地表温度对于局地和全球尺度的地表水热平衡、区域蒸散发、物质和能量交换以及全球气候变化等研究十分重要。目前存在很多利用遥感数据反演得到地表温度的算法，由于地表自身辐射特性和像元组分结构的原因，利用在一定观测角度条件下获取的遥感数据反演得到的地表辐射温度具有方向性特征。而现阶段的各种陆面过程模型和水文过程模型等，都需要整个半球的热红外辐射温度作为模型输入参数。可见，现有的方向性地表辐射温度难以满足实际需求，所以本文开展了方向性辐射温度与半球辐射温度关系研究，找寻能够替代半球辐射温度的最佳方向辐射温度观测角度，以提高地表温度遥感反演产品质量，对传感器的角度设计提出合理建议。　　本文首先针对引起同温像元辐射温度方向性的方向发射率进行了研究，将应用于高光谱热红外遥感数据的分段线性发射率反演算法应用到102F光谱仪测量数据上，观测并计算得到了不同质地均匀土壤的方向发射率谱，结果表明均匀土壤的发射率具有明显的方向性，随着观测天项角的增大而减小，在60°天顶角位置倾斜观测和垂直观测到的发射率差值可达0.1以上。并进一步利用得到的方向发射率谱建立了针对均匀土壤的方向发射率经验模型，明确发射率与观测角度的关系。　　接下来利用方向性热辐射模型，针对非同温均匀冠层模拟得到方向性辐射温度在半球空间的分布，当太阳高度角较高时，方向性辐射温度随着观测天项角的增大而减小，当太阳高度角较低时则相反，方向性辐射温度随着观测天顶角的增大而增大，这种方向性导致的辐射温度差异可达7℃左右。进一步利用半球空间的方向性辐射温度，计算得到半球辐射温度，对比分析方向性辐射温度与半球辐射温度的关系，得到半球辐射温度的最佳替代观测角度。最佳替代半球辐射温度的观测角度受观测方位角、太阳天顶角和叶倾角分布函数的影响小，主要是受到叶面积指数的影响，针对均匀冠层，当叶面积指数小于等于1.0时，最佳替代角比较大为51°左右，当叶面积指数大于1.0时，最佳替代角为44°左右。　　最后开展热红外多角度地面观测试验，对热红外地表辐射温度的角度效应以及利用模拟数据得到的半球辐射温度最佳替代角度进行了验证。试验结果表明当太阳高度角较低时，观测到的均匀草地的辐射温度会随着观测天顶角的增大而增加，但受观测方位角的影响较小，当观测天顶角为75°时，倾斜观测与垂直观测得到的辐射温度差值达到2.7K，验证了热辐射明显的方向性特征。同时将热红外地表方向性辐射温度与同步观测的半球辐射温度进行对比分析，当叶面积指数小于1.0时，半球辐射温度的最佳替代角度为50°左右，与模拟结果相符。