全 文 ：第 10卷　第 6期
2006年 11月
遥　感　学　报
JOURNALOFREMOTESENSING
Vol.10, No.6
Nov., 2006
收稿日期:2004-08-09;修订日期:2005-06-17
基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(编号:G2000077900)、四川省应用基础研究课题(编号:04JY029)和四川省气象局重大项目
“气候生态环境监测服务系统建设 ”、“城市气象服务体系建设 ”共同资助。
作者简介:闵文彬(1966—　),女 ,高级工程师。 1988年毕业于成都气象学院气象专业。现从事气象卫星遥感应用研究。已发表论文 30余篇。
文章编号:1007-4619(2006)06-0941-08
应用 LSF概念模型反演草冠层叶面温度的试验
闵文彬1 , 罗秀陵 1 , 陈忠明 1 , 石承苍 2 , 曹艳秋 3
(1.中国气象局成都高原气象研究所 , 四川 成都　610072;
2.农业部成都农业遥感分中心 ,四川成都　 610066;3.凉山州气象局 , 四川西昌　 615000)
摘　要:　试验在已知土壤表面温度的前提下 , 分别利用 AVHRR卫星遥感资料和准同步地面观测数据 ,应用 LSF
概念模型成功反演了草冠层叶面温度。通过对星 、地资料反演的草冠层叶面温度比较发现 , 二者反演结果相差小
于 0.2K,说明利用卫星遥感资料 , 应用 LSF概念模型反演草场冠层叶面温度可获得比较满意的结果。 假设其他参
数不变 , 分别对不同叶面发射率和不同土壤表面发射率反演的叶面温度分析发现 , 组分发射率的估算精度对反演
结果影响较小 , 而整层空气柱可降水量的估算精度对卫星资料反演草冠层叶面温度影响大 , 用探空资料和露点温
度估算的整层空气柱可降水量可导致反演的叶面温度相差达 1.1K。在水分供应充足条件下 , 晴天 11:00— 17:00
时 , 即使太阳总辐射强 ,叶面温度的变化幅度比土壤表面温度 、空气温度小。以 1999年 8月 6日为例 , 叶面温度变
化仅有 1.22K,而同时土壤表面温度变化为 9.5K, 1.5m高的空气温度变化为 6.0K, 叶面温度变化幅度比土壤表面
温度 、空气温度平缓。试验结果还表明 ,采用 Becker和李召良的分裂窗模型反演青藏高原东南缘地区的陆地表面
温度效果较好。
关键词:　LSF概念模型;草冠层叶面辐射温度;Becker和李召良分裂窗模型
中图分类号:　TP701　　　文献标识码:　A
AnExperimentonLSFConceptualModeltoRetrieve
GrassCanopyLeafTemperature
MINWen-bin1 , LUOXiu-ling1 , CHENZhong-ming1 , SHICheng-cang2 , CAOYan-qiu3
(1.Instituteofplateaumeteorology, ChinaMeteorologicalAdministration, SichuanChengdu　610072, China;
2.RemoteSensingCenterofAgriculture, MinistryofAgricultureofthePeople sRepublicofChina, SichuanChengdu　610066, China;
3.LiangshanMeteorologicalObservatory, SichuanXichang　615000, China)
Abstract:　Anexperimentwasconductedsuccesfulytoretrievetheleaftemperatureofgrasscanopyby
applyingLSFconceptualmodelondataobtainedonAugust6, 1999 fromAVHRRandsynchronizedground
observationswiththeknownsoilsurfacetemperaturesbeforehand.Thediferencebetweentheretrievedleaf
temperaturesfromthesetwodiferentdatasourcesislessthan0.2k, whichmeansthatthegrasscanopyleaf
temperaturecanberetrievedsatisfactorilythroughLSFconceptualmodelcombinedwithsatelitedata.Further
analysisontheretrievedleaftemperaturesunderdiferentleafandsoilemissivityconditionsrevealsthatthe
estimatedaccuracyofcomponentemisivityshowslitleimpactontheretrievedresults, whereastheestimated
accuracyoftheprecipitablevaporinthewholelayeroftheaircolumncouldafecttheretrievedleaf
temperaturessignificantly.Theprecipitablewatervapourestimatedbasedonthesoundingdataanddew-point
temperaturecanleadtoanerrorupto1.1kintheretrievedleaftemperatures.Whenthereexistssuficient
vapourintheair, thevarianceofleaftemperatureisonly1.22kinspiteofthequiteintensivesolarradiation
942　 遥　　感　　学　　报 第 10卷
during11.00— 17.00 onfinedays.Incontrast, thevarianceofsoilsurfacetemperaturecanbe9.5kandthe
varianceofairtemperatureattheheightof1.5mis6.0k, thereforethevarianceofleaftemperatureismuchles
thanthatofthesoilsurfacetemperatureandairtemperature.Theexperimentalresultsalsoshowthatinthe
southeasternTibetanplateau, thelandsurfacetemperaturecanberetrievedwithquitehighaccuracybyBecker
andLi ssplitwindowalgorithm.
