射的辐射强度与温度

 

收稿日期：2007—03—19；改回日期：2007—05—07 ．

 

作者简介：朱怀松(1975一)，男，硕士研究生，工程师，主要从事地理信息系统应用和环境保护方面工作．

通讯作者：裴欢(1981一)，女，在读博士，主要从事遥感与地理信息系统应用研究．E—mail：1982197950@163．corn

 

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18 干 旱 气 象 25卷

 

和波长的定量关系。从(1)式可以看出，温度确定后，

由Planck函数可以确定辐射源的能量谱分布，进而

可以推算出物体的能量谱峰值的波长 I4 。反之，从

物体的能量谱分布及辐射强度也可计算出物体的实

际温度。这也是地表温度能被反演的理论基础。

 

2 遥感反演地表温度方法

 

从20世纪80年代至今，遥感反演地表温度经

历了20多a的发展，取得了很大成果，但地表温度

的精确反演仍然是当前研究的热点与难点之一，下

面对各种算法做一介绍。

 

2．1 单窗算法

 

单窗算法适用于只有一个热波段的遥感数据，

主要用于TM6数据进行地表温度反演。长期以来，

从TM6数据中演算地表温度通常是通过所谓大气

校正法，这一方法需要估计大气热辐射和大气对地

表热辐射传导的影响，计算过程很复杂，误差也较

大，在实际中应用不多。覃志豪根据地表热辐射传

导方程，推导出一个简单易行并且精度较高的演算

方法，把大气和地表的影响直接包括在演算公式

中 J。该算法需要用地表辐射率、大气透射率和大

气平均温度3个参数进行地表温度的演算。验证表

明，该方法的地表温度演算精度较高。当参数估计

没有误差时，该方法的地表温度演算精度达到0．4

℃，在参数估计有适度误差时，演算精度仍达1．1

oC。Jmenez—Munoz等提出了一种仅需知道大气水

汽含量即可反演地表温度的单窗算法 J。Sobrino J

A等用实测资料对传统的大气校正法和上述2种方

 

法的结果进行了验证，指出Jmenez—Munoz提出的

 

算法发射率的均方根误差仅为0．0009，地表温度的

误差<1 K⋯。毛克彪把针对TM影像的单窗算法

改进成适应于ASTER传感器的单窗算法，先对AS．

TER的13波段(10．25～10．95 m)和14波段(10．

95～11．65 m)的Planck方程进行线性简化，然后

用单窗算法分别对ASTE R的第13和14波段建立

方程，从而形成了针对ASTER传感器的单窗算法，

并对参数的获取做了简要的介绍_8 J。

 

2．2 劈窗算法

 

劈窗算法以地表热辐射传导方程为基础，利用

10～13 大气窗口内，2个热红外通道(一般为

10．5～1 1．5 m、11．5—12．5 m)对大气吸收作用

的不同，通过2个通道测量值的各种组合来剔除大

气的影响，进行大气和地表比辐射率的修正 。劈

窗算法主要是针对NOAA／AVHRR开发的，并被首

先运用到海面温度反演。经过20多a的发展，目前

公开发表的劈窗算法已经将近20个 。。。

2．2．1 分裂窗算法的一般形式

基于NOAA／AVHRR数据的分裂窗算法的一般

 

形式为：

= +A( 一 )+B (2)

 

式中 为陆面温度， 、 为AVHRR通道4、通道5

的亮温值，系数A、曰由大气状况及其它影响通道4、

通道5的辐射和透过率的有关因子决定，不同的分

裂窗算法有不同的A、日值 卜 ]。

Price首次将分裂窗算法应用于地表温度的反

演 ，他将地表看作黑体，且只考虑大气水汽的吸

收和散射，取系数B=0，表达式为：

 

=【 +3．33( 一 )】(5．5一 )

／4．5+0．75 A8 (3)

 

式中A8= 4一 5， 4、 5分别为AVHRR通道4和通

道5的地表辐射率。

Coil对Price提出的算法进行了改进，他引入了

地表比辐射率对 的修正，给出的系数曰是由大气

效应和地表比辐射率决定，然而系数A也仅是大气

状况的函数 14]。Franca和Cracknell的算法中，地

表比辐射率、大气吸收系数和水汽含量的影响直接

表现在系数A、曰的表达式中。Sobrino和Caselles

提出了表示系数A和曰的一种简化算法，在这一算

法中，A、曰直接表示为通道4和通道5的地表比辐

射率的函数，而大气效应则以常数表示_l 。

2．2．2 分裂窗算法的其它形式

劈窗算法的另一种常用表达式为(式中A。、A．、

A 是参数)：

 

