第３４卷第ｌ期２０１５年２月；文章编号：１００１―９０１４（２０１５）叭一００；红外与毫米波学报；Ｊ．ＩＩｌｆｈｒｅｄ；Ｖ０１．３４．Ｎｏ．１Ｆｅｂｍａｒｙ，２０１５；Ｍｉｌｌｉｍ．Ｗａｖｅｓ；ＤＯＩ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１０１０．２０；一种近似用于高发射率城市地表热红外等效发射率；的方向性变异核驱动模型及其不确定性分析；灏１，；陈云浩１木，占文凤１一
第３４卷第ｌ期２０１５年２月
文章编号：１００１―９０１４（２０１５）叭一００６６―０８
红外与毫米波学报
Ｊ．ＩＩｌｆｈｒｅｄ
Ｖ０１．３４．Ｎｏ．１Ｆｅｂｍａｒｙ，２０１５
Ｍｉｌｌｉｍ．Ｗａｖｅｓ
ＤＯＩ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１０１０．２０１５．０００６６
一种近似用于高发射率城市地表热红外等效发射率
的方向性变异核驱动模型及其不确定性分析
陈云浩１木，占文凤１一，王萌杰１，马伟３
１００８７５；
（１．北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室资源学院，北京
２．南京大学江苏省地理信息技术重点实验室国际地球系统科学研究所，江苏南京２１００９３；
３．中国冶金地质总局矿产资源研究院，北京１０００２５）
摘要：地表热红外发射率（８―１４¨ｍ）的方向性变异为遥感地表温度的反演及应用引入了不确定性，这种问题在城市地表显得尤为突出．发展了一种近似用于高发射率城市地表热红外等效发射率的方向性变异（ｕｒｂａｎＳｕ血ｃｅＥｍ?
ｉｓｓｉｖｉｔｙ
Ａｎｉｓｏｔｍｐｙ，ｕｓＥＡ）核驱动模型，并分析了具体应用时的不确定性，其中ｕｓＥＡ用非垂直观测的发射率与垂直
观测时的发射率之比定量表示．模型有两个基本假设：（１）白天，ＵＳＥＡ具有热点效应，热点位置与太阳位置接近；（２）夜晚，ｕｓＥＡ无明显热点效应，且主要与观测天顶角相关．该核驱动模型由各向同性核、多次散射核、以及温差核组成，其中各向同性核为常数１，多次散射核描述了ｕｓＥＡ与观测天顶角的关系，温差核描述了ｕｓＥＡ的热点效应．基于计算机模拟数据的模型评价结果表明，核驱动模型可以表达ｕｓＥＡ的时空变化，但城市地表热惯量会导致模型的适用性降低．该核驱动模型在ＭＯＤＩｓ等传感器的方向性比辐射率数据上，具有一定的应用潜力．关键词：遥感；城市；热红外发射率；方向性；核驱动模型中图分类号：ＴＰ７文献标识码：Ａ
ｋｅｒ玳ｌ
ｍｏｄｅｌｆｏｒｕｒｂａｎｓｕｒｆａｃｅｔｈｅｒｍａｌｅｍｉｓｓｉＶｉｔｙ
ａＩｌｉｓｏｔｒｏｐｙａｎｄｉｔｓｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓ
ＳＵＮＨａｏ‘，ＣＨＥＮＹｕｎ．Ｈａｏ”，
ＺＨＡＮＷｅｎ―Ｆｅｎ９１’２，ＷＡＮＧＭｅｎｇ―Ｊｉｅｌ，
ｌ００８７５，Ｃｈｉｎａ；
ＭＡＷｅｉ’
（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥａｎｈＳｕｒｆ如ｅＰｒｏｃｅｓｓｅｓ蚰ｄＲｅｓｏｕｒｃｅＥｃｏｌｏｇ）ｒ，ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓＳｃｉｅｎｃｅ＆
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＢｅｉｊｉｎｇＮｏ皿ａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ
２．ＪｉａｎｇｓｕＰｍｖｉｎｃｉａｌＫｅｙ【丑ｂｏｍｔｏｒｙｏｆＧｅｏｇｒａｐｈｉｃ
Ｉｎｆｏ咖ａｔｉｏｎ
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇ）ｒ，ＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ
２１００９３，Ｃｈｉｎａ；