Key　words:　LSFconceptualmodel;leaftemperatureofgrasscanopy;BeckerandLi ssplitwindow
algorithm
1　引　言
冠层叶面温度是植物群体蒸腾 、光合作用等生
理生化过程及受旱程度的重要表征 ,在区域干旱 、蒸
散及草场退化等的评估中有着重要的作用 ,但用常
规方法难以测定 ,因为用温度表 、点状及针状温度仪
只能测出单片叶面温度。据许多研究报告及作者野
外观测可知 ,处于植物上下层不同位置的叶片 、新叶
与老叶的叶面温度是不同的 ,相差可达几度 。学术
界对植物冠层叶面温度的定义不惟一 ,有辐射温度 、
空气动力学温度等多种定义[ 1] 。用遥感热红外资
料通过 Planck定律反演 ,能获得局部叶片或包括植
物与土壤的混合像元辐射温度 ,尚不能满足生产实
践与科研的需要 。本文在已知土壤表面温度的前提
下 ,利用 AVHRR资料和地面准同步观测数据 ,应用
LSF(李小文 -Strahler-Friedl)概念模型反演卫星尺度
草冠层叶面辐射温度 ,以此作为卫星遥感反演植物
冠层叶面温度的探讨 。随着自动气象站的广泛建
立 ,与卫星准同步的土壤表面温度易于获取 ,本试验
具有广泛的应用前景和重要的生产实践意义。
2　反演草冠层叶面温度的模型与试验
场地
　　在自然条件下传感器接收到的像元辐射亮度主
要有两部分 ,大部分来自物体出射的方向辐射亮度 ,
小部分来自物体对环境辐射的反射。晴空条件下后
者在数量上比前者小很多。假定地物不透明 ,在 v
方向对环境辐射的反射率为(1-εBRDF)。传感器接
收到的草地像元辐射亮度可表达为由 LSF概念模
型表达的像元方向辐射亮度与反射的方向环境辐射
之和 ,
LΔλ(v)=εBRDF·BΔλ(T0)+aL(v)·εL(TL-T0)·
SΔλ(T0)+as(v)· εs(Ts-T0)·
SΔλ(T0)+(1-εBRDF)·LemΔλ (1)
式中 ,
sΔλ(T0)=∫λ　2λ
1
kλ(T0)· Bλ(T0)dλ　　　　　　　　
=4T0 ∫λ　2λ
1
c1λ-4
4(eC2·(T0·λ)-1 -1)+BΔλ(T0) (2)
C1 =1.191· 108Wm-2· sr-1· μm4;C2 =1.4388·
10
4K· μm;T0是参考温度;LΔλ, BΔλ分别表示实际地
物和黑体在波段 Δλ范围的辐射亮度 ,可由普朗克
公式在波段 Δλ内积分得到;aL(v), aS(v)分别是草
和土壤在 v方向的投影面积占像元投影面积百分
比;εL, εS分别是草和土壤表面的材料发射率;TL,
TS分别表示草冠层叶面温度和土壤表面温度;LenvΔλ
表示某波段的环境辐射 。
2.1　LSF概念模型
LSF概念模型是针对非同温陆地表面像元尺度
上的方向热辐射和波谱特征建立的 ,它承认像元组分
温度 、发射率及三维结构的不均匀性 。它是在 Planck
定律基础上对 Planck定律作尺度纠正。假设遥感像
元由有明显差异的组分组成(这里每个组分视为均
匀 、同温的物体), LSF概念模型将其像元方向热辐
射分解为具有同温(参考温度)三维结构像元的方
向热辐射和由温差导致的增量辐射的叠加 。在 v方
向上的像元辐射亮度 Lλ(v)表达 [ 2, 3]如下:
Lλ(v)=gv(Q)· Bλ(T0) (3)
式中 , Bλ表示黑体在 λ波长的辐射亮度 , gv(Q)为
尺度纠正因子 。在通常地温和组分温差情况下 ,像
元内组分温度方差项比平均温度项小大约一个数量
级 , gv(Q)可简化为:
