地表发射长波辐射（Surface-emitted Longwave Radiation，SELR）是指地表自身发射的长波辐射，是地表向上行长波辐射的关键组成，也是与地表系统能量平衡有关的重要参数。准确估算地表热辐射对了解其时空动态和地表热环境具有重要的科学价值。估算城市SELR对于建立城市气候模型和了解城市结构或材料对城市热环境的影响非常重要。
基于团队研制的城市地表热辐射模型 UCM-RT，北京大学遥感与地理信息系统研究所任华忠课题组进一步提出了一种新型混合方法（Urban-oriented Hybrid Method，UoHy），以从高空间分辨率热红外影像的大气层顶（Top of Atmosphere，TOA）辐亮度直接估算城市地表发射长波辐射SELR。方法以高分五号全谱段光谱成像仪（GF-5/VIMS）热红外影像为例，对模型参数进行敏感性分析，并在北京市核心区域开展应用和对比分析。研究成果近期以“Urban surface-emitted longwave radiation estimation from high spatial resolution thermal infrared images using a hybrid method”为题，发表于国际权威期刊Remote Sensing of Environment (IF = 11.1)。论文第一作者为博士研究生林嵩懿，通讯作者为任华忠研究员。
地表能量平衡研究中更为常见的与SELR定义相关的参数是地表上行长波辐射（Surface Upward Longwave Radiation，SULR）。它的定义不仅包括地表本身发出的辐射，还包括地表反射的下行长波辐射。然而，SELR更侧重于地面本身作为辐射体的作用，强调地表由于其温度和发射率而直接发射的长波红外辐射，其更倾向于理解地表物质（如土壤、植被、水体和人造表面）由于其热状态而自然发射的长波辐射能量。因此，SELR更能表征地表热辐射的真实情况，消除了大气下行热辐射的干扰。因此，本研究关注城市地表的SELR而非SULR的遥感估算。目前SELR的遥感估算方法主要是针对公里级中低空间分辨率遥感影像研制的，并且多假设平坦和均匀像元，而对于高空间分辨率影像的复杂地表（如城市表面）的SELR估算缺乏方法。城市地表几何和空间结构的复杂性会增加热辐射的多次散射，使相邻城市像元辐射以及向下的大气辐射重新分布，从而使得城市地表长波辐射的估算面临挑战。本研究通过引入天空可视因子（Sky View Factor，SVF）来考虑城市复杂结构对像元热辐射的影响。SVF定义为地表表面从天空接收到的辐射与整个半球接收到的辐射之比，通常用于表征城市地区和山区等复杂地表的地表辐射特征，被广泛应用于城市热岛效应和城市能量平衡等研究中。基于SVF表征的城市像元和相邻像元的几何结构参数，本研究以团队前期开发的城市冠层多次散射热辐射传输模型（Urban Canopy Multiple Scattering Thermal Radiation Transfer Model，UCM-RT）作为了混合方法的物理模型基础，具体流程如图1所示。
图1 以GF-5影像为例的估算城市SELR的UoHy方法技术路线图
首先，基于UCM-RT模型和大气辐射传输模型生成不同大气和地表条件下的模拟数据集。其次，建立多个热红外波段表观辐亮度到城市地表SELR的数学方程，从而确定估算城市SELR函数。在模拟数据集中，对不同SVF和水汽条件下的UoHy方法理论精度及敏感性进行了分析。结果表明，UoHy方法具有良好的理论精度（见图2），低大气水汽条件下SELR误差小于12.0 W/m2，高大气水汽条件下SELR误差小于17.0 W/m2。敏感性分析结果表明，即使存在传感器噪声和SVF误差，但该方法仍然表现良好，仅产生了相对很小的附加误差（小于6.5 W/m2）。总体上，大气水汽含量是影响城市SELR估算精度的关键参数，而常见的SVF不确定度等级对城市SELR估算误差相对较小。
图2 不同水汽条件和SVF情况下的SELR估算理论精度和特定情况下估算SELR和实际SELR的散点图
选取北京市核心区域为研究区，以GF-5 VIMS分别在白天和夜间拍摄的影像为实验数据，开展了UoHy方法的实际应用（图3）。结果表明，城市SELR估算结果的取值范围和空间分布符合预期。然而，方法的实际精度需要进一步的评价，在未来的研究中将尝试获取更多详细的现场数据并加以验证。
图3 UoHy方法获得的北京城区昼夜城市SELR空间分布图和数值直方图
基于模拟数据集及在高空间分辨率真实热红外遥感影像上的应用对比表明，UoHy方法比传统的自然平坦地表的混合方法（Natural Surface-oriented Hybrid Method，NoHy）的精度提高了7.0 ~ 10.0 W/m2（图4），特别是在SVF在0.5 ~ 0.8之间（建筑密集区）的区域更为明显，直接证明了在利用高空间分辨率遥感影像估算城市SELR时，应考虑几何效应。可以说明，UoHy方法利用SVF捕获城市地表复杂的三维结构，在城市SELR估算中具有重要的实际应用价值。
图4 不同水汽条件和SVF情况下的UoHy方法和NoHy方法估算SELR的差异
该研究得到了国家自然科学基金委优秀青年基金(42222107)生态及遥感监测运维项目-热异常遥感监测（BJMEMC-ZC-2022135）、国家民用航天预研项目(D040102) 以及国家自然科学基金委重点基金项目 (42130104)资助。
原文下载地址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425724004681
文献引用：Songyi Lin, Huazhong Ren*, Rongyuan Liu, Jinxiang Li, Shanshan Chen, Yuanjian Teng, Wenjie Fan, Baozhen Wang, and Yu Liu. Urban surface-emitted longwave radiation estimation from high spatial resolution thermal infrared images using a hybrid method. Remote Sensing of Environment, 2024, 315, 114442, doi: 10.1016/j.rse.2024.114442
团队发表的有关城市热辐射建模与城市地表温度反演的其他相关论文：
l Shanshan Chen, Huazhong Ren*, Xin Ye, Jiaji Dong, and Yitong Zheng. Geometry and adjacency effects in urban land surface temperature retrieval from high-spatial-resolution thermal infrared images. Remote Sensing of Environment. 2021, 262, 112518, doi:10.1016/j.rse.2021.112518.
l Shanshan Chen, Huazhong Ren*, Chenchen Jiang, Yuanjian Teng, Xin Ye, Jinshun Zhu, Jiaji Dong, He Huang, and Yu Liu. (2023). Urban Land Surface Temperature Retrieval from High Spatial Resolution Thermal Infrared Image using a Modified Split-window Algorithm. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 61, 5003216, doi: 10.1109/tgrs.2023.3291708
l Xin Ye, Huazhong Ren*, Pengxin Wang, Jian Zhu, Jinshun Zhu. Thermal Infrared Radiance Transfer Modeling of the Urban Landscape at Ultrahigh Spatial Resolution. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2023, 20, 2502005,doi: 10.1109/LGRS.2023.3270582
联系方式：
任华忠：renhuazhong@pku.edu.cn，01062760375
林嵩懿：linsy@pku.edu.cn