ＥａｒｔｈＳｙｓｔｅｍＳｃｉｅｎｃｅ，Ｎ姐ｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎ粕ｊｉｎｇ
３．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｎｅｒａｌＲｅｓ叫ｒｃｅｓＲｅｓｅａｒｃｈ，ＣｈｉｎａＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＧｅｏｌｏｇ）ｒＢｕｒｅａｕ，Ｂｅｉｊｉｎｇ
１０００２５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｓａＩｌｉｓｏ仃ｏｐｙｏｆｌａｎｄｓｕｒｆａｃｅｌａｎｄｓｌｌｒｆ如ｅ
ｔｌｌｅ咖ａｌｅＩＩｌｉｓｓｉｖｉ哆（８～１４Ⅲｍ）ｒｅｄｕｃｅｓ
ｍｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔ量ｌｅｒｅｍｏｔｅｌｙｓｅｎｓｅｄ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（ＬＳＴ）锄ｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｗｔｌｉｃｈｉｓｍｏｒｅｉＩｎｐｏｒｔ柚ｔｆｏｒ１１１．ｂａＩｌｓｕｒｆａｃｅ，ａｋｅｍｅｌｍｏｄｅｌｗａｓｓｕｇ－
ｇｅｓ白ｅｄｉｎｔ｜ＩｉｓｐａｐｅｒｔｏｄｅｓｃｒｉｂｅｍｅｕｒｂａＩｌｓｕｒｆａｃｅｅＩＩｌｉｓｓｉＶｉｔｙ
ｔｗｅｅｎ
ｏｆｆ－ｎａｄｉｒａｌｌｄｎａｄｉｒｏｂｓｅｎｒｅｄｅＩＩｌｉｓｓｉｖｉｔｙ．Ｔｈｅｋｅｍｅｌ
ｓｕｎ’ｓ
ａＩｌｉｓｏ廿ｏｐｙ（ＵＳＥＡ）．ＴｈｅＵＳＥＡｉｓｅｓｔｉｍａｔｅｄｂｙ山ｅｒａｔｉｏ
ｍｏｄｅｌｈａｓ铆ｏｂａｓｉｃａｓｓｕｍｐｔｉｏｎｓ：（１）ａｔｄａｙｄｍｅ，ＵＳＥＡ
ｂｅ―ｈａＬｓ
ａｐｐａｒｅＩｌｔｈｏｔｓｐｏｔｗｈｏｓｅ１０ｃａｔｉｏｎａｐｐｍａｃｈｅｓｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎ；（２）ａｔＩＩｉｇｈｔｔｉｍｅ，ｔｌｌｅｒｅａｐｐａｒｅｍｈｏｔｓｐｏｔｅｆｆｅｃｔｉｎ
ＵＳＥＡ，ｂｕｔｉｔｈａｓｓｉｇＩｌｉｆｉｃａｎｔｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｗｉｔｌｌｖｉｅｗｉｎｇｚｅＩｌｉ也ａｎｇｌｅａｎｄｗｅａｋｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｗｉｔｌｌａｚｉｍｕｔｌｌａｎｇｌｅ．Ｔｈｒｅｅｋｅｒ―ｎｅｌｓ
ｉｓｏ廿ｏｐｉｃ
ｋ锄ｅ１．ｍｕｌｔｉ―ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ
ｋｅｒｎｅｌ．ａｎｄｔｅｍｐｅ栩ｔｌｌｒｅｄｉｆ！ｆ色ｒｅｎｃｅｋｅｍｅｌｃｏｎｓｔｉｍｔｅｔｔｌｅｋｅｍｅｌ．ｂａｓｅｄｍｏｄｅｌ，
ｗｈｅｒｅｔｔＩｅｉｓｏｎＤ口ｉｃｋｅｍｅｌｉｓ
ｃｏｎｓｔａＩＩｔ
ｅｑｕａｌｔｏ１．Ⅱｌｅ
ｍｕｌｔｉ．Ｓｃａｔ咖ｇ
ｋｅｍｅｌｄｅｓｃｒｉｂｅｓⅡｌｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ
ｖｉｅｗｉｎｇｚｅＩｌｉｍ
锄ｇｌｅ，ａＩｌｄｔｔｌｅｔｅｍｐｅｍｍｒｅｄｉｆ！ｆ色ｒｅｎｃｅｋｅｍｅｌｄｅｓｃｒｉｂｅｓ山ｅｈｏｔ
ｔｉｏｎｓ．ｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｌｌａｔｔｌｌｅｋｅｍｅｌｍｏｄｅｌ
ｅｆ！ｆ色ｃｔｏｆＵＳＥＡ．Ｒｅｓｕｌｔｓ，ｂａｓｅｄ
ｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉＩＩｌｕｌａ－
ａｃｃｕｒａｔｅｌＶｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆＵＳＥＡｂｕｔｍｅ
ｍｅｍａｌ
ｉｎｅｎｉａ