gv(Q)=εBRDF + ε(v)Kλ(T0)(Tv-T0)+
Uλ(T0)∑j aj(v)εj(Tj-T0)2 (4)
式中 , εBRDF表示同温三维结构像元的方向发射率。
它包括两部分 ,一是该方向组分面积加权的材料平
均发射率 ε(v),即 ε(v)=∑jaj(v)· εj,二是经像
第 6期 闵文彬等:应用 LSF概念模型反演草冠层叶面温度的试验 943　
元内组分反射和多次反射最终向 v方向逸出的出射
辐射 εmult(v):
εBRDF = ε(v)+εmult(v) (5)
aj(v)是 j组分在 v方向的投影面积占像元投影面积百
分比 , εj是 j组分的材料发射率 , Tj是 j组分的温度 , T0
是参考温度 , Tv是 v方向的发射率加权平均温度 ,而
Kλ(T0)=DλT20 (6)
Uλ(T0)=DλT30
Dλ
2T0 -1 (7)
Dλ =C2λ (8)
式中 , C2 =1.4388· 104K· μm。
将(4)式代入 (3)式 ,并省略温差二次项 , LSF
概念模型可简化为:
Lλ(v)=εBRDF·Bλ(T0)+∑j aj(v)·　　　
εj·Kλ(T0)(Tj-T0)·Bλ(T0) (9)
　　LSF模型考虑的是固定波长的热辐射 ,当波段
范围较窄时可选中心波数计算 ,但对于通常热红外
波段 ,这样近似会带来不可忽视的误差。阎广建 、李
小文等又给出计算较宽波段的方向辐射亮度的 LSF
概念模型[ 4] ,表达如下:
LΔλ(v)=εBRDF· BΔλ(T0)+∑jaj(v)·εj(Tj-T0)·
sΔλ(T0) (10)
2.2　λ1—λ2波段黑体辐射亮度
Planck定律表达在热平衡状态下绝对黑体辐射
出射度随波长的分布函数 ,即:
Eλ(T)=C1λ-5 /(eC2λT-1) (11)
式中 , C1 =3.7418· 10-16Wm-2 , C2 =14388μm· K,
Eλ(T)的单位是 Wm-2· μm-1。
绝对黑体在 0— λ波段的辐射占全波段辐射的
比值 F0—λ可表达为[ 5] :
F0—λ =
∫λ
0
Eλ(T)·dλ
σT4 (12)
　　绝对黑体在 λ1—λ2波段的辐射占全波段辐射
的比值 Fλ1—λ2可表达为:
Fλ1—λ2 =
∫λ　2
0
Eλ(T)· dλ-∫λ　1
0
Eλ(T)· dλ
σT4
=F0—λ2 -F0—λ1 (13)
　　绝对黑体在 λ1— λ2波段的辐射亮度可表达为:
BΔλ(T)=(F0—λ2T-F0—λ1T)·σT4 /π (14)
2.3　环境辐射
在晴空条件下 ,环境辐射主要来自大气下行辐
射。全波段大气下行辐射的估算采用 [ 6] :
Rai↑ =εaσT4a (15)
εa =1.244(ea/Ta)1/7 (16)
Lenv=Rai↑(π -α)/π (17)
式中 , εa表示晴空大气发射率;α表示山坡坡度;Ta,
ea分别表示 1.5m高空气温度和水汽压;Rai↑表示
全波段大气下行辐射;Lenv表示全波段环境辐射。再
用 Planck积分式 (14)式计算 Δλ波段环境辐
射 LenvΔλ。
2.4　土壤表面发射率
在测量有关参数后 ,土壤表面发射率 εs可由下
式反演获得[ 7, 8] :
LΔλ(Tsb)=εs·BΔλ(Ts)+(1 -εs)·LenvΔλ (18)
式中 ,土壤表面温度 Ts用地面温度表测量 ,土壤表
面辐射温度 Tsb用红外温度仪测量。由于热红外温
度仪的光谱响应波段是 8— 14μm,因此用(14)式分
别计算温度为 Ts和 Tsb的黑体在 8— 14μm的辐射亮
