地表温度是表征地表过程变化的重要特征物理量,是反映地球表面能量流和物质流时空变化最敏感的综合指标,是地球科学研究不可或缺的重要参数,涉及众多基础学科研究。同时,地表温度研究在气象预报、农情估产、气候变化、灾情监测、生态环境评估等方面可满足国家诸多重大应用需求。

长久以来,人们普遍采用地面站点观测的方式获得地表温度。然而,受太阳辐射、地形地貌、地表覆盖、大气环流等因素的影响,地表温度的动态变化性强,因此地面站点观测获取的地表温度区域代表性有限,无法精确表征区域或全球尺度地表温度的时空分布特征,严重制约了地球科学领域某些学科的深入研究与发展。

随着科学技术的进步,新兴的热红外遥感技术为高时效、高精度获取区域或全球尺度的地表温度带来了曙光。然而,热红外卫星传感器测量的是经大气作用后到达其高度的地表辐射能。如何从这个辐射能中定量反演获得高精度地表温度是遥感科学界公认的难题。首先,由于大气对热红外辐射既有吸收和散射作用,又有自身发射作用,故大气辐射校正是一项十分复杂的工作。其次,在地表自身发射辐射和反射辐射的共同作用下,地表温度、地表比辐射率和大气下行辐射三者之间存在特定的耦合关系,即使在大气辐射精确校正的情况下,对于某个探测单元而言,N个波段观测值总是对应着N个波段的地表比辐射率和1个地表温度。也就是说,在地表温度遥感反演建模过程中,方程的未知数个数总是比方程的个数多1个,因而地表温度的遥感反演是一个典型的“病态”问题,难以对三者进行有效分离。再次,由于地表温度的时空变化显著,常规的地面温度测量方法难以获取像元尺度的地表温度真值,导致遥感反演的地表温度真实性检验非常困难。

针对这一难题,在中国科学院、国家自然科学基金委、科技部的支持下,我们研究团队基于热红外辐射传输机理,充分挖掘遥感数据所包含的时间、空间以及光谱等信息,通过方法创新、模型构建,创立了一套完整的地表温度反演方法与验证体系,取得了三方面的重大突破。

（1）首创了双通道单时相地表温度反演的“局部分裂窗法”。在假定比辐射率已知的情况下,根据地表比辐射率、地表温度与空气温度之差的变化特点,基于相邻通道大气光谱吸收差异,通过合理假设和近似,从理论上提出了“局部分裂窗”的概念和方法,消除了大气辐射效应的影响,实现了大气与地表参数的分离以及地表温度的遥感反演。与传统的地表温度反演方法相比,该方法无需输入大气廓线数据即能实现地表温度的遥感反演,摆脱了大气廓线数据对地表温度遥感反演的束缚,并使地表温度的遥感反演首次由有限区域扩展到全球范围,同时使反演误差由3~4^oC降低到1^oC以内,达到国际领先水平。方法的首创性得到了国内外同行的高度认可。

（2）首创了多通道多时相地表温度与比辐射率同时反演的“日夜法”。在比辐射率未知的情况下,基于白天中红外数据既包含发射辐射又包含反射的太阳辐射特点,通过引入中红外通道信息来降低热辐射方程间的相关性,同时利用白天和晚上数据来增加信息量,提出了中红外与热红外数据协同反演地表温度的“日夜法”,创建了多通道多时相地表温度和比辐射率同时反演模型,解决了热红外地表温度遥感反演的病态求解问题,实现了地表温度和比辐射率的同时反演。该方法的提出,颠覆了中红外反演地表温度将太阳辐射作为干扰源的传统思维,在无需输入地表比辐射率的情况下,将温度反演误差降低到0.7^oC以内,达到国际领先水平。

（3）首创了地表温度遥感反演真实性检验的“基于辐射能验证法”。由于地表温度时空变化显著,公里级尺度地表温度的真值难以获取,传统的基于温度的验证法仅适合于温度均一地表,且只能在夜间开展。“基于辐射能验证法”无需地面测量地表温度,只需测量大气廓线,通过比对卫星数据仿真值与实际观测值,就可实现公里级尺度地表温度的真实性检验,从而开辟了像元尺度地表温度验证的新途径。该方法的提出与成功应用使温度验证从传统的温度均一地表扩展到均质非同温地表,验证能力由传统的夜间拓展到全天。