ｏｆｌｌｌＩｂａｎｓｌｌｒｆｈｃｅｗｏｕｌｄｒｅｄｕｃｅｍｅａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆ山ｅｋｅｍｅｌｍｏｄｅｌ．ＴｈｅｋｅｍｅｌｍｏｄｅｌｈａｓｍａｎｙｐｏｔｅｎｔｉａｌａｐｐＵｃａｔｉｏｎｓ
收稿日期：２０１３一０５―１３，修回日期：２０１３―０９―２５
ｍ髓ｉｖｅｄｄａｔｅ：２０１３一０５?１３，ｎｖｉｓｅｄ
ｏｆＣｈｉｎａ（４１４７１３４８）：ＳｔａｔｅＫｅｖＬ丑ｂｏｒａｔｏｒｙ
ｄａｔｅ：２０１３―０９―２５
基金项目：国家自然科学基金（４１４７１３４８）；地表过程与资源生态国家重点实验室开放基金（２０１３一ｚＹ一０９，２０１３一ＫＦ―０１）
Ｆｏ岫曲６０ｎｉ衄∞：Ｓｕｐｐｏｎｅｄｂｙ
∞ｕＩ℃ｅ
ｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ
０ｆＥ州１ＳｕｒｆａｃｅＰｍｃｅｓｓｅｓ蚰ｄ
Ｅｃｏｌｏ州（２０１３一ＺＹ明，２０１３．ＫＦ．０１）
作者简介（Ｂｉｏ舭ｐｈｙ）：孙灏（１９８６－），男，安徽阜阳人，博士，主要研究领域为资源环境遥感．Ｅ―ｍａｉｌ：ｓｕｎｈａｏｃｕｍｔ２０００＠１６３．ｃｏｍ
＋通讯作者（ｃｏｎ＿ｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ）：Ｅ―ｍａｉｌ：ｃｙｈ＠ｂｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
孙灏等：一种近似用于高发射率城市地表热红外等效发射率的方向性变异核驱动模型及其不确定性分析
ｗｉｔｌｌＭｏＤＩＳｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ１粕ｄｓｕｒｆａｃｅｅｍｉｓｓｉｖｉ哆ｄａｔａ．Ｋｅｙ
ｗ”ｄｓ：ｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ，ｕｒｂ柚，ｔｈｅｒｍａｌｅＩｎｉｓｓｉｖ时，ａｎｉｓｏ臼唧?ｙ，Ｋｅｎ试ｍｏｄｅｌ
ＰＡＣＳ：４２．３０．Ｖａ
地表温度（ＬａｎｄＳｕ血ｃｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，【５Ｔ）直接１模型原理
影响着地表与大气间的能量交换，进而影响地表的
ＵＳＥＡ定义
水热循环和生态环境变化…．ＬＳＴ作为一个重要的针对某个混合像元覆盖的城市地表，如果标记地表参量已经被广泛应用于监测农业干旱心Ｊ、城市
其发射的热辐射为Ｌ（口，毋，咖），其“平均温度”为热环境＂’４Ｊ、森林火灾、以及全球变化等方面．目前瓦，其等效发射率为ｓ（ｐ，秽，西），那么有：
已形成了一些基于遥感数据的ＬＳＴ反演算法【５］，包
￡（ｐ，拶，咖）＝占（ｐ，毋，咖）×Ｂ（％），
括单通道算法、多通道算法、昼夜算法等等．然而，地式中，口代表太阳入射天顶角；秽代表观测天顶角；西表热辐射的方向性问题依然困扰着ＬＳＴ的反演及
应用．如何得到消除了角度效应的脚产品，是当
代表观测方向与太阳入射方向之间的相对方位角；曰（％）表示温度％对应的普朗克黑体辐射亮度．
前热红外遥感发展的一个重要方向ＭＪ．目前，对自
公式中的瓦是从遥感反演角度定义的像元平然地表的热辐射方向性已经开展了很多研究ｏ７，８｜，均温度，它通常被定义为独立于观测方向的量¨７］，但对城市地表的热辐射方向性（ＵｒｂａｎＴｈｅ珊ａｌＡｎｉ．这样定义具有如下优点：（１）使得遥感反演的像元ｓｏｔｍｐｙ，ＵＴＡ）研究还相对较少【９Ｊ．但是，由于城市
温度更贴近温度的物理含义，因为按照经典的物理地表三维组成结构及材质的复杂性，城市地表往往定义，温度是分子平均动能的一种度量，它本身是没表现出比自然地表更强的热辐射方向性变异程
有方向性的；（２）定义像元温度与观测方向无关，使度∞Ｊ．例如已有研究表明，非垂直观测与垂直观测
得遥感反演的像元温度在时空上可比；（３）定义像时的亮温（ＢｒｉｇｈｔｎｅｓｓＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）差在裸土地表能元温度与观测方向无关，有利于发展地表热辐射角
