城市下垫面热辐射方向性的多尺度几何模型

As an advanced technique capable of obtaining continuous surface temperatures in comparison with the point-based meteorological observations, thermal remote sensing has become an increasingly important tool to investigate the urban thermal climate. Thus, the quantitative remote sensing of the urban thermal environment, undeniably, requires an in-depth understanding of the urban thermal anisotropy (UTA). For the better modeling of the UTA, this project plans to propose a geometric framework at three spatial scales, including the close-range, pixel, and landscape scales, which correspond to three entities including the single building, architectural complex, and city. Via the inherent conversion mechanisms among the component, directional, and integral temperatures, this study aims to explore the basic laws that underlies UTA. Its research contents include the following: (1) At the close-range (i.e., single building) scale, we will model the surface temperatures over a single building and investigate the UTA under various specific observation conditions based on the concept of component temperature. (2) At the pixel (i.e., architectural complex) scale, we will study how the directional temperature can be angularly normalized based on a reasonable parameterization strategy as well as a practical design of driving kernels of urban surfaces. (3) At the landscape (i.e., city) scale, we will analyze the spatio-temporal patterns of urban thermal landscapes, primarily based on the concept of the integral urban surface temperature. This project is expected to be able to improve the geometric modelling of UTA and it provides new avenues for the further investigation of urban thermal climate using remote sensing.

热红外遥感数据极大地弥补了传统气象对地表温度观测的不足，成为研究城市热环境时空格局的重要手段。适时开展城市下垫面热辐射方向性的遥感研究，无疑是开启城市热环境定量研究的关键步骤。针对"近景-像元-景观"等不同研究对象，阐明组分温度、方向温度及表面温度的内在转换机制，形成一套涵盖"近景-像元-景观"尺度的城市热辐射方向性多尺度空间几何模型，旨在揭示热辐射方向性的基本规律。研究内容包括：（1）在近景尺度上，着眼于组分温度，模拟近景单元的温度分布，在特定观测条件下推演近景单元的热辐射方向性；（2）在像元尺度上，着眼于方向温度，研究城市下垫面结构的几何化参数化简化、下垫面热辐射驱动核模型以及方向温度的校正；（3）在遥感景观度上，着眼于表面温度，构建城市热环境的空间轨迹模型，分析热环境景观格局时空演变特征。本课题有望改进和完善城市下垫面热辐射方向性几何模型，为城市热环境遥感研究的深入提供理论基础。

热红外遥感极大地弥补了传统气象对地表温度观测的不足，成为研究热环境时空格局的重要手段。由城市三维结构和温度异质性导致的城市热辐射方向性问题，使得遥感地表温度尚无法全面、客观与定量反映城市地表温度场特征。本项目完成的主要研究工作包括：（1）在建筑群尺度，结合城市几何结构和地表温度参数，基于简单几何的方法计算建筑场景组分比例，构建适用于稀疏建筑场景热辐射方向性模拟的几何模型GUTA-sparse。该模型适用于建筑高-街道宽的比值h/w < 1.0的建筑场景。将导致城市热辐射方向性的因素分解为墙体和阴影地面的贡献，并量化贡献度在半球空间上的分布，解决了以往参数化模型没有考虑城市地表特有属性的不足。（2）在建筑群尺度，构建适用于中等密集程度建筑场景的热辐射方向性模拟几何模型GUTA-dense。考虑观测和光照方向上建筑之间的互相遮蔽，假设建筑位置和朝向随机分布，基于概率几何模型Boolean计算建筑场景组分比例。该模型适用于h/w < 2.0及h/w = 2.0-4.0且屋顶占水平面比值λp < 0.3的建筑场景。（3）在建筑群尺度，构建模拟密集建筑场景观测天顶角较大情况下热辐射方向性的几何模型GUTA-dense。模型对观测天顶角较大情况下传感器视场中墙体比例的变化；与此同时，太阳天顶角较大情况下传感器视场中阴影地面比例的变化进行限制。该模型适用于三维建筑高-街道宽比值[h/w]3D > 2.0且观测天顶角大于50°的情况。[h/w]3D 越大，所适用的观测天顶角范围越大。（4）考虑建筑尺度表面温度随时间变化规律，对几何模型中的组分温差项进行参数化，构建既顾及地表温度随时间变化，又考虑遥感地表温度方向性的城市热辐射方向性几何模型，为不同时间方向温度观测角度归一化提供方案。本项目构建了适用于不同密集程度建筑场景的热辐射方向性几何模型框架，为城市地表遥感方向温度角度校正，获取建筑场景温度分布全貌提供理论基础，促进城市热红外遥感研究走向深入。