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user: 4. 热红外与被动微波遥感的协同机制 如全文所述，热红外遥感与被动微波遥感的主要用途之一，即实现地表温度等参数的反演。二者具有不同的优势，使得协同反演成为可能。面向地表温度及相应参数反演这一目标，协同机制的研究，重点在于面向地表温度及相应参数反演中，如何解决二者的差异并实现优势互补。然而，虽然国内外学术界在面向特定目标中已有较多的研究涉及到热红外遥感与被动微波遥感的综合使用，关于热红外与被动微波遥感的协同机制的专门研究还很少。 热红外遥感在使用中的主要局限性在于受到天气因素的重要影响，但其空间分辨率相对较高，且其反演获得的地表温度在地表辐射与能量平衡建模、气候变化等领域的应用已较为成熟。被动微波遥感的主要优势在于受天气因素的影响较小，而其主要劣势在于空间分辨率极低。此外，由于被动微波遥感传感器在不同频率、不同极化通道观测获得的能量来源于一定深度，而这种深度往往具有很大的不确定性，这使得被动微波遥感反演获得的地表温度的物理意义是模糊不清的，甚至获得的温度是否为真正意义上的“地表温度”尚存在较大疑问。进一步的，这种物理意义模糊不清的“地表温度”尚无法像热红外遥感提供的“地表温度”与实际应用有效衔接。 协同反演的宗旨是实现个体协同的成效大于个体各自成效之和。因此，若暂不考虑二者反演的地表温度物理意义上的差异，二者的协同即是一个“取长补短”的过程。就热红外与被动微波遥感受天气影响的差异而言，被动微波遥感反演所得的地表温度，是热红外遥感地表温度的重要补充。目前，被动微波遥感反演地表温度的理论与方法还不成熟，而热红外遥感反演理论与方法较为成熟，故在二者的协同反演中，被动微波遥感是主体，热红外遥感是客体，客体为主体服务。 4.1. 协同机制1：空间尺度匹配 由于地表在热红外通道的辐射能量较在被动微波通道大，故热红外遥感影像的空间分辨率一般高于被动微波遥感影像。此外，具有热红外通道的星载光学遥感传感器往往同时具有反射通道，反射通道遥感影像的空间分辨率可能高于热红外通道。如AVHRR影像的反射通道、热红外通道星下点空间分辨率均为1.1 km。MODIS影像反射通道星下点空间分辨率为250 m、500 m，热红外通道则为1 km。SMMR的6.6 GHz、10.7 GHz、18.0 GHz、21.0 GHz和37.0 GHz通道的空间分辨率分别为150 km、90 km、55 km、45 km和25 km。SSM/I的19 GHz、22 GHz、37 GHz和85.5 GHz通道的空间分辨率分别为50 km、50 km、30 km和15 km。AMSR-E的6.9 GHz、10.7 GHz、18.7 GHz、23.8 GHz、37 GHz和89 GHz通道的空间分辨率分别为50 km、50 km、25 km、25 km、15 km和5 km。 热红外遥感与被动微波遥感像元空间分辨率存在的较大差异，使得二者在协同反演中，至少存在以下方面的困难： 1) 在对同一区域成像后，当利用热红外遥感为被动微波遥感服务时，对地形平坦、均一像元，可通过平均聚合的方法获得到被动微波遥感像元尺度的热红外观测信息；然而，对于异质性地表，这种简单的平均聚合可能存在较大的不确定性，这涉及到热红外遥感的空间上采样问题。 对于平坦区域的地表温度空间上采样，常通过下式进行： (17) 式中，T s 为低空间分辨率像元的表面温度；f i 为低空间分辨率像元内部第i个高空间分辨率像元的比例；T i 为第i个高空间分辨率像元的表面温度；n为高空间分辨率像元数目。 式(17)实际上是在对地表温度数据空间上采样采用平均的重采样方法求得。实际上，在上采样过程中，需采用能量加权平均的方法： (18) 式中，ε i 为第i个高空间分辨率像元的宽波段发射率；ε为低空间分辨率像元的宽波段发射率。 对于起伏地形，Liu et al. (2006)提出了空间上采样方法： (19) 式中，γ为传感器观测路径与地表法线的夹角；α为地表坡度； 为地表周围地物的平均辐亮度。式(19)考虑了地形与邻边效应对地表温度空间上采样的影响，有助于解决复杂地表热红外遥感地表温度与被动微波遥感数据的空间尺度匹配问题 [ 19 ] 。 