达到５Ｋ，而在城市地表却能达到１０Ｋ∞Ｊ．因此，对
度归一化的算法¨８｜．据此得到ｕＳＥＡ的定义式：
城市地表热辐射方向性的研究更显迫切．
Ｖ００９ｔ等（２００４、２００８）、余涛等（２００６）、Ｌａ－量
一量（旦：堡：尘）一曼！皇！翌！尘！兰里！圣！
艿（０）一ｓ（口，０，咖）一占（口，０，咖）×Ｂ（％）
ｇｏｕｒａｄｅ等（２０１０、２０１２）、马伟等（２０１３）研究了ｕＴＡ的变异特征及建模Ｈｍｌ４Ｊ，一些模拟ＵＴＡ的计算机模：燃
￡（ｐ，０，咖）
，（２）…７
型被相继提出，包括Ｓｕ如ｃｅ．ｓｅｎｓｏｒ．ｓｕｎＵｒｂａｎＭｏｄｅｌ
（ＳｕＭ）模型¨“、ＴｈｅⅡＩｌａｌｉｎｆｒａｒｅｄ
ｒａｄｉａｎｃｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ
ｍｏｄｅｌｉｎｇ（ｒ兀ＴＡＮ）模型¨６｜、以及代表腿ｄｉｒ发射率；耥即代表ｕｓＥＡ，简写
式中，占（口，毋，咖）即代表ｏｍｎａｄｉｒ发射率；占（ｐ，０，西）
ＣｏｍｐｕｔｅｒＭｏｄｅｌ
ｔｏＳｉｍｕｌａｔｅｔｈｅＴｈｅ珊ａｌＩⅢｈｒｅｄＲａ－
ｄｉａｔｉｏｎｏｆ３．Ｄｕｒｂａｎ
ｔａｒｇｅｔｓ（ｃｏＭＳｆｎＲ）模型Ｌ１２３等．但
为ｊ杀，该值越接近于１，ｕｓＥＡ越小，反之则
已有计算机模拟模型需要３Ｄ的城市场景，模拟过ｕｓＥＡ越大；其余变量与式（１）相同．
程复杂、耗时，不适合在大范围遥感数据处理中
１．２核驱动模型框架
李小文等（１９９９）在解释混合像元等效反射率发展了一种能够描述城市地表等效发射率方向
时，认为其由三部分组成：像元内组分材料的平均性变异（ＵｒｂａｎＳｕ血ｃｅＥｍｉｓｓｉｖｉｔｙＡｎｉｓｏｔｒｏｐｙ，ＵＳＥＡ）
发射率、多次散射导致的发射率视在增量、以及像元的核驱动模型，其中ｕＳＥＡ用非垂直观测时的发射
内组分真实温度的差异（△ｒ）导致的发射率视在增
率ｓ与垂直观测时的发射率ｓ（ｏ）之比ｊ羔定量
量【１７Ｊ．基于该理解，如果混合像元内△ｒ＝０并且不
存在多次散射，那么不同角度观测的占均为像元内
表达．下一节介绍核驱动模型的基本原理，模型评价
方案及结果分别在第三节和第四节介绍．第五节讨组分材料的平均发射率，因此ｊ杀在各个方向上
论模型的不确定性及应用前景，第六节对本文进行应该始终等于１．但是在实际情况中，混合像元内往总结．本研究可为ｕＴＡ的角度效应纠正或归一化提
往会存在多次散射或△ｒ≠ｏ，那么不同角度观测的
红外与毫米波学报
ｓ将因为散射效应以及视场内△ｒ的不同而不同，因核”的表达式如下：
Ｋ。，（ｐ，毋，咖）＝ｃｏｓ（口一咖）×ｃｏｓ（咖）
此设计如下的核驱动模型来描述ＵＳＥＡ：
ｊ，＿＝１＋ｏ×Ｋ枞＋６×Ｋ△ｒ
×ｃｏｓ（日）×ｓｉｎ（ｐ）×ｓｉｎ（毋）
式中，ｐ的变化范围为０。～１８０。，侈的变化范围为Ｏ。～９００，西的变化范围为０。～３６０。，ｃｏｓ（ｐ一毋）×ｃｏｓ（击）项表示当观测位置与太阳位置接近时“温差
式中，等式右边第一项“１”表示像元内组分材料平
均发射率的各向同性；疋出描述城市三维结构内多
次散射引起的方向性变异，简称为“散射核”；瓯，描
述△丁导致的方向性变异，简称为“温差核”；ｏ和６
核”增大，ｃｏｓ（ｐ）×ｓｉｎ（９）项表示温差核与太阳入射天顶角有关，ｓｉｎ（∽项使得垂直观测时Ｋ。，（毋＝０）
分别为“散射核”和“温差核”的系数，与地表覆盖结
构和地形有关．
通过公式（３）可知，“散射核”以及“温差核”对能否准确描述ＵＳＥＡ至关重要，它们的选择及构建需要结合ＵＳＥＡ的变化特征，以及满足如下两个基
２评价数据及方法
ＵＳＥＡ模拟
鉴于实测城市地表发射率（ｕｒｂａｎＳｕ血ｃｅ
Ｅｍｉｓ―
本条件，即保证垂直观测时ｊ羔＝１：ＳＬｕ，
ｓｉｖｉｔｙ，ｕｓＥ）代价高昂，研究利用计算机模拟数据进
ｋ（毋：ｏ）：ｏ
ｆｋ幽（毋＝０）＝０
…’。４’
行模型评价．公式表明，＿杀可通过多个角度的辐
射亮度估算得到．马伟等（２０１３）提出的ｃｏＭｓ，Ｉ’ＩＲ模型¨２１可以在多个方向上模拟城市目标的辐射亮度，
并且ＣｏＭＳⅡＲ模型具有严密的物理基础和１Ｋ左右