度 BΔλ(Ts)与 LΔλ(Tsb)。根据 8月 10日测量数据 ,
反演出土壤表面发射率 εs=0.9467。
2.5　参考温度 T0
参考温度是为了测量和应用的方便而设置的 ,
对不同的应用目的 ,可以是组分温度不同的加权平
均 ,也可以是这种加权平均的粗略估计[ 3] 。本试验
假定 T0 =311K。
2.6　土壤表面温度
在草场观测区选 2m×2m地段 ,拔除草 , 整平
地。按气象站仪器安放规范安地面温度表。在卫星
过境时读数 ,获取土壤表面温度 。本次试验土壤表
面温度 Ts=316.66K。
2.7　试验场地及主要观测仪器
试验场地位于 27.78°N, 102.21°E的四川省凉
山州西昌市安宁河东岸的自然草地。该自然草场坡
度 22°,坡向 264°。草场南北约 4000m, 东西宽约
2500m,相对高差约 200m,中部海拔高度是 1590m。
土壤母质是第四纪红土 、红壤土 ,表层完全侵蚀 ,覆
944　 遥　　感　　学　　报 第 10卷
盖度约 80%。植物主要是茅草 ,平均草高 0.17m,
叶面积指数 2.512。植被比较均匀 。地面测点位于
山坡 1 /2高度处 ,四周开阔 ,无建筑物及树木遮挡 。
邛海水面东西长约 19000m,南北宽约 3600m,水深
约 10.3m,海拔高度约 1150m,水面中心位于 27.82°
N, 102.31°E,距草场直线距离约 11km。
主要观测仪器有红外测温仪 、地面温度表 、通风
干湿表 、辐射表 、轻便风速表等 ,都通过气象仪器鉴
定所鉴定 ,确认是合格的。
红外测温仪 MINOLTA-505(Spotthermometer
505A)视场角 1.7°,温度测量范围 -50— 500℃。光
谱响应波段为 8— 14μm,光谱响应时间为 0.5s。在
测量前后都以水面为黑体进行仪器误差校正 ,经多
次检测发现 ,当温度在 20— 45℃范围内时 ,这台仪
器的误差为 0— 0.2℃。
3　卫星资料处理及参数反演
1999年 8月 1日至 8月 15日 ,在试验区进行了
卫星 、地面的同步观测 ,因为只有 8月 6日北京时间
15时 37分 NOAA14卫星过境时草场 、邛海 、西昌上
空都是无云 ,故选用 8月 6日的 AVHRR资料进行
草冠层叶面温度反演 。
可见光 、近红外通道(ch1, ch2)的反射率和热
红外通道(ch4 , ch5)的亮度温度是由中国气象局卫
星气象中心研制的极轨卫星微机处理系统提取的。
采用 SMAC(SimplifildMethodfortheAtmospheric
Corection)做 ch1和 ch2反射率的大气影响校正 [ 9] 。
以邛海水面的卫星影像作为定位的基准点 ,对
试验研究草场作定位的精细配准 。并以试验研究草
场的卫星像元为中心 ,取其周围 3×3个像元 ,分别
提取信息 ,以其平均值作为试验研究草场的卫星信
息 ,尽量减少由于定位不准造成的误差。这 9个像
元的卫星反演信息见表 1。
3.1　整层空气柱可降水量的估计
由于缺乏与卫星同步的探空资料 ,本文试图用
杨景梅 、邱金恒的经验模式用地面露点温度估算整
层空气柱可降水量 [ 10] ,但将用此方法估算的 1999
年 7月 30日至 8月 6日的 19时 15分的整层空气
柱可降水量与同时刻用探空资料估算的结果(见表
2)对比分析发现 ,二者误差不稳定 ,两种方法的估
计结果相关系数仅 0.59,表明用地面露点温度估算
研究区的整层空气柱可降水量不妥 。如果用 J.A.