2) 在上采样过程中，由于地物-热红外遥感传感器和地物-被动微波遥感传感器观测几何条件可能存在差异，并由此产生的热辐射方向性特征，给热红外遥感与被动微波遥感的协同带来困难。 4.2. 协同机制2：有效温度与肤面温度转换 热红外遥感获得的地面辐射信息一般来源于地表面以下数个微米深度处，故学术界将据其反演得到的地表温度又称为肤面温度(skin temperature)。微波对于土壤具有一定的穿透性，故被动微波遥感获得的地面辐射信息，除来源于其肤面辐射外，还包含有其下一定深度，随着距离地表的深度增加，各层辐射信息对最终观测结果的贡献越小。 对于被动微波遥感，有三种重要的“深度”，即热采样深度(Thermal sampling depth， TSD)、皮肤深度(Skin depth， SD)和穿透深度(Penetration depth， PD)。其中，为被动微波遥感传感器提供绝大部分可观测的微波辐射信息的深度，被定义为热采样深度；电磁波幅度衰减到1/e的深度被定义为皮肤深度；电磁波强度或能量衰减到1/e的深度被定义为穿透深度。热采样深度主要受到表面介电常数和近地表介电常数梯度的影响，一般为波长的数十倍。 因此，热红外遥感与被动微波遥感协同中，涉及到前者观测的“肤面温度”与后者获取的“有效温度”的转换。对于裸土而言，土壤的热传导方程将有助于实现这种转换： 在地面精细实验观测的基础上，研究肤面温度与被动微波遥感获取的有效温度的关系。如对于裸露地表，某深度的土壤温度可表示为： (20) 式中，z为深度；t为时刻；T a 为某深度的温度常数；A为温度变化幅度；D为衰减深度。利用式(20)构建土壤肤面温度与被动微波遥感获取的有效温度的转换是可行的，但必须充分结合热红外与被动微波遥感多次观测、地面实验获得的先验知识等。对于稀疏植被地表，在式(20)中需加上植被修正项 [ 20 ] 。 实际上，对于面向被动微波遥感地表温度反演的经验算法或半经验算法，当使用热红外遥感提供的肤面温度或模式模拟的0 cm表面温度作为地表温度的“真值”时，训练所得的算法系数中，已在一定程度上蕴含了土壤有效温度至肤面温度的转换方法。对于涉及到不同频率通道的半经验算法和物理算法，尤其是低频通道，这种转换对于最终计算结果非常重要。如目前大多数计算被动微波地表发射率的方法中，直接使用热红外遥感反演的肤面温度作为被动微波低频通道的地表温度，将对发射率计算结果产生较大误差。在使用不同通道时，若不考虑各通道有效温度之间的转换，对于最终反演的地表温度将产生的不确定性。另一方面，目前热红外遥感反演的肤面温度在实际应用中较为广泛。因此，如何利用被动微波遥感获取的遥感信息提取肤面温度，将是未来一个重要的发展方向。 4.3. 协同机制3：空间分辨率提升 目前被动微波遥感的空间分辨率极低，仅能满足大陆或全球尺度的相关应用，距离区域尺度的应用需求尚存在较大差距，这涉及到被动微波遥感空间分辨率提升的问题。 被动微波地表温度空间分辨率提升，依赖于低空间分辨率的被动微波遥感地表温度和较高空间分辨率的辅助参数。其中辅助参数除热红外遥感观测信息外，还可有其他光学传感器提供的观测信息及衍生参数、地理信息数据等。根据尺度推演原理，在低空间分辨率尺度上建立的映射关系，可以推演至较高空间分辨率；同时，尺度推演会导致一定的误差。参考热红外遥感地表温度空间分辨率提升模型的相关理论，在空间分辨率提升中，被动微波遥感地表温度与其他信息的协同可表示为： (21) 式中，T sPW 为被动微波遥感地表温度；函数g表示地表参数与被动微波遥感地表温度的映射机制；ρ i 为地表参数，可能包含热红外遥感地表温度T sTIR 、植被指数VI、植被覆盖度f v 、发射率ε等。 获得函数g的显式或隐式表达后，空间分辨率提升后的被动微波遥感地表温度 表示为： (22) 式中， 为提升后空间分辨率尺度的地表参数集合； 为原始空间分辨率尺度上式(22)的预报误差。 目前，针对被动微波土壤水分空间分辨率提升已有部分研究报道，针对被动微波遥感地表温度的相关研究还非常少。与热红外遥感类似的，被动微波遥感地表温度空间分辨率提升面临着最优地表参数(集合)、回归窗口等确定的困难。同时，由于被动微波辐射可能来源于一定深度(与地表覆盖类型、土壤湿度等密切相关)，其地表温度空间分辨率提升对于最优地表参数(集合)等存在特殊要求。