全球变暖等环境变化问题越来越受到关注,相关机构和科研人员对地表温度的需求也随之增长。地面和低空实测地表温度在同温像元卫星遥感地表温度产品验证、非同温像元辐射方向性等研究领域中发挥了重要作用。但在具有三维结构的非同温场景中,实测地表温度本身也受传感器光谱响应差异、传感器视场中地表辐射方向性差异和空间尺度差异等因素影响,导致多平台地表温度观测结果之间的对比、验证和协同应用等难以进行。本文针对上述主要问题开展相关研究,主要研究工作及结果如下:（1）提出了一种从宽波段热红外传感器观测数据反演地表温度的方法。本项工作使用一种光谱响应函数分割方法,对辐射传输算法和单通道算法进行改进,使其适应从宽波段数据反演地表温度。将改进后的算法应用于5种常见传感器。模拟结果显示,光谱响应函数的分割宽度对地表温度精度的影响依赖于传感器光谱响应函数的特征和传感器的架设高度影响。在2m高度处,采用2.5μm分割宽度,5种传感器的地表温度反演精度优于0.5 K;在1100 m高度处,大部分情况下优于1.0 K。随着分割宽度的增加,所有传感器的LST误差都逐渐增大,且不同传感器地表温度之间的差异明显增大。为保证反演地表温度的精度,分割宽度应尽量小于2.5μm。研究表明,该方法可有效提高反演精度和多源传感器反演结果的一致性。（2）实现了一种稀疏植被场景方向性辐射模拟模型,并基于此模型提出了一种实测地表组分温度的角度校正方法。本研究使用三维激光点云和简单几何体分别建立三维场景模型。结合方向性辐射传输方程对复杂植被场景的辐射方向性进行模拟,然后根据模拟结果对实测组分温度进行角度校正。结果表明,两种三维场景在模拟组分温度、组分比例和全场景方向性辐射时在大部分情况下性能接近。与DART模型对比结果显示,两种模型在模拟方向性亮度温度时的差异小于2.0 K。根据模型模拟结果对实测组分温度进行角度校正后,不同方向组分温度升尺度结果之间的差异降低了1.1至2.1 K,表明可在一定程度上降低角度因素的影响。（3）提出了一种从分类数据计算方向性组分比例的方法并实现升尺度。以分类数据和植被平均结构参数建立简化三维模型,然后结合布尔模型建立组分比例计算方法。结果表明,使用简化三维模型结合布尔模型计算组分比例的方法在不区分光照阴影情况下最多带来0.05的差异,区分光照阴影情况时最多可带来0.17的差异。模拟数据升尺度结果显示采用的组分比例加权的升尺度方法存在0.7至1.4 K误差。使用简化三维模型计算的组分比例和角度校正后的实测组分温度升尺度可带来1.7至3.8 K差异,使用简化三维模型与布尔模型计算的组分比例升尺度可带来2.6至4.5 K差异。升尺度结果与Landsat-8观测结果相比可产生0.6至5.7 K差异,与MODIS观测结果相比可产生2.3至4.0 K差异。由于受地面场景特性和组分温度观测过程和提取过程等多种因素影响,计算组分比例和实测组分温度升尺度方法在部分情况下出现了较大不确定性,但在升尺度研究中仍表现出较大应用潜力。