Sobrino(1999)的模式由卫星资料估计整层空气可
降水量[ 11] ,又无法估计其在研究区的误差 。不得已
只好把用 8月 6日 19时 15分(比卫星过境时间约
晚 4个小时)的气象探空资料估算的整层空气柱可
降水量 看作 卫星 过境 时 刻的 近似 值 , W =
3.696711cm/cm2。
表 1　试验区 NOAA14/AVHRR的反演信息
Table1　TheinformationretrievedfromNOAA/AVHRRinexperimentarea
像元序号
大气订正前 大气订正后 亮度温度
ch1 ch2 ch1 ch2 ch4 ch5
NDVI Pv ε4 ε5 地表温度 /K
1 0.068 0.176 0.056 0.227 294.4 289.2 0.60424 0.50046 0.97851 0.9815 310.8395
2 0.068 0.176 0.056 0.227 294.4 289.2 0.60424 0.50046 0.97851 0.9815 310.8395
3 0.068 0.176 0.056 0.227 294.4 289.2 0.60424 0.50046 0.97851 0.9815 310.8395
4 0.069 0.189 0.058 0.244 294.3 289.3 0.61589 0.52027 0.97893 0.9818 310.0927
5 0.068 0.176 0.056 0.227 294.4 289.2 0.60424 0.50046 0.97851 0.9815 310.8395
6 0.068 0.176 0.056 0.227 294.4 289.2 0.60424 0.50046 0.97851 0.9815 310.8395
7 0.069 0.189 0.058 0.244 294.3 289.3 0.61589 0.52027 0.97893 0.9818 310.0927
8 0.069 0.189 0.058 0.244 294.3 289.3 0.61589 0.52027 0.97893 0.9818 310.0927
9 0.068 0.176 0.056 0.227 294.4 289.2 0.60424 0.50046 0.97851 0.9815 310.8395
平均 0.50707 0.97865 310.5906
第 6期 闵文彬等:应用 LSF概念模型反演草冠层叶面温度的试验 945　
表 2　整层空气柱可降水量的估算值(1999年)
Table2　Theestimatedvalueofprecipitable
watervapour(1999)
日期
整层空气可降水量 /(cm/cm2)
地面露点估算结果 探空资料估算结果
7月 30日 4.334274 3.786834
7月 31日 5.214575 3.823698
8月 1日 3.907932 3.010103
8月 2日 3.738302 3.488155
8月 3日 4.598468 3.80261
8月 4日 4.497559 3.642461
8月 5日 4.530947 4.107352
8月 6日 3.879135 3.696711
3.2　像元内草 、土壤面积比的估算
像元内植被覆盖率 Pv的估算公式为[ 12] :
Pv = (NDVI-NDVImin)
2
(NDVImax-NDVImin)2 (19)
式中 , NDVI为归一化植被指数 ,由经过大气影响校
正后的第 1和 2通道反射率求得;NDVImax, NDVImin
分别表示研究区域完全植被覆盖和裸露土壤的
NDVI。土壤面积比为 1.0-Pv。
3.3　热红外通道像元方向发射率 ε4和 ε5的估算
AVHRR第 4和 5通道的发射率 ε4和 ε5的计算
如下[ 12] :
ε4 =0.968 +0.021Pv (20)
ε5 =0.974 +0.015Pv (21)
　　本文假定 ε4≈εBRDF。
3.4　地表面辐射温度的估算
陆地表面温度的反演 [ 13]采用李召良提供的针
对 NOAA14的分裂窗模型:
LST=C(W, θ)+P(W, θ, ε4 , ε5)· T4 +T5
2
+
Q(W, θ, ε4 , ε5)T4 -T5
2
(22)
式中 ,
C=2.45-4.42secθ+(0.04-0.41secθ)W
　　P=(0.9907+0.01974secθ)+
[ (0.1918+0.0061secθ)-
(0.0101+0.0092secθ)W] (1-ε4)+
[ (-0.3012-0.0108secθ)+
(0.0479+0.0161secθ)W] (ε4 -ε5)
　Q=(3.61-0.09secθ)+(0.11+0.48secθ)W+
(4.75+1.72secθ)(1-ε4)-
(8.10+1.49secθ)(ε4 -ε5)
T4和 T5分别是第 4、5通道的亮温值 , ε4和 ε5分别
是第 4、5通道的发射率 , W是水汽含量(整层空气
柱可降水量), θ是卫星的天顶角 。
4　地面观测及参数确定
4.1　方向发射率 εBRDF
　　假定用方向-半球反射率 r(θ)表示晴空下地物
的二向性反射分布 , εBRDF可表示为:[ 2, 3] :