= A0+A1 +A2 (4)

以这种形式为代表的方法有：Becker等、Kerretal、

Wan等，见表1。

 

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2期 朱怀松等：热红外遥感反演地表温度研究现状 19

 

表1 分裂窗算法的其它表现形式[is】

 

Tab．1 The other form of split—window algorithm

 

通过对大气向下热辐射的近似解和对Planck

辐射函数的线性化，Qin推导了他们的劈窗算法，该

算法仅需要2个因素来进行地表温度的演算。这一

算法有如公式(2)所示的一般形式，并且提出了地

表比辐射率和大气透过率的算法。该算法已在MO—

DIS数据中得到了广泛的应用 。

覃志豪对12种劈窗算法进行了对比并且对精

度进行了验证，指出Sobrino和Caselles、Franca和

Cracknell和Qin的地面温度演算误差<0．25 oC，表

明其演算精度远高于其它算法。由于Sobrino和

Franca的算法需要较多大气参数，可以认为Qin的

算法是一个较好的地面温度算法Ll。。。

2．3 组分温度反演技术

无论是单窗算法还是劈窗算法，它们都有一个

共同的缺陷，就是只把像元看成同温同质体，反演得

到的陆面温度只是像元的等效温度或平均温度。对

于复杂目标而言，像元内的组分温度才具有实用价

值，并且现有传感器的热红外通道问高度相关，不可

能获得稳定的高精度解，即使增加通道数也无济于

事Ll J，而且在目前传感器精度限制的情况下，热红

外通道问信息的高度相关会导致温度解不稳定，并

限制温度反演精度的提高 。因此热红外多角度

遥感数据的地表组分温度的反演逐渐发展起来。

李小文等向热红外遥感界的传统观点提出了挑

战，提出了一个能够描述不同温表面方向性辐射的

概念模型(LSF)。在此概念模型中，承认地表不再

是同温的物体，而是有不同的组分温度，同时构造了

等效发射率。这个等效发射率一部分由地表的二向

性反射分布函数BRDF决定，另一部分是由组分温

度的差别引起的等效发射率。LSF模型为不同温地

表热辐射的方向性建模奠定了基础¨ 。徐希孺等

提出了有效发射率模型、矩阵表达式等。这些模型

从概念上揭示了组分温度和温差的分布对像元热辐

射的影响，以及像元内各组分互为光源的特性，真正

从原理上阐明了地表热辐射方向性产生的机理 J。

刘强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，此模型适用于各

种类型的多层水平均匀植被并且可以计算组分的有

效发射率或发射率的多次散射增量 。范文捷等

根据热红外辐射矩阵表达式建立了组分温度反演的

矩阵方法，提出了“最优视角组合的方法” 。王

锦地、李小文等提出了一种在遥感反演中度量数据

空间和参数空间信息量的方法，研究应用多角度方

伺辐射观测数据对非同温像元组分温度的估计，提

出了多组分像元热红外辐射模型的线性反演方

法 。庄家礼等在连续植被热辐射方向性模型基

础上，采用遗传算法，从模拟和实测的热红外多波

段、多角度遥感数据中同时反演混合像元的组分温

度、叶面积指数等多维参数，为地表组分温度的精确

反演提供了一种新途径 J。李召良提出了一种用

ASTER数据分解土壤和植被温度的方法，利用同一

图像中观测得到的方向性辐射值分别反演了土壤和

植被的温度，并估算了大气状况和地表覆盖不确定

度对2个估测值的影响程度 J。

从上面各种地表温度反演算法的介绍可以看

出，地表发射率在热红外遥感反演陆面温度中起着

重要作用，关系着陆面温度的精确程度，目前估算地

表比辐射率的方法可归纳为3类：

(1)根据可见光和近红外的光谱信息，利用经

验和半经验公式来估计比辐射率，如建立地表发射

率和归一化植被指数NDVI之间的统计关系模

 

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20 干 旱 气 象 25卷

 

型 。 ：

 

(2)根据热红外光谱仪里最小比辐射率与最大

相对比辐射率之差的统计关系来确定比辐射

 

袁[29—30]．

 

—

 

t一 '

 