式中，毋代表传感器观测天顶角，变化范围为０～
１．３“核”的选择及构建
ｕＳＥＡ的变化特征为“核”的选择及构建提供了
依据，根据Ｌａｇｏｕｒａｄｅ（２０１０、２０１２）、马伟（２０１３）等的研究结果¨０。１２，１９’２…，可将ｕＳＥＡ的主要变化特征归纳如下：（１）白天，ｕＳＥＡ具有热点效应，ＵＳＥＡ在热点位置时最大，热点位置与太阳位置接近；（２）夜晚，ＵＳＥＡ无明显热点效应，且主要与观测天顶角相
的精度¨２｜，因此研究利用该模型模拟ｊ杀．
ｃｏＭｓＴＩＲ模型要求输入真实城市场景的３Ｄ模
型，为此首先对城市地表进行一定的抽象，即将复杂
的城市地表简化为不透水层地面及其上高度不一的
建筑物．图１列出了该抽象的城市地表结构，其中城市地表的有限组分划分为六种，分别为光照地面、光照墙面、光照房顶、阴影地面、阴影墙面、和阴影屋
关，与观测方位角的相关性较弱．
在夜晚尤其是黎明前时刻，由于没有太阳辐射的作用，混合像元内的真实温度分布接近于同温状
态，△ｒ接近于０，△丁导致的ＵＳＥＡ变异也较小．因
顶，每种组分的发射率假设是各向同性的．
此，在夜晚时刻，ｕｓＥＡ的变异主要由多次散射引起．特征（１）表明，此时ｕｓＥＡ可以简化为只与观测
天顶角有关的函数，而与观测方位角以及太阳天顶／
方位角无关．另外考虑到垂直观测时Ｋ枷（侈＝０）
＝ｏ，研究构建了如下的散射核表达式：
ｋ。埘（秽）＝ｓｉｎ（侈）
图ｌ城市地表的简化结构
Ｆｉｇ．１
ｓｉｍｐｌｉｆｉｃｄｍｏｄｅｌｏｆｕｒｂａＩｌｓｕｒｆ．ａｃｅ
ｓ咖ｃｔｕｒｅｓ
在白天，由于光照阴影的差异，城市地表混合像
元内的“非同温”程度增大，即△丁增大，温差核对
ｕＳＥＡ的作用因此增大．根据ＵＳＥＡ在白天的变化
ＣｏＭＳⅡＲ模型所用的城市地表组分亮温，由固定式测温仪实测得到．固定式测温仪型号为ＳＭＡＲＴＩＲＴ／Ｃ．１０，测量光谱范围为８～１４¨ｍ，精度为±１％（见图２（ａ））．测量地点为北京师范大学房山实验基地，测量目标包括墙面、屋顶和地表，图２（ｂ）展示了这些组分亮温的昼夜变化（２００８―１１．２０～２００８．１１．
特征，温差核与太阳和传感器的天顶／方位角都有关，并且在传感器与太阳位置接近时达到最大，以逼近热点效应的特征．研究为此借鉴了Ｖｉｎｎｉｋｏｖ等的
ｓｏｌａｒ
ｋｅｍｅｌ表达式拉１Ｉ，因为该表达式可以同时满足
以上条件，并使得Ｋ，（毋＝Ｏ）＝０．因此设定“温差
孙灏等：一种近似用于高发射率城市地表热红外等效发射率的方向性变异核驱动模型及其不确定性分析
在利用ＣｏＭＳ，１１Ｒ模拟辐亮度时，阴影屋顶的辐
式中衄和枷Ｅ分别代表相对偏差和平均相对偏
差；占’（ｐ，毋，咖）店７（０）为核驱动模型估算的ｕＳＥＡ；占（ｐ，毋，咖）店（０）为计算机模拟的ｕｓＥＡ．
射亮温用阴影地表的亮温近似，光照墙面用南墙的
辐射亮温近似，阴影墙面用北墙的辐射亮温近似，其
余组分（光照屋顶、光照地表和阴影地表）用其实测
３评价结果及分析
ＵＳＥＡ的时空变化
图３对比了四个时间点处ＵＳＥＡ的核驱动模型
模拟结果与计算机模拟结果，分别为夜晚２２：３０和
０ｌ：３０，白天１０：３０和１３：３０．之所以选择这四个时
间点，是因为它们对应于Ｔｅｒｒａ和Ａｑｕａ卫星的过境
图３表明，本文发展的核驱动模型可以表示ＵＳＥＡ时空分布．在白天ＵＳＥＡ具有热点效应，热点
位置与太阳位置接近，随着观测天顶角及方位角向
热点位置逐渐接近，ＵＳＥＡ逐渐增大，并在热点位置时达到最大，核驱动模型准确描述出了ｕＳＥＡ的热点效应；在夜晚时刻，核驱动模型也能准确描述ＵＳＥＡ随观测天顶角的变化趋势．
湍篡ｍ删训印
图４以散点图及相对偏差分布频率的形式，利
．＼麓妻一
ｓｅｎｓｏｒｓ．
用Ｒ．ｓｑｕａｒｅ（Ｒ２）和ＭＲＥ定量评价了核驱动模型的模拟精度．结果表明，核驱动模型的相对误差在
１０％以内变化，相关性指标Ｒ２在０．７左右．３．２与Ｖｉ硼Ｉｉｌ【ｏｖ核驱动模型的对比
Ｖｉｎｎｉｋｏｖ等（２０１２）提出了一种描述地表辐射亮温方向性变异的核驱动模型，他利用该模型成功地