εBRDF =1 -r(θ) (23)
　　假定叶片对热辐射不透明且为朗伯反射 ,叶角
均匀分布 ,且草地冠层为均匀的半无限叶子冠层 ,则
其方向-半球反射率 r(θ)可以表示为:
r(θ)= 1 -γ
1 +2γ·cosθ+0.25Rcosθ1 +2cosθ (24)
式中 , θ表示观测方向的天顶角 , R表示叶面反射
率 , γ= 1-R。已假定叶片对热辐射不透明及为
朗伯反射 ,若叶面的发射率为 εL,则叶面反射率 R
近似 1-εL。
4.2　组分面积百分比 aj(v)
假定像元内只有草和土壤两个组分 ,草地间隙
率 ρgap就是土壤面积百分比 a2 ,草面积百分比 a1 =
1-a2 ,草地间隙率表达如下 [ 7, 8] :
ρgap =e-G(θ)LAI/cosθ (25)
式中 , θ表示观测方向的天顶角 , LAI表示叶面积指
数 , G(θ)代表叶面积指数在观测方向投影面积百分
率 ,它与叶角分布有关。当假定叶角是均匀分布时 ,
按照 Ross的计算 , G(θ)=0.5,观测试验草地的 LAI
实测是 2.512 ,则研究区草地间隙率可表示为:
ρgap =e-1.256 /cosθ (26)
4.3　草地辐射温度 TLsb
草场的亮温是用热红外温度仪测定的。在草场
中选有代表性的 50m×50m作为观测地段 ,在其中
随机选 40个点作卫星准同步观测 ,取这 40个观测
点的辐射温度平均值作为试验的草地辐射温度
值 TLsb。
946　 遥　　感　　学　　报 第 10卷
5　试验结果与分析
1999年 8月 6日 15时 37分 ,空气温度 Ta=
302.86K,土壤表面温度 Ts=316.66K,参考温度 T0
=311K,土壤表面发射率 εs=0.9467,假定叶面发
射率 εL=0.98,用 NOAA14卫星反演和准同步地面
反演草冠层辐射温度 TL的有关参数见表 3。
表 3　1999年 8月 6日 15时 37分的模型参数
Table3　Themodelparametersat1537 Aug.6, 1999
参数名 TLsb aL aS εBRDF LΔλ(v) BΔλ(T0) SΔλ(T0) LenvΔλ TL
卫星 310.5906 0.5071 0.4929 0.97865 11.2729 11.3229 0.1583 7.4629 306.0979
地面 308.9600 0.7152 0.2848 0.99496 62.7203 64.5994 0.9220 42.4616 306.0876
5.1　草的发射率对反演草冠层叶面温度的影响
假定 8月 6日其他参数不变 ,只是将草的发射
率从 0.96变化到 0.99,从表 4可见 ,用卫星数据和
地面观测数据反演的叶面温度相差不到 0.2K,反演
的叶面辐射温度 TL随草发射率的变化虽有改变 ,但
变幅小于 0.3K,说明叶面发射率估算精度对反演结
果影响较小 。
表 4　不同草发射率下反演的草场冠层叶表面温度
Table4　Theretrievedleaftemperaturesunder
differentgrassemissivity
草的发射率
反演的冠层叶表面温度 /K
用卫星资料反演结果 用地面资料反演结果 差值
0.96 305.9958 306.1643 0.1685
0.97 306.0474 306.1252 0.0778
0.98 306.0979 306.0876 0.0103
0.99 306.1474 306.0515 0.0960
最大差值 0.15 0.11 0.17
5.2　土壤表面发射率对反演草冠层叶面温度的
影响
　　假定 8月 6日的叶面发射率为 0.98,当土壤表
面发射率分别设为 0.92, 0.93, 0.94, 0.95和 0.96
时 ,由表 5可见 ,用卫星资料和地面观测数据反演的
结果相差不足 0.3K,表明在其他参数确定后 ,土壤
表面发射率的估算精度对冠层叶面温度的反演结果
影响较小。
表 5　不同土壤表面发射率下反演的草场冠层叶表面温度
Table5　Theretrievedcanpytemperaturesunder
differentsoilemissivity
土壤表面
发射率
反演的冠层叶表面温度 /K
用卫星资料反演结果 用地面资料反演结果 差值
0.92 306.2478 306.1490 0.099
0.93 306.1917 306.1260 0.066
0.94 306.1355 306.1030 0.033
0.95 306.0794 306.0800 0.001
0.96 306.0233 306.0570 0.034
最大差值 0.22 0.09 0.1
5.3　整层空气柱可降水量对反演草地冠层叶面温
度的影响
　　假设叶面发射率 εL=0.96,土壤表面发射率
εs=0.9467,假设整层空气柱可降水量为 3.696711
和 4.150674cm/cm2两种状况(前者是探空资料计
算的整层空气柱可降水量 ,后者是由卫星过境时的
地面露点反演的整层空气柱可降水量),当其他参
数值不改变 ,用卫星遥感资料反演的草地冠层叶面
温度分别为 306.3414和 307.44783K。相差达
1.1K。初步显示整层空气柱可降水量对用卫星遥
感资料反演草地冠层叶面温度影响大(表 6)。
