地表温度是地表与大气之间物质和能量交换的重要参量，对全球气候变化、森林火灾、旱情监测等具有重要指示意义。热红外遥感是提取地表温度最常用的遥感手段。由于遥感观测到的地表温度通常是多种地物类型混合后的产物，空间分布复杂，具有很强的角度效应和时空变化特征，是影响像元尺度的温度反演精度的重要因素。弄清遥感观测温度的角度变化规律，是解决角度效应的必由之路，有利于提高森林资源监测能力。　　本文以森林乔木冠层为例，借助三维热辐射传输模型RAPID和三维小气候模式ENVI-met，集中研究森林小气候环境下组分温度与方向亮度温度的时间与空间分布特征。主要结果如下:　　1)以北京市海淀区东升八家郊野公园和河北省怀来县中国科学院遥感试验站两地的野外测量数据，进行三维小气候模式ENVI-met模型的标定与模拟组分温度精度验证。结果表明，ENVI-met能有效模拟研究区范围内地表组分温度的三维空间分布规律及其日变化特征，模拟值与实测值对比平均R≈0.93，平均RMSE≈2.1 K。模型可在复杂植被场景中得到有效拓展。但是，研究也发现ENVI-met有几点局限性，包括运行效率低、气象数据不能灵活自定义、模拟温差偏低等。　　2)以组分温度这一参量为核心，对三维小气候模式ENVI-met与三维热辐射传输模式RAPID进行模拟与耦合方法研究。通过两个模型的对接，完成了组分温度到方向亮度温度的尺度转换。基于RAPID模型的热红外扩展模块，进行像元尺度的方向亮度温度模拟，并使用不同分辨率的遥感卫星图像验证其模拟精度。结果表明，该耦合模型可以有效模拟高分辨率地表温度图像和方向亮度温度，模拟值与卫星反演地表温度值对比平均R2＞0.90，平均RMSE＜2.5 K。　　3)基于ENVI-met-RAPID耦合模型进行地表热辐射方向性时空变异模拟研究。通过建立典型森林环境，研究发现:在高大森林植被中，0度和55度亮度温度差值多数小于0，并且存在明显日变化与季节变化规律。夏季的热辐射方向性日变化有明显峰值，而其他三个季节的线性趋势则更为明显。这些规律仍需要在更加复杂的森林场景中得到验证。　　4)基于全球数值预报产品NCEP、光学图像和激光雷达Lidar数据进行热辐射方向性的预测方法研究。研究提出的耦合模拟模型及热辐射方向性预测方法，理论上可以提供全球陆地任意植被地区的热辐射方向性估计值，为纠正热红外遥感图像的方向性提供重要的先验知识。