项目名称地表温度热红外定量遥感反演理论与方法.doc

一、项目名称：地表温度热红外定量遥感反演理论与方法二、推荐意见：地表温度遥感反演与验证是遥感科学界公认的重大难题。针对这一难题，该项目首创了“局部分裂窗”地表温度反演法、中红外与热红外协同反演地表温度的“日夜法”、“基于辐射能”地表温度验证法、基于地表温度-植被指数特征空间的地表能量分层切割以及“干湿边自动确定法”。该项目研究成果成功应用于中国风云卫星数据的地表温度反演和全国农业墒情监测。拟推荐国家自然科学奖二等奖。三、项目简介：地表温度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，在农业、气象、水文、生态等领域中均具有非常重要的作用。热红外遥感可高时效获取区域或全球尺度地表温度。然而，由于存在大气辐射校正、地表温度与比辐射率分离以及地表温度真实性检验等困难，地表温度的遥感反演与验证成为遥感科学界公认的难题。项目通过理论创新、模型构建、真实性检验等环节研究，攻克了这一难题，实现了热红外遥感地表温度的精确获取和有效应用，引领了热红外定量遥感研究的发展方向，推动了遥感科学的发展。1、开创了地表温度“局部分裂窗”遥感反演的先河。基于热红外相邻通道大气光谱吸收的差异，引入地表比辐射率的变化信息以及地表和大气信息分组的思路，率先提出了“局部分裂窗”概念，创立了普适的“局部分裂窗”地表温度反演方法，解决了地表温度、比辐射率与大气参数解耦的难题，成为现今广泛使用的、比辐射率已知的“分裂窗”地表温度反演方法原型。2、引领了地表温度热红外定量遥感研究的发展方向。通过引入中红外通道数据来降低方程间的相关性、使用白天和晚上多时相观测数据来增加信息量，突破了温度反演方程病态的瓶颈，首创了中红外与热红外协同反演地表温度的“日夜法”，实现了像元尺度地表温度和比辐射率的同时精确反演，奠定了地表温度和比辐射率同时反演的理论和方法基础。3、开辟了像元尺度地表温度遥感反演产品验证的新途径。基于大气廓线比地表温度具有较强空间代表性的特点，率先提出了“基于辐射能”遥感反演地表温度验证方法，克服了遥感反演温度验证需要地面同步测量地表温度的局限，突破了传统验证方法仅适用于夜间和温度均一地表的限制，完善了遥感反演地表温度产品真实性检验的方法体系。4、推动了地表温度在蒸散发遥感反演方面的有效应用。基于像元组分排序对比思路以及不同植被指数状况下“存高去低”的地表温度筛选原则，首创了基于地表温度-植被指数特征空间的地表能量分层切割理论与方法，以及地表温度-植被指数特征空间的“干湿边自动确定法”，实现了像元尺度土壤蒸发与植被蒸腾的有效分离和蒸散发的全遥感定量反演。项目取得了一批有重大国际影响力的原创性科研成果，并得到广泛应用。国内外诸多著名科学家分别撰文指出，上述发现点都属于原创性研究成果（见推荐书“客观评价”）。“局部分裂窗”法和“日夜法”被美国宇航局（NASA）作为标准方法，分别用于生产目前被全球广泛应用的MODIS 1 km和5 km分辨率的地表温度产品；“基于辐射能”地表温度验证法被NASA列为现有遥感地表温度产品验证的四种方法之一，且被广泛应用于各种中、低空间分辨率卫星地表温度遥感反演产品的真实性检验。研究成果被农业部成功应用于中国风云卫星数据的地表温度遥感反演和全国农业墒情的遥感监测。8篇代表性论文他引1196次，其中SCI他引856次，单篇最高SCI他引297次。代表性论文4和7为ESI数据库中地球科学领域2015年度的高被引论文。同时，项目培养了一支国际一流的科研团队，其中第一完成人获国家杰出青年科学基金、法国功勋与奉献金质奖章和法国学术棕榈骑士勋章，并被2015研究前沿指明为地球科学领域新兴前沿“卫星反演地表比辐射率研究”方面影响最大的科学家。四、客观评价：经中科院文献情报中心检索，项目列出的8篇代表性论文他引1196次，其中SCI他引856次（附件17-19）。由中科院文献情报中心与汤姆森路透旗下的知识产权与科技事业部联合发布的2015研究前沿指出（附件33），“卫星反演地表比辐射率研究”是地球科学领域的新兴前沿，并评价到：“特别值得一提的是，在该新兴前沿中华人科学家的表现特别抢眼，全部4篇核心论文的通讯作者都是华人科学家，其中又以来自中科院地理科学与资源所和法国国家科学研究院的李召良（Li Zhao-Liang）的影响最大”。美国宇航局采纳了“局部分裂窗”方法和“日夜法”，分别用于生产目前被全球广泛应用的1 km和5 km空间分辨率的MODIS地表温度产品（附件26-27），并将“基于辐射能”验证法作为现有遥感反演地表温度产品验证的四种方法之一。“基于辐射能”验证法目前已被广泛应用于美国和欧盟发布的各种中、低空间分辨率卫星遥感反演地表温度产品的真实性检验。项目研究成果被农业部成功应用于中国风云系列卫星数据的地表温度遥感反演和全国农业墒情的遥感监测。1、德国波茨坦气候研究中心Conradt等诸多国际著名科学家撰文指出，“局部分裂窗”方法具有原创性，其不仅优于其他的地表温度遥感反演方法，而且已成为应用最广泛的方法。2、美国马里兰大学地球科学学院定量遥感专家Vermote教授等诸多国际著名科学家撰文指出，“日夜法”具有原创性，实现了地表温度和比辐射率的同时精确反演。3、美国喷气推进国家实验室首席科学家Guillevic等诸多国际著名遥感专家撰文指出，“基于辐射能”地表温度验证法开辟了地表温度验证的新途径，是开展全球尺度或粗空间分辨率温度产品验证的最佳方法。4、法国CESBIO研究中心主任研究员Merlin于2013年在HESS撰文指出，“干湿边自动确定法”具有原创性，能够剔除地表温度-植被覆盖度（Tfvg）特征空间的异常点“ original algorithms have been proposed to lter outliers in the Tfvg space (Tang et al., 2010)”。五、代表性论文专著目录：1、Towards a local split window method over land surfaces /International Journal of Remote Sensing/ F. Becker and Z.