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地面温度、土壤水分和植被冠层参数是反映土壤-植被-大气系统能量流动、物质交换以及土地资源和环境管理的重要参数，也是研究地球表面能量平衡和温室效应的重要指标。利用遥感手段进行地表温度、土壤水分以及植被冠层参数的信息提取对研究全球气候和环境变化具有重要意义。众多星载传感器能提供的不同特征的遥感信息，这些不同特征遥感信息的综合、有效利用是提高地表关键参数反演精度和遥感定量化发展所面临的重要任务。热红外遥感与被动微波遥感之间的互补性很早就被研究者们所关注，在热红外与被动微波联合应用上存在两个主要研究方向：第一、热红外遥感如何为被动微波遥感提供更为准确的温度信息以提高土壤水分和植被覆盖层信息的提取精度。第二、利用被动微波遥感技术提取有云覆盖情况下的地表温度信息来弥补热红外遥感受天气影响的不足，解决非晴空条件下地表温度的缺失问题以提高地表温度的时间分辨率。在这两个方向的研究中存在一个共性的科学问题：地表温度在热红外波段和微波波段上的差异、联系及如何转化?即研究不同日照、不同地表类型条件下，地表温度在热红外波段探测值与微波波段探测值之间的关系。除了研究该共性的科学问题外，在第一个方向研究内容中还包括如何在地表微波辐射信息中定量化植被层辐射信息、土壤粗糙度信息，以实现土壤水分信息和植被层信息的准确提取。在第二个方向研究内容中还主要涉及如何借助地表分类信息和晴空条件下光学数据进行地表微波发射率的定量化，以实现非晴空条件下利用被动微波数据进行地表温度信息的提取以及如何借助高低频被动微波技术进行土壤水分、地表温度的同时反演。
本文针对以上几个主要问题，以裸露土壤地表和玉米农作物覆盖地表为研究对象开展热红外与被动微波的联合应用探索研究。具体研究内容如下：
1．地表温度在热红外波段、微波波段的关系研究基于土壤水热传导模型对不同天气条件下的土壤温湿度廓线进行了模拟，以L微波波段为例分析了热红外土壤温度与微波等效温度之间的差异与联系，构建了裸露土壤地表温度在热红外波段及L微波波段上的转化模型。分析了不同光学厚度植被覆盖条件下，微波波段地表温度随植被温度、土壤温度和土壤湿度的变化，基于0阶微波辐射传输方程推导构建了微波波段地表温度的计算模型。
2．裸露土壤地表土壤参数信息提取算法设计与应用基于土壤微波辐射特性的模拟数据库，重点分析了不同观测角度下土壤粗糙度对地表微波发射率的影响，发展了L微波波段的土壤水分与土壤粗糙度的反演算法；
基于对土壤微波辐射特性的模拟分析，发展了土壤温度时间序列的热红外与被动微波联合重构算法；
基于对微波干涉理论的分析，设计了微波辐射干涉的观测试验并提出了基于微波干涉理论的土壤介电常数提取算法。
3．垄行结构热红外微波辐射模型研究以玉米为例分析了垄行分布的植被层对微波辐射亮温方向性的影响，基于半真实场景和植被层的热红外微波辐射传输理论构建了垄行结构热红外与微波辐射传输模型。
4．玉米农作物覆盖地表的土壤水分与玉米冠层生物量的信息提取研究基于大量玉米结构参数实测数据，构建了玉米样株的经验生长模型。联合玉米经验生长模型和垄行微波辐射模型对玉米覆盖地表的微波辐射特性进行大量模拟，基于查找表的方法，利用地基多角度多波段微波辐射观测数据进行了玉米覆盖地表的土壤水分、玉米冠层生物量和叶面积指数的反演。