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申请/专利权人：中国农业科学院农业资源与农业区划研究所;农业农村部规划设计研究院

摘要：本发明公开了一种耦合遥感观测和地表能量平衡的全天候地表温度反演方法，包括云模式的识别、耦合遥感观测和辐射能量平衡模型的云下地表温度算法、全天候地表温度获取等步骤，该方法充分利用地表能量平衡物理机制，在运算过程中考虑了地表温度的垂直温度梯度，并利用地表热通量与地表温度的关系量化云下热辐射变化。同时，充分考虑了遥感观测机制对地表温度和辐射通量的双重影响，剔除了遥感观测效应估算实际的辐射通量数据。针对云像元的太阳辐射受云遮挡的情况，采用不同的估算方式量化云像元地表温度，进而实现了云下地表温度的针对性遥感反演。

主权项：1.一种耦合遥感观测和地表能量平衡的全天候地表温度反演方法，其特征在于，包括以下步骤X1、X2和X3：X1、云模式的识别X11准备MODIS云检测数据MYD35产品，提取初步晴空区A1和有云区A2，有云区A2对应的地表温度产品为无效值；X12所需角度数据准备：准备相对应的几何定位文件MYD03数据，获取遥感观测天顶角θv、观测方位角太阳高度角θs、太阳方位角方位角范围是-180°到180°，东90°，西-90°，南180°，北0°；X13地面以上云顶高度计算：从相对应区域的MYD06云高产品获取云顶高度数据，统一为米单位，并将MODIS的云顶高度减去地面高度，表示为H；X14将云检测数据逐像元执行文件坐标到相应投影系统地图坐标的转换，得到相应的投影系统地图横坐标和纵坐标值；X15云正射位置确定，根据现有的投影系统下地图坐标的横坐标和纵坐标值的基础上，分别加地图位移增量和获取云的正射位置投影系统的横坐标和纵坐标，将云正射位置投影系统地图坐标转换到文件坐标，从而获取相应的云正射区A3；X16云投影位置确定：计算有云区A2整体对应的阴影投影在地表上位置，分别在云在地表正射投影X坐标和Y坐标上加位移增量和得到相应云阴影投影的X坐标和Y坐标位置，将云投影的X坐标和投影系统地图坐标转换到文件坐标，从而获取相应的云投影区A4；X17云模式识别：依据遥感观测几何关系，根据地表接收的太阳辐射是否受云遮挡作用影响和像元是否遥感观测可视将遥感影像中像元分为以下四种类型：A区，云投影区A4与有云区A2的非重叠区A4像元，可观测但是太阳辐射被遮挡，该部分为云投影的阴影像元；B区，有云区A2与云投影区A4的重叠区像元，不可观测且太阳辐射受云遮挡，该部分地表温度的变化在晴空地表温度的基础上，还需要考虑云对太阳辐射的影响；C区，有云区A2和云投影区A4的非重叠区A2像元，不可观测且太阳辐射未受云遮挡，该部分地表温度与晴空区类似；D区，可观测且太阳辐射未受云遮挡，初步晴空区A1减去阴影区A像元，为实际的晴空区；X2、耦合遥感观测和辐射能量平衡模型的全天候地表温度算法X21地表能量平衡模型根据地表能量平衡理论，能量通量之间的关系式表示为：Sn-Fn＝G+H+LE1式中Sn为地表太阳或短波净辐射通量，Fn为地表长波净辐射通量，G为地面热通量，H和LE分别为感热通量和潜热通量；根据力恢复法，通过考虑地表温度的垂直温度梯度，以及土壤导热系数和渗透深度，推导出地表热通量与地表温度之间的关系，体现了地表能量平衡的物理机制；公式1可以进一步表示为： 系数a是表土性质的函数，b是局部表面和土壤性质的函数；kg为土壤导热系数，单位为Wm-1K-1；ΔZ是土壤深度，设为0.1m；然后，根据基于相邻晴空像元的假设，假定两个像元或两个时刻之间的太阳净辐射以及地表温度的差异仅由云引起；这一假设下，公式2中的微分可以近似为有限差分，其含义是两个相邻像元之间的短波净辐射差和两个相邻像元之间的地表温度差；进一步写成： 其中λ＝kgΔZ，1K＝1-a-bλ，ΔTs是两个相邻像元之间地表温度差，ΔSn是两个相邻像元之间短波净辐射的差值；因此，云像元的地表温度表示为： Tcloud是有云像元地表温度，Tclear是时间上或空间上相邻晴空像元的地表温度，ΔSn是两像元之间的短波净辐射差值；其中K值是土壤热传导系数，与土壤导热系数相关；根据公式3和4可知，联合K值和ΔSn即可计算得出受云影响的地表温度差值ΔTs；对于一个给定云像元，其白天云下地表温度由两部分构成：理论晴空地表温度Tclear和云像元地表温度修正项ΔTs；X22遥感观测效应和地表能量平衡耦合算法研究针对MODIS进行云下地表温度估算时，考虑地表温度遥感观测几何效应，将太阳辐射受云遮挡的区域即B区和未受遮挡的区域即C区分别进行研究估算；MODIS所有云像元的地表温度Tcloud可以表示为B区云像元地表温度和C区云像元地表温度的集合，表达式为： 其中，C区地表温度对应于理论晴空地表温度因为其太阳辐射并没有受到云的遮挡,因此有： B区地表温度表示为理想晴空地表温度和考虑遥感观测效应的云像元地表温度修正项ΔTsc之和；B区像元地表温度表示为如下公式： 根据以上地表能量平衡模型推导可知，考虑遥感观测效应的云像元地表温度修正项ΔTsc表示为如下公式： ΔSnc＝NSSRactual-NSSRclear9其中，ΔSnc为考虑遥感观测效应影响的有云条件下和理论晴空条件下的实际短波净辐射差值，NSSRactual为有云条件下剔除遥感观测效应后的实际短波净辐射，NSSRclear为理论晴空短波净辐射，K值是土壤热传导系数；X3、全天候地表温度获取通过公式5即可得到所有云像元的地表温度，然后根据公式10，联合实际晴空地表温度和阴影区地表温度即可得到耦合遥感观测和地表能量平衡的全天候地表温度Tall-weather； 实际晴空地表温度和阴影区地表温度从原始的温度产品获取。

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