-L. Li，1990年11卷369-393页。2、A physics-based algorithm for retrieving land surface emissivity and temperature from EOS/MODIS data/IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing/ Z. Wan and Z.-L. Li，1997年35卷980-996页。3、Radiance-based validation of the V5 MODIS land-surface temperature product/International Journal of Remote Sensing/Z. Wan and Z.-L. Li，2008年29卷5373-5395页。4、An application of the Ts-VI triangle method with enhanced edges determination for evapotranspiration estimation from MODIS data in arid and semi-arid regions: Implementation and Validation/Remote Sensing of Environment/R.L. Tang, Z.-L. Li and B.-H. Tang，2010年114卷540-551页。5、An operational two-layer remote sensing model to estimate surface flux in regional scale: Physical background / Science in China Series D-Earth Sciences / R.H. Zhang, X.M. Sun, W.M. Wang, J.P. Xu, Z.L. Zhu and J. Tian，2005年48卷225-244页。6、A review of current methodologies for regional evapotranspiration estimation from remotely sensed data/ Sensors/ Z.-L. Li, R.L. Tang, Z. Wan, Y. Bi, C. Zhou, B.-H. Tang, G., Yan and X. Zhang，2009年9卷3801-3853页。7、Land surface emissivity retrieval from satellite data/ International Journal of Remote Sensing/ Z.-L. Li, H. Wu, N. Wang, Q. Shi, J.A. Sobrino, Z. Wan, B.-H. Tang and G. Yan，2012, DOI:10.1080/01431161.2012.716540。8、Generalized split-window algorithm for estimate of land surface temperature from Chinese geostationary FengYun meteorological satellite (FY-2C) data/Sensors/B.-H. Tang, Y. Bi, Z.-L. Li and J. Xia，2008年8卷933-951页。六、主要完成人情况：1、李召良（第一），中国农业科学院农业资源与农业区划研究所研究员，提出并建立了“局部分裂窗”概念和方法，奠定了地表温度“分裂窗”遥感反演的理论和方法基础；创建了中红外与热红外协同反演地表温度的“日夜法”；提出了“基于辐射能”遥感反演地表温度验证新方法；参与提出了地表温度-植被指数特征空间的“干湿边自动确定法”。2、唐伯惠（第二），中国科学院地理科学与资源研究所副研究员，发展了我国新一代风云气象卫星数据的普适“分裂窗算法”，用于生产风云卫星地表温度产品；开展了“基于辐射能”遥感反演地表温度产品的真实性检验；参与提出了地表温度-植被指数特征空间的“干湿边自动确定法”。3、唐荣林（第三），中国科学院地理科学与资源研究所副研究员，基于地表温度-植被指数（Ts-VI）特征空间的机理研究，解译了基于卫星遥感数据的观测干湿边与理论干湿边的差异；基于地表能量平衡原理，按照不同植被指数状况下“存高去低”的地表温度筛选原则，发展了基于Ts-VI特征空间的地表能量切割理论与方法和Ts-VI特征空间的“干湿边自动确定法”，实现了像元尺度地表蒸散发的全遥感反演。4、吴骅（第四），中国科学院地理科学与资源研究所副研究员，开展了不同尺度地表温度代表性分析，构建了不同尺度间地表温度尺度转换模型；开展了“基于辐射能”遥感反演地表温度产品的真实性检验。5、张仁华（第五），中国科学院地理科学与资源研究所研究员，提出了像元排序对比思路，发展了基于地表温度-植被指数特征空间的地表能量分层切割理论与方法，实现了像元尺度土壤蒸发与植被蒸腾的分离。七、完成人合作关系说明：本项目由李召良、唐伯惠、唐荣林、吴骅、张仁华共同完成。李召良系本项目第一完成人，第二完成人唐伯惠于2004-2007年师从第一完成人，攻读定量遥感博士学位，毕业后继续留在第一完成人所在的定量遥感研究团队。合作期间，与第一完成人共同开展了遥感反演地表温度的真实性检验试验，发展了我国新一代静止气象卫星FY-2数据的地表温度反演算法，完善了“局部分裂窗”方法。第三完成人唐荣林于2007-2011年师从第一完成人，攻读定量遥感博士学位，毕业后继续留在第一完成人所在的定量遥感研究团队。合作期间，与第一完成人共同解译了基于卫星遥感数据的观测干湿边与理论干湿边的差异，发展了基于地表温度-植被指数（Ts-VI）特征空间的地表能量切割理论与方法和Ts-VI特征空间的“干湿边自动确定法”，实现了像元尺度地表蒸散发的全遥感反演