地面吸收太阳短波能量（包括太阳直接光和天空漫射光）开始升温，将部分太阳能转换为热能，然后地面再向外辐射较长波段的热红外辐射能量。在热红外遥感的地—气辐射传输中，地面与大气都是热红外辐射的辐射源，辐射能多次通过大气层，被大气吸收、散射与发射。如果假设地表和大气对热辐射具有朗伯体性质，大气满足局地热力平衡条件，忽略大气分子、气溶胶的散射以及对大气下行辐射强度进行简化，则可以对热辐射传输方程进行简化。

图2-1　热红外辐射传输方程示意图

由辐射传输理论和图2-1可知，在晴空大气条件下，大气顶某一方向波谱辐射能可以表示为（李召良，2000）：

式中，τλ为大气波谱透过率（符号①），Ratλ↑为大气路径向上波谱热辐射能（符号②），RSλ↑为由大气对太阳辐射能的散射所产生的路径向上波谱辐射能（符号③），Rλ为地表波谱辐射能

式中，TS是地表温度，Ratλ↓是大气向下半球热辐射通量除以π，RSλ↓是由大气对太阳辐射能的向下散射所产生的半球辐射通量除以π，ρbλ是在太阳角θS和观测角θ方向上的地表波谱双向反射率，Eλ是大气顶太阳波谱辐射能。方程中右边第一项为地表热辐射能（符号④），第二项和第三项分别为地表反射的大气和反射的太阳散射向下半球辐射能（符号⑤和⑥），最后一项为地表反射的太阳直射能（符号⑦）。

任何辐射计都是对某一波谱区域响应，所以对于给定波段的通道响应函数fi（λ），通道观测的辐射能可表示为：

将式1-6代入式1-8，得到：

式中，所有下标为i的参数同Ii一样是它们相应波谱通道i的加权平均值（式1-8）。方便起见，人们习惯用通道i上观测的亮温Ti和地表亮温Tgi来分别代替Ii和Ri。它们之间的代替关系如下：

因为在8～13μm波段里，太阳对总辐射能的贡献可忽略不计，方程式1-9和式1-10可以简化为：(www.daowen.com)

所有地表温度的反演算法，都是基于方程式1-13和1-14，通过不同的假设和近似发展来的。