热红外遥感辐射传输模型研究前沿

研究地表物体与电磁辐射之间作用的物理机理，建立遥感观测的电磁辐射信号与地表参数之间的函数关系，是定量遥感研究的基础，我们称之为遥感辐射传输建模。由于地表具有复杂的三维结构，电磁辐射与地表之间的相互作用是一个非常复杂的过程，国内外很多遥感科学家一直致力于这种相互作用机理和建模的研究。许多研究者测量过非均质地表的热辐射方向性变化。早在1962年，Monteith和Szeicz就报道了关于自然地物热红外辐射亮度随观测角度而变化的现象。但是，这个问题真正引起遥感界的重视却是始于1979年以后，遥感界关于地表热辐射方向性的研究文章开始陆续发表。Kimes等人1981年的研究表明，当冠层顶层与底层温差为4.1K时，水平和垂直观测的有效辐射温度差异可以达到2K15；Doizer等人1982年的研究表明，雪方向发射率的差异可以导致方向亮温3K的差异问；Balick等人在1987年报告了他们的观测结果，在阔叶林落叶之后，观测角度可以引起的有效辐射温度差异高达7K。进一步的研究揭示，热辐射的角度变化与地表的温度分布，发射率的分布和组分的几何结构密切相关的。为了解释方向性热辐射的角度变化，研究者们发展了条种方向性模型。这些模型可以用来反演地表组分温度，可以用来对不同角度的不同卫星平合测量的品度进行方向归一化。同时，这些模型也能帮助人们理解空间测量地表温度的意义，进而帮助人们更好地使用这些遥感数据。

热辐射方向性模型可以分为4类：几何光学模型，辐射传输模型，混合模型，以及计算机模拟模型。对于几何光学模型而言，冠层被假定为一个不透光的实体：热辐射只来自植被冠层和土壤的表面。每一个组分的表面被假定为具有一致的热辐射特性。方向性热辐射的角度变化来自于组分在视场内的可视面积比随着观察角度而产生的变化。将可见光一近红外模型中经典的孔隙率概念引入热辐射模型中，构造出了热辐射传输模型。使用孔隙率概念，植被冠层被看成是一个混浊的热辐射介质。辐射在冠层内部的传输必须考虑，方向性辐射的角度变化来自冠层内部光学路径随着观察角度而产生的变化。作为模型的一个比较具有实际应用价值的发展就是上面的两类模型的综合：混合模型，它用来描述具有三维儿何结构的非均质地表。对于这种模型而言，地表上的方向性热辐射的角度变化来自两个原因：一是各个部分由于三维结构的相互遮挡状况随着观察角度在发生变化；二是每个组分内部的光学路径随着观察方向也在发生变化。除基于物理的模型之外，还有使用计算机模拟三维地表场景的模型。

1977年，Sutherland和Bartholic使用航空实验数据研究发射率对于判断行向种植的果园温度的影响程度。他们将行向种植的植被简化为无限延伸的具有宽度、高度和间隔宽度的规则几何体，而这个被简化的几何体的各个侧面被简化为朗伯体，在光谱特征上为各向同性。植被土壤体系内部的温度差异被忽略，认为是同温。影响这个增量的几何因素被经验地阳结为箱体的高度和空腔的宽度的线性组合。1979年JACKSON等人和1980年KIMES沿用了无限延伸箱体结构来描述行播作物的几何结构，将垄行结构的作物分成4个组分：光照土壤、阴影土壤、光照植被、阴影植被。每一个组分都有一个特定的温度，并提出了一套计算这四分量在多角度观测的视场内比例的方法，传感器最后接收的是这些组分亮度的观测方向投影面积的加权和。

2002年陈良富等对垄行结构的热辐射模型做了较大的改进，其基本思想是在KIMES1980年模型的基础上，同时考虑了太阳光照方向和观测方向上作物间的孔隙奉因素，他们根据离散植被孔隙率模型]和连续植被的交相关概率思想，分别给出了双向孔隙率热辐射模型，能够较好的解释热点。探讨玉米行播结构3个组分亮温（玉米冠层、光照土壤和遮荫土壤）组合的热辐射模型。这个模拟在计算视场内组分面积比例时针对玉米做了改进，使得几何体与地表有一段距离，这一改进更加接近于真实情况。从而使得热点能够出现在接近真实的位置上。将SAIL模型改造为一个多层热红外辐射模型，输入LAI、LAD和温度分布后预测出冠层的方向性热辐射。这个模型可以看作是对SAIL的移植和改造，它基于二流近似计算了冠层内部热红外辐射的多次散射。