5.4　参考温度对反演结果的影响
假定其他参数不变 , 当参考温度分别设为
306K, 307.1K(组分覆盖加权值), 311K和 315K时 ,
星 、地准同步资料反演的草冠层叶面温度相差都小
于 0.2K;而不同的参考温度设置可导致用卫星资料
反演的草冠层叶面温度相差达 0.38K(表 7),说明
合理设置参考温度能提高反演精度。
第 6期 闵文彬等:应用 LSF概念模型反演草冠层叶面温度的试验 947　
表 6　卫星反演的草冠层叶面温度随整层空气可降水量的变化
Table6　ThechangeoftheretrievedcanopytemperaturefromAVHRRwithprecipitablewatervapour
整层空气柱可降水量
/cm/cm2
用卫星资料反演的
混合像元温度 /K 草冠层叶面温度 /K
备注
3.6967 310.5906 306.3414 用探空资料估算的整层空气可降水量
4.1506 311.2999 307.4473 用地面露点估算的整层空气可降水量
　　注:表 6中的混合像元温度由(22)式反演所得。
表 7　参考温度估计值对反演冠层叶面温度的影响
Table7　Theinfluenceofthereferencetemperature
ontheretrievedcanopytemperature
参考温度 /K 反演的冠层叶表面温度 /K用卫星资料反演结果 用地面资料反演结果 差值
306.0 306.4806 306.2967 0.184
307.1 306.3941 306.2523 0.142
311.0 306.0979 306.0876 0.010
315.0 306.1031 306.1283 -0.025
最大差值 0.38 0.21 0.184
　　注:假定叶面发射率为 0.98, 土壤表面发射率为 0.9467。
5.5　草场冠层叶面温度与气温 、土壤表面温度时间
变化的比较
　　用 1999年 8月 6日 11:00— 17:00的地面观
测资料反演了 6个时刻的草地冠层叶面温度 , 并
与同时刻的气温 、土壤表面温度比较发现(表 8):
在水分充足条件下 ,即使晴天太阳总辐射很强 ,叶
面温度变化仍平缓 ,变化幅度仅有 1.22K。而同
时 ,土壤表面温度变化幅度为 9.5K, 1.5m高的空
气温度变化幅度为 6.0K, 0.2m高的空气温度变化
幅度为 4.6K。
表 8　不同时刻的草叶面温度 、气温和土壤表面温度
Table8　Thecanopytemperature, airtemperatureandsoilsurfacetemperatureatdifferenttime
时间 叶面温度 1.5m高空气温度 0.2m高空气温度 土壤表面温度 太阳总辐射
11:00 305.65 298.26 300.36 307.16 773
12:00 305.56 300.06 300.86 310.06 891
13:00 306.36 302.26 303.06 312.56 1009
15:00 306.58 303.86 — 316.66 1074
16:00 306.87 304.26 304.96 316.56 1035
17:00 305.95 303.66 303.26 309.56 773
　　注:太阳总辐射的单位是 Wm-2 , “— ”代表缺测。
6　结论与讨论
在已知土壤表面温度的前提下 ,采用 LSF概念
模型 ,利用 1999年 8月 6日的 AVHRR卫星遥感资
料和地面实测数据进行了草场冠层叶面温度的反演
试验 ,试验结果表明:
(1)应用 LSF概念模型 ,利用卫星遥感资料反演
草场冠层叶面温度可获得比较满意的结果。星 、地准
同步资料反演的草冠层叶面温度相差小于 0.2K。
(2)利用 AVHRR反演草场冠层叶面温度 ,在
假定方向发射率近似为第 4通道发射率的情况下 ,
组分发射率的估算精度对草冠层叶面温度的反演结
果影响较小 。这说明在土壤表面温度已知的情况
下 ,采用 LSF概念模型 ,利用卫星资料反演草场冠
层叶面温度具有可行性和实用性 。
(3)整层空气柱可降水量的估算精度对卫星资
料反演的草冠层叶面温度影响大 ,用探空资料和露
点温度估算的整层空气柱可降水量可导致反演的叶
面温度相差达 1.1K。
(4)参考温度的合理设定可提高反演精度 。
(5)在水分供应充足条件下 , 11:00— 17:00时
即使晴天太阳总辐射很强 ,叶面温度的变化幅度比
土壤表面温度及空气温度变化幅度小。
948　 遥　　感　　学　　报 第 10卷
(6)Becker-李召良陆地表面温度分裂窗模型
应用在青藏高原东南缘地区可获得较好效果。
鉴于试验次数少 ,尚难得出卫星反演草场冠层
叶面温度的可靠精度 ,所得结论需要更多的试验数
据支持 ,有待进一步验证。
致　谢　衷心感谢法国国家科研中心李召良博
士和中国科学院遥感应用研究所柳钦火博士的热情
帮助和指导 。
参 考 文 献(References)
[ 1 ] 　BeckerF, LiZL.SurfaceTemperatureandEmissivityatVarious
Scales:Definition, MeasurementsandRelatedProblems[ J] .