将两个地球静止轨道卫星观测的地表亮温（７５。ｗ和１３５０Ｗ）归一化到相同的观测角度旧１｜，这种核驱动模型在描述ＬｓＥ的方向性变异方面还没有进行过研究．本节将Ｖｉｎｎｉｋｏｖ核驱动模型直接应用于描述ＵＳＥＡ，并将其模拟效果与本文发展的核驱动模型（为描述方便，简称Ｓ核驱动模型）进行对比，下式分别列出了这两种核驱动模型的表达式：
图２利用固定式测温仪测量组分亮温．（ａ）ｓＭＡＲＴ瓜Ｔ／ｃ．１０固定式测温仪；（ｂ）实测组分亮温变化
Ｆｉｇ．２
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆ山ｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ
ｓｉｎｇｎｏｎ―ｃｏｎｔａｃｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｔｅｍｐｅ豫一
ｍｒｅｓｅｎｓｏｒｓ（ｔｖｐｅ：ＳＭＡＲＴＩＲｌｌ／Ｃ．１０）．（ｂ）Ｔｈｅｄｉ一
（ａ）Ｔｈｅ
ｓＩｌｒｆａｃｅｔｅＩＩｌｐｅｍｎｌｒｅｓｏｆｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ
２．２评价方法
研究在有限个角度上，利用ＣｏＭＳＴＩＲ模型模拟了ｕｓＥＡ．这些角度均匀分布于上半球观测角度空
间，其中天顶角从０。到６０。变化（间隔１０。），方位角
嬲ＥＡＨ批＝ｌ＋Ⅱ（１一ｃｏｓ（们）＋６ｃｏｓ（口一毋）
×ｃ。ｓ（咖）×ｃ。ｓ（日）ｘｓｉｎ（口）×ｓｉｎ（毋）嬲ＥＡｓ＝１＋ｏｓｉｎ（∞＋６ｃｏｓ（口一∽×ｃｏｓ（咖）×ｃｏｓ（ｐ）×ｓｉｎ（口）×ｓｉｎ（∽
从ｏ。到３６０。（间隔３０。）变化．总计７３个模拟样本，
其中３７个用于核驱动模型训练，３６个用于核驱动模型评价．
主要的评价指标为相对偏差（ｒｅｌａｔｉｖｅＲＥ）和平均相对偏差（ｍｅａｎ们的表达式如下：
ｒｅｌａｔｉｖｅ
ｅＨｏｒ，
式中，嬲以‰触表示Ｖｉｎｎｉｋｏｖ核驱动模型，嬲以ｓ
表示Ｓ核驱动模型．
图５以ＭＲＥ为评价指标，比较了这两种核驱
ｅ玎ｏｒ，ＭＲＥ），它
舾＝业哔溉揣俨盟＇（７）
ｓ（口，毋，西）屈（０）
动模型在不同时间点上的模拟精度．结果表明，在
各个不同的时间点上，Ｓ核驱动模型的ＭＲＥ都小于Ｖｉｎｎｉｋｏｖ核驱动模型．图５中的相对偏差绝对值，描述了Ｓ核驱动模型的ＭＲＥ相对于Ｖｉｎｎｉｋｏｖ
懈Ｅ＝』Ｌ一
∑Ｉ船ｉ●■一’
核驱动模型ＭＲＥ的变化程度，表明了Ｓ核驱动模
红外与毫米波学报Ｏ
拍―耀爨雾
Ｏ６２鋈羹嚣疆瑟释麟譬｛！
囊錾爨疆骚鬈蕹Ｏ
（ｃ）（ｄ）
２６拍２２卫
蘸鋈蕹疆錾霾疆譬０
（ｅ）（ｆ）
强●ｌ蕊麟
体ＨＭｍｍ
图３ｕｓＥＡ时空变异特征（红点代表太阳位置）．其中，（ａ）、（ｃ）、（ｅ）和（ｇ）分别为在２２：３０、１：３０、１０：３０和１３：３０时刻，计算机模型对场景的模拟结果；（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）和（ｈ）分别为在２２：３０、ｌ：３０、１０：３０和１３：３０时刻，核驱动模型对场景的模拟结果
Ｆｉｇ．３
ＴｈｅｓＤａｔｉａｌａｎｄｔｅｍｐｏｒａｌｖａｄａｔｉｏｎｓｏｆＵＳＥＡ（ｍｅｒｅｄｐｏｉｎｔｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓｍｅＳｕｎ）．（ａ），（ｃ），
（ｅ）ａＩｌｄ（ｇ）ｒｅＤｒｅｓｅｎｔｍｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｒｃｓｕｌｔｓ
ｏｆｔｌｌｅ
ｃｏｍｐｕ喇ｏｎａｌ
ｍｏｄｅｌａｔ２２：３０．１：３０，１０：３０ａｎｄ
１３：３０．ｆｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｖ．（ｂ），（ｄ）．（ｆ）ａｎｄ（ｈ）ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｍｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｋｅｍｅｌ－ｂａｓｅｄ