本团队围绕热红外地表温度遥感反演研究共计发表SCI论文70多篇。经检索,地表温度遥感反演的SCI论文全球共有1 600多篇,我们的论文“Towards a local split window method over land surfaces”和“A physics-based algorithm for retrieving land surface emissivity and temperature from EOS/MODIS data”表现突出,引用次数分别排在第3和第6位。我们的论文“Land surface emissivity retrieval from satellite data”的引用次数在International Journal of Remote Sensing期刊近5年发表的1 860余篇论文中排名第2;论文“Satellite-derived land surface temperature: Current status and perspectives”在中国科学院文献情报中心统计的2012–2016年地学领域研究论文中,获得引用数最多的中国学者论文排名的第7名。中科院文献情报中心等权威机构联合发布《2015年研究前沿及分析解读》,将“卫星反演地表比辐射率研究”选定为地球科学领域唯一新兴前沿,并明确指出,“中国科学院地理科学与资源所的李召良（Li Zhao-Liang）是该新兴前沿研究中影响最大的科学家”。

上述三个方面的创新性研究在国内外产生了重大影响,并已在地表温度遥感反演中得到广泛应用。美国宇航局喷气推进国家实验室官方文档指出：地表温度的遥感反演方法全球共有4种,“局部分裂窗法”和“日夜法”是其中的2种。美国宇航局NPP卫星地表温度反演算法官方文档指出：“局部分裂窗法”已成为现今广泛使用的双通道地表温度反演的基本方法,是现有大多数地表温度反演算法的原型。美国宇航局从2000年开始就将“局部分裂窗法”作为标准方法生产全球每日MODIS 1千米空间分辨率的地表温度官方产品（见图1）。目前我国已将“局部分裂窗法”用于风云卫星的地表温度反演和全国农业墒情监测。随着热红外高光谱传感器的发展,“日夜法”也已成为地表温度反演的主要方法。美国宇航局已将其作为标准方法生产全球每日MODIS 5千米空间分辨率的地表温度与比辐射率官方产品。国际卫星对地观测委员会认定地表温度产品验证共有4种标准方法,“基于辐射能验证法”是其中的1种。目前,该方法已被应用于中国、美国、欧盟等国家和地区发布的各种中、低空间分辨率卫星遥感反演地表温度产品的真实性检验。

“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”（屈原《离骚》）。虽然研究团队在地表温度热红外遥感反演方面取得了一批有重大国际影响力的研究成果,但也应清醒地认识到,由于研究对象本身的复杂性,目前还有较多的科学问题亟待解决。一是云层遮挡问题。在晴空条件下,热红外遥感可精确地反演地表温度和比辐射率,但当地表被云层覆盖时,热红外传感器无法有效地捕捉到地表辐射信息,从而使热红外遥感无法实现对地表温度的全天候监测,这是热红外遥感的先天不足。微波遥感空间分辨率低,但它受大气干扰小,可穿透云层（甚至雨区）获取地表辐射信息,具有全天候、多极化等特点。将热红外遥感与微波遥感相结合,有效解决有云状态下的地表温度遥感反演问题,实现高空间分辨率、高精度的地表温度全天候遥感监测,是未来地表温度遥感反演研究的一个重要方向。二是热红外辐射方向性问题。极轨卫星固有的观测扫描特性使不同像元的观测角度往往存在较大差异（最高可达67度）,加之地物热辐射也存在方向性,导致不同像元的地表温度遥感反演结果时常缺乏可比性,温度产品应用受到很大程度的限制。如何解析卫星观测角度对地表温度反演结果的影响,构建起方向性地表温度与半球面地表温度之间的转换模型,实现遥感反演地表温度产品的角度归一化,是地表温度热红外遥感反演研究的又一重要方向。三是异质非同温像元地表温度真实性检验问题。现有的验证方法需要测定像元的地表比辐射率,而陆地表面时常具有较强的空间异质性,受地物组分、地表粗糙度、水分含量等因素的影响,像元尺度地表比辐射率的地面真值获取较为困难,使遥感反演地表温度验证在异质非同温像元存在较大的局限性。因此,开展高精度的异质非同温像元地表比辐射率地面获取方法研究,是地表温度热红外遥感反演研究的另一个重要方向。