RemoteSensingReview, 1995, 12:225— 253.
[ 2 ] 　LiXW, WangJD, StrahlerAH.ScaleEfectsofPlanckLaw
overaNon-isothermalBlackbodySurface[ J].ScienceinChina
(SeriesE), 1999, 29(5):442— 426.[李小文 , 王锦地 ,
StrahlerAH.非同温黑体表面上 Planck定律的尺度效应
[ J] .中国科学(E辑), 1999, 29(5):422— 426.]
[ 3 ] 　LiXW, WangJD, StrahlerAH.ScaleEfectsandScaling-up
byGeometric-opticalModel[ J] .ScienceinChina(SeriesE),
2000, 43(Supp.):17— 22.
[ 4 ] 　YanGJ, LiXW, WangJD, etal.ModelingDirectionalEfects
ofThermalEmissioninWideBandMeasure[ J].Journalof
RemoteSensing, 2000, 4(3):189— 193.[阎广建 , 李小文 , 王
锦地等.宽波段热红外方向性辐射建模 [ J] .遥感学报 ,
2000, 4(3):189— 193.]
[ 5 ] 　DeBruinHAR.MicrometeorologyCourse[ R].Wageningen
UniversityMeteorologyandAirQualityGroupDuivendaal2 6702
APWageningen, 10— 13.
[ 6 ] 　SuiHZ, TianGL, LiFQ.Two-layerModelforMonitoring
DroughtUsingRemoteSensing[ J] .JournalofRemoteSensing,
1997, 1(3):220— 224.[隋洪智 ,田国良 ,李付琴.农田蒸散
双层模型及其在干旱遥感监测中的应用 [ J] .遥感学报 ,
1997, 1(3):220— 224.]
[ 7 ] 　WangJD, LiXW, SunXM, etal.ComponentTemperatures
InversionforRemoteSensingPixelBasedonDirectionalThermal
RadiationModel[ J] .ScienceinChina(SeriesE), 2000, 43
(Supp.):41— 47.
[ 8 ] 　SuLH, LiXW, WangJD, etal.FieldExperimentValidation
forLSFConceptualModelonDirectionalThermalEmmissivityof
Non-isothermalSurfaces[ J] .JournalofRemoteSensing, 2000, 4
(Supp.):81— 85.[苏理宏 ,李小文 , 王锦地等.非同温表面
热辐射方向性 LSF概念模型的野外试验验证 [ J] .遥感学
报 , 2000, 4(增刊):81— 85.]
[ 9 ] 　RahmanH, DedieuG.SMAC:ASimplifiedMethodforthe
AtmosphericCorrectionofSateliteMeasurementsintheSolar
Spectrum[ J] .Int.J.RemoteSens., 1994, 15:123— 143.
[ 10] 　YangJM, QiuJH.AMethodforEstimatingPrecipitableWater
andEffectiveWaterVaporContentfrom GroundHumidity
Parameters[ J] .ChineseJournalofAtmosphericSciences, 2002,
26(1):9— 22.[杨景梅 ,邱金桓.用地面湿度参量计算我国
整层大气可降水量及有效水汽含量方法的研究 [ J] .大气科
学 , 2002, 26(1):9— 22.]
[ 11] 　SobrinoJA, RaissouniN, SimarroJ, etal.AtmosphericWater
VaporContentoverLandSurfacesDerivedfromtheAVHRR
Data.ApplicationtotheIberianPeninsula[ J].IEEE.Trans.
Geosci.RemoteSens., 1999, 37:1425— 1434.
[ 12] 　SobrinoJA, RaissouniN, LiZL.AComparativeStudyofLand
SurfaceEmissivityRetrievalfromNOAAData[ J] .RemoteSens.
Environ., 2001, 75:256— 266.
[ 13] 　SobrinoJA, LiZL, StolMP, etal.ImprovementsintheSplit-
WindowsTechniqueforLandSurfaceTemperatureDetermination
[ J] .IEEETrans.Geosci.RemoteSens., 1994, 32(2):
243— 253.