ｍｏｄｅｌａｔ２２：３０．１：３０．１０：３０ａｎｄ１３：３０，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌＶ
包含各类专业文献、专业论文、文学作品欣赏、各类资格考试、中学教育、高等教育、幼儿教育、小学教育、外语学习资料、58一种近似用于高发射率城市地表热红外等效发射率的方向性变异核驱动模型及其不确定性分析_图文等内容。　水热合成条件对CeO2粉体红外发射率性能的影响分析
　　稀土元素具有特殊的电子结构，其内层的4f电子被外层的Ss及Sp电子屏蔽，在原子中定域。决定元素性质的最外层电子排布4f和Sd形成导带，4f电子的定域化和不完全填充使稀土具有独特的光学和磁学特性。
　　稀土元素中，Ce是丰度最高和最为廉价的，其氧化物Ce02是一类重要的化合物，在催化剂、发光材料、抛光材料、电子陶瓷等方面有许多应用，在现代高新技术领域有着巨大的发展潜力。
　　随着高新科技发展，红外探测器灵敏度越来越高，尤其是红外热成像仪，可以根据探测到的红外辐射，经由信号处理系统转变，将物体的热分布转变为可视图像，在监视器中以灰度或伪彩显示出来，从而得到被测物体的温度分布场信息。如果被测物体与背景的辐射能量相同，物体就会隐藏于背景之中而不会被探测出来。由斯蒂芬一波尔兹曼定律可知，物体的热辐射能量E可表示为式中:E为物体辐射能量;s为物体发射率;s为斯蒂芬-波尔兹曼常数;T为物体绝对温度。由式(1)可知，物体的辐射能量主要取决于发射率二和绝对温度T。通常来说，物体的温度不宜降低，如飞机发动机温度降低会降低飞机的性能。因此，降低物体表面的发射率是一种有效方法，主要通过在物体表面覆盖一层或多层高性能的红外低辐射涂层来实现。
　　填料是涂层的重要组成部分，对涂层的性能起着决定性作用。
　　Ce0=粉体是一种高温下理化性能稳定的半导体化合物，具有很好的耐高温性能，可以在高温下长时间使用。另外，蒋勇等对Ce02基材料进行研究，发现Ce02粉体在3-5 N.,m的发射率随着温度的升高而降低，通过热处理对市售Ce02粉体处理，得到的粉体在600℃下红外发射率约为0.3。这种性能为Ce02基材料在高温低辐射领域的应用提供优势，具有良好的应用潜力。
　　由于购买的Ce0=具有很多的不确定因素，如Ce元素来源、制备方法、制备工艺等，作者采用水热合成法制备Ce0=，获得红外发射率性能更加优良的Ce0=粉体，作为高温低辐射涂层填料，遮盖高温高辐射物体。
　　1.1药品
　　Ce CN03) 3 } 6H=0 CAR，国药集团化学药剂有限公司);尿素(CAR，国药集团化学药剂有限公司);无水乙醇CAR，南京化学试剂有限公司);去离子水(自制)。
　　1.2粉体制备
　　取硝酸饰的物质的量为0.02 mol 08.68 g)，尿素的物质的量n=0.15 mol C9 g)。以反应温度、反应时间和热处理温度为因素，设计三因素四水平的正交试验表，进行正交试验。正交试验表，如表1所示。
　　取8.68 g硝酸饰溶于35 mL去离子水;取9g尿素溶于35 mL去离子水;将尿素溶液缓慢滴加至硝酸饰溶液中;反应30 min，滴加和反应过程均用磁力搅拌器充分搅拌，得到澄清溶液。将溶液倒入聚四氟乙烯反应釜，100℃保温12h，冷却至室温，抽滤，用去离子水、无水乙醇交替洗涤3次，放入烘箱60℃烘干，得到白色固体。研磨后进行热处理，过程如下:以5 0C/min速率梯度升温至600℃保温3h，再以相同速率升温至1 100℃保温3h，随炉冷却至室温。最终得到产物为浅黄色固体。
　　1.3表征
　　用中科院上海物理研究所研制的BC-I型精密温度控制仪和IR-2双波段发射率测量仪测试粉体3}5N.,m波段的红外发射率，测试温度以100℃为升温梯度，从常温到600 0C;用BRUISER DBAdvanced型X线衍射仪对粉体进行物相和结构分析，CuKa车昌射，波长a =0.154 180 nm } Ni滤波片，管流为40 mA，管压为40kV，扫描速度为0.02 C0) /min。用荷兰Quanta200扫描电子显微镜对样品的表面形貌进行表征。
　　2结果与讨论
