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地表温度是研究地表-大气系统水热平衡的关键参数，对地表温度的大尺度、长时间连续观测具有重要意义。遥感观测方法可以克服地面测点空间分辨率不足的缺点，但是基于热红外遥感的方法由于不能穿透云层导致了有云情况地表温度缺失。因为被动微波可以穿透云层，所以具有全天候应用的潜力。本论文在前人研究的基础上，围绕着发展一个准确、实用的全天候地表温度和发射率反演模型的目标展开，通过构建对发射率敏感而对温度不敏感的指数来实现温度与发射率的解耦;通过构建基于不同地类或者像元级的发射率估算模型来提高发射率精度并服务于地表温度精度的提升;通过分析大气效应对微波亮温的影响来指导温度反演通道和反演模型形式的选择，最终将研究成果应用于大尺度地表温度和发射率全天候反演的实践中。本论文的主要工作如下: (1)针对地表温度与发射率耦合的问题，制定了对两者进行解耦，先估算地表发射率，再反演地表温度的研究思路。发展了一个假设18.7和23.8GHz两个通道同极化发射率相等的K波段发射率遥感物理估算模型，该模型基于辐射传输方程组的推导和变形，具有较强的物理机理，模型的输入项只有亮温和大气可降水量。 (2)构建了两个适用于大尺度多波段多极化的发射率遥感指数估算模型。一个是基于地表分类的思想，首先将亮温极化比(PR)与水平极化发射率的关系推广到研究区的多种地类，然后联合水平与垂直极化发射率的相关关系，建立了适合于多种地类的垂直极化发射率遥感指数估算模型。另一个是为了解决基于地类的发射率估算方法对纯像元要求较高导致的研究区破碎，以及同一类地类所处经纬度、气候区、海拔、土壤等条件差异对估算模型精度影响的问题，建立的基于像元的发射率估算模型，对单一像元进行模型系数的重新率定，每一套系数只对该像元有效，其精度令人满意。 (3)基于大气辐射传输模型定量分析了各个频率的大气效应。首先选择了具有低中高大气可降水量的3组晴空廓线，在每一组内的廓线分别具有不同的温度和湿度廓线，以此来讨论大气温湿廓线形态差异对大气亮温和大气透过率的影响，发现36.5GHz受温湿廓线形态差异影响最大。然后基于6条大气廓线，讨论了在晴天和有云条件下不同通道的星上亮温对大气效应的敏感性差异，指出18.7GHz在晴空和有云情况下对大气影响的容忍度最高，并将其确定为温度反演通道。在发射率已知的前提下，为了优选适合的地表温度反演模型，对不考虑大气效应的简化地表温度反演模型、大气廓线完全正确和大气存在测量误差的完整地表温度反演模型分别进行了对比，结果发现，当大气廓线数据准确时，考虑大气效应的地表温度反演模型可以获得最高精度;但是当大气廓线数据存在一定误差时，其精度与不考虑大气效应的反演模型精度相当，甚至更差。对中国地区地表温度验证数据的质量首先进行了检验并采用简化的地表温度反演模型，反演的月尺度温度分布趋势与中等分辨率成像光谱仪(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)晴空温度产品相近，通过与0cm地温数据相比，在多云地区的温度估算精度也在可以接受范围之内。