文章标题：An improved temperature and emissivity separation algorithm for vegetated surfaces with constrained emissivity spectral contrast

发表期刊：Remote Sensing of Environment

在线时间：2026年4月

文章作者：

刘伟汉，讲师，研究方向为热红外定量遥感

程 洁，教授/博导，长期从事定量遥感与地球辐射平衡研究

作者单位：

北京师范大学 遥感与数字地球全国重点实验室；空天信息大学 遥感科学与技术学院

研究背景

植被冠层具有高发射率、低光谱反差的特征。理论上，随着植被丰度提高、土壤背景占比降低，植被像元发射率向植被冠层发射率特征收敛，从而呈现出随植被丰度变化的特征。然而，在地表温度与发射率分离（TES）算法中，观测噪声和大气校正残差容易引起植被像元MMD的虚假放大，进而导致地表发射率低估与地表温度高估。典型的例子如ASTER和MODIS发射率产品，均不能表征植被丰度季节变化。

研究方法

面向植被像元，在TES框架的MMD模块中引入了基于植被丰度约束的物理上限，以限制异常MMD对反演结果的误差传播。具体而言，基于热红外冠层辐射传输模型4SAIL模拟了不同叶面积指数（LAI）条件下的植被发射率光谱（图1a）。随后，计算各LAI组别发射率样本的MMD，并将每组MMD的Wilks单侧上容忍限作为该LAI条件下的物理上限。最终，构建了LAI–MMD查找表（图1b），用于在反演过程中对植被像元的MMD施加随植被丰度变化的上限约束。

图1. 植被覆盖样本发射率光谱及LAI-MMD统计关系

研究结果

在SURFRAD植被覆盖站点开展了地表温度验证，结果表明，相较于MYD21地表温度，本算法（MMD-constrained TES，MCTES）反演的地表温度偏差由0.99 K改善到0.32 K，RMSE由2.76 K改善到2.65 K（图2）；基于鹤壁市冬小麦田以及西班牙瓦伦西亚水稻田的野外实测发射率的地面验证表明，MxD21地表发射率部分波段存在达0.02以上的系统性低估，而本算法反演的地表发射率在各波段的偏差均小于0.01（图3）。美国大陆宽波段发射率制图结果表明，相较于MYD21发射率，MCTES反演的发射率能够呈现与季节性地表状况更加一致的空间分布特征（图4）

图2. 地表温度验证结果

图3. 地表发射率验证结果：(a)鹤壁市冬小麦田; (b)西班牙瓦伦西亚水稻田

图4. 2024年4月(左列)、7月(右列)美国本土陆地区域月均宽波段发射率空间分布：(a-b) 真彩合成影像; (c-d)本算法反演; (e-f) MYD21

统计了2024年AQUA/MODIS过境SURFRAD植被站点各时段的LAI，并基于LAI分组统计了各组别的平均发射率（图5），结果表明，本算法反演的地表发射率随LAI变化呈现出较为稳定且物理合理的特征，MYD21地表发射率整体偏低且存在剧烈震荡，而MYD11地表发射率不能响应植被丰度变化。分别以上述三种发射率作为输入，测试了普适性分裂窗算法的地表温度反演精度（图6），结果表明，本算法反演的地表发射率效果最优，偏差和RMSE分别为0.54 K和2.42 K。

图5. 地表发射率随LAI的统计结果：(a) 本算法; (b) MYD21; (c) MYD11

图6. 不同来源发射率背景场的分裂窗算法地表温度反演精度：(a) 本算法; (b) MYD21; (c) MYD11

论文链接

Liu, W., & Cheng, J. (2026). An improved temperature and emissivity separation algorithm for vegetated surfaces with constrained emissivity spectral contrast. Remote Sensing of Environment, 340, 115426

https://doi.org/10.1016/j.rse.2026.115426（阅读原文）

本研究受到国家自然科学基金（42071308）和空天信息大学(筹)高水平人才团队科研启动项目的资助