　　2.1粉体XRD分析
　　选择正交试验中样品2,6,10,14做XRD测试，如图1所示。可以看出，图中所有样品峰形都比较尖锐，且波峰对应的2e角度完全一致，故这4个样品是同一种物质，且均呈良好的结晶形态。经物相检索分析，发现其很好的对应JCPDS (4321002)立方相萤石型Ce0=的衍射图形，且只有Ce0=的特征衍射峰存在，未有其他杂质峰存在。这充分证明了水热法合成CeO是一种合理而有效的方法。
　　2.2合成工艺参数选择
　　正交试验各因素参数的全部数据以及合成的粉体在600℃下3}5 N.,m波段的红外发射率数据，如表2所示。
　　将600℃下3}5 N.,m波段内粉体的发射率为指标，其数值越小越理想，采用极差分析方法，如表3所示。可知，3个因素的影响力水平比较为C&A&B，也即热处理温度&反应温度&反应时间。可得出热处理温度是影响粉体600℃下红外发射率的最主要因素，其次是反应温度，反应时间对粉体常温下红外发射率的影响最小。根据此分析选出的粉体制备的最优条件组合为A3B2C4，即反应温度为160 0C，反应时间为18h，热处理温度为1 400℃。
　　该工艺参数在正交试验中出现，以此工艺制得的样品为第10组样品。该样品的红外发射率在600 0C下为最低，由此可见，通过正交试验所得到的最佳工艺参数是合理的。
　　根据正交试验获得的最佳工艺参数，单独制备了粉体X,测试其3}5 N.,m波段红外发射率，并与正交试验中以此最佳工艺制得的第10组样品红外发射率作比较，两种粉体红外发射率随温度变化的曲线，如图2所示。粉体X相对于正交10粉体，在3-5 N.,m波段内600℃下红外发射率数值接近，降低趋势基本相同，可证明该实验具有可重复性。粉体X与正交10的对比数据。
　　2.3热处理温度对粉体发射率影响
　　根据正交试验所得结果，最佳热处理温度为1 400 0C，为热处理温度中最高的。且由表3中热处理温度的K值可知，随着热处理温度越高，则粉体发射率越低。故而，1 400℃不一定是最佳热处理温度，需对热处理温度进行单因素分析，以获得最佳热处理温度。
　　由正交试验结果获得的最佳工艺条件:反应温度为160 0C，反应时间为18h;设定粉体a,h,c:的合成条件:热处理温度分别为1 350,1 400,1 450℃，反应温度为160 0C，反应时间为18h。参照1.2和1.3中所述过程合成粉体并测定其红外发射率，所制备粉体的红外发射率，如图3所示。可知:当热处理温度由1 350 0C升至1 450℃时，粉体的红外发射率先降低后升高，在1 400℃时最低;当测试温度为600 0C，粉体的红外发射率最低，为0.27 0
　　2.4粉体形貌分析
　　图4为经过不同热处理温度处理的粉体的SEM图。可以看出，经1 350℃处理的粉体，其表面有很多细小的颗粒，颗粒度大小不均匀，表面不平整，细小的颗粒增强了对红外线的吸收，因而红外发射率也较高。
　　当热处理温度升高至1 400℃时，颗粒之间开始茹连，细小的颗粒逐渐融合至大的晶体颗粒之中，这一方面减小了细小颗粒对红外线的吸收，另一方面减小了晶界间的传播，增强了晶体表面对红外线的反射，故而粉体对红外线的吸收减少，发射率降低。除此之外，由于颗粒除了表面对光线的反射外，还有边缘对光线的散射，颗粒形貌规则化，其总边缘长度增大，相应增加了总边缘散射，提高了粉体的散射系数，从而导致粉体发射率降低。
　　当热处理温度进一步升高时，粉体颗粒之间的茹连变得更加严重，大的粉体颗粒之间融合时易产生较小的孔洞，红外线在孔洞中传播时，由于多次反射传播而被吸收，简化模型如图5所示。增强了对红外线的吸收，故而发射率升高。
　　1)通过适宜的水热合成条件合成的Ce0=粉体3}5 N.,m波段发射率更低。通过正交试验法确定了合成Ce0=粉体的最佳工艺:反应温度为160 0C，反应时间为18h，热处理温度为1 400 0C
　　2)适宜的热处理温度有利于粉体表面的平整光洁，减小颗粒表面缺陷，这有利于粉体3}5 N.,m波段发身寸率降低。
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