(3)假定比辐射率或者与温度无关的波谱指数

不变。利用多时相热红外数据来确定比辐率 。如

李召良根据2个通道与温度无关的波谱指数的概

念。并利用白天和晚上中红外和热红外的空间测量

值。提出了一种用于提取方向比辐射率的物理方法，

同时提出了一个用于描述反射率(或比辐射率)角

度变化的3参数现像模型 。

显然。方法(1)、(2)均没有完全考虑发射率的

变化，势必会对反演结果产生较大误差。方法(3)

物理意义明确，可以产生较精确的地表比辐射率。

 

2．4 各种方法比较

 

通过上述对各种地表温度遥感反演方法的对

比，可以看出单窗算法所应用的数据TM／ETM与多

通道NOAA、MODIS等数据相比，空间分辨率较高，

并且对地表发射率的敏感性较低，单从反演的技术

及精度来讲，具有较大优势，但如果反演大区域地表

温度则需要很大的资金投入。

分裂窗法是目前应用最广、最成熟的方法，精度

较高。相对而言，它不需要输入大气廓线值。但是，

分裂窗法还不完善，例如只限于晴空大气条件下的

反演，对于混合像元只能给出有效平均温度，而没有

考虑亚像元问题。另外，算法中的系数对整幅图像

是相对固定的，这对较大的研究区域会产生较大误

 

垫[15]

 

O

 

单窗方法和劈窗方法不能直接反演混合像元组

分温度，因此反演精度和应用价值都受到极大的限

制。基于热红外多角度遥感数据的地表组分温度反

 

演物理意义明确，可以反演出混合像元组分温度，因

 

此如何提高其反演精度，是当前陆温反演研究的重

点和难点，也是地表温度反演的主要发展方向。

 

3 结语与讨论

 

热红外遥感反演陆面温度在应用上取得了显著

 

的成就，但是，它的许多基础理论问题均未很好地解

 

决，如地表热红外辐射及发射的方向性问题、温度与

比辐射率的分离问题、混合像元比辐射率的尺度转

换与非同温混合像元的分解问题等，基础研究的不

足，制约了应用的进一步发展。

综合以上分析，笔者认为，为提高热红外遥感数

据反演地表温度的精度及可应用性，今后应加强以

 

下几方面的研究：

 

首先，大气订正方法研究。尽管MOTRAN等大

气订正模型、分裂窗法可以进行热红外大气订正，但

是，其不同区域参数调整精度仍需提高；

其次，提高地表比辐射率计算精度。地表发射

率信息提取方法很多，但对这些方法的提取精度、大

气校正误差敏感性、仪器噪声敏感性及对各种地物

的适用性等方面进行综合定量评价还未完成，并且

对现有的发射率数据库也需要进行更新，它的前进

会加速陆面温度反演的步伐；

再次。将多角度、多光谱和多极化遥感相结合。

这种结合为热红外遥感反演地表温度提供了更好的

信息源。由于地表被测物的辐射均具有方向性的特

点。因此从不同的方向可以获取不同的地物信息，利

用多角度遥感可以明显增加地物三度空间的信息

量，可以改善大气辐射纠正的能力；

最后。开展非同温像元组分温度反演。目前多

角度遥感所能提供的方向性观测信息量相对来说仍

十分有限，要尽量地扩充观测信息的获取范围，合理

地使用先验知识。

 

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26

 

Summary on Retrieval of Land Surface Temperature Using

Thermal Infrared Remote Sensing

 

ZHU Huaisong ，LIU Xiaomeng ，PEI Huan

 

(1．Environment Information Center in Urumqi，Urumqi 830036，China；2．Water Conservancy Bureau in Wusu，

Wusu 833000，China；3．International Institutefor System Science，Nanfing University，Nanjing 210093，China)

 

Abstract：The land surface temperature is all important parameter to hydrology and meteorology，it afects the exchange of sensible an d

latent heats between atmosphere，sea and land，and it cannot be lack in many research fields．To retrieve land surface temperature exaetly

and quantifieationally will promote the development of research areas such as drought forecasting，crop yield estimating，numerical

weather forecast，global climate change and carbon balance．Th erefore，retrieval of land surface temperature using thermal infrared re—

mote sensing becomes one of the most important tasks in quantifieational remote sensing study．Th is article introduces the theory and

methods of lan d surface temperature retrieval，and reviews their merit and insuficiency as well as the key questions in each method ．Fi—

naUy，it prospects the developing trend of land surface temperature retrieva1．

Key words：land surface temperature；single—window algorithm；split—window algorithm；retrieval of component temperature

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