定量热红外要比可见光近红外遥感复杂得多，因为：①地物从热辐射的吸收到标志地物热特性的温度的升高，存在一个热储存和热释放的过程，这个过程涉及地物本身的热特性和环境条件。定量表达这个过程，不仅要知道现在的条件，还要知道过去的状态。②改变地物热状况的热源不仅来自太阳辐射而且还有显热、潜热输送和人类活动的影响。尤其是人为热极其复杂且难以定量化。③热红外波段的波长要比可见光近红外长，能量低，故而热红外遥感图像的空间分辨率一般较低。目前针对热红外遥感的研究主要集中在温度与发射率的反演、尺度效应和能量平衡模型等方面。
10.1.1 温度与发射率的分离研究
随着遥感科学和传感器的发展，各国学者提出了各种各样的地表温度和发射率反演算法，不同算法针对不同的遥感数据和假设，适用于不同的情况。根据习惯，温度与发射率分离算法一般是指利用热红外高光谱或多光谱的一个时相来同时求取温度和发射率波谱。目前文献中提到的温度与发射率分离算法主要有：包络线法、参考通道法、归一化发射率方法（NEM）、平均-最小最大发射率差方法MMD、ASTER的TES算法、光谱迭代平滑法（ISSTES）、比值法、α剩余法、独立于温度的波谱指标（TISI）法、劈窗算法、查找表法、大气残留指数法、基于相关性的温度与发射率分离算法等。
10.1.2 热红外辐射方向性与尺度效应
10.1.2.1 热辐射的方向性产生原因
1）真实的物体材料并非黑体，其发射率本身存在方向性差异。对于光滑的电介质表面，其比辐射率随观测角的变化而变化。
2）多次散射的影响。如同可见光波段一样，在热辐射波段地物面元之间的散射仍然能增加某些方向的辐射能。因此，即便相同的材质但是三维结构不相同的目标，由于孔穴效应的影响，其不同角度观测到的辐射能也有很大差别。
3）地物本身的组分不一，有些地物既含有植被茎、叶，又含有土壤沙石，这些组分不但发射率可能不同，而且其组分温度也可能相差很大，因此从不同角度观察时，各组分对辐射能的贡献也不相同，从而引起整个目标的热辐射的方向性。
10.1.2.2 热红外辐射尺度问题研究
（1）热红外遥感的空间尺度效应研究
热红外遥感的尺度效应是由于混合像元造成的，在混合像元研究中比辐射率的定义问题是长期困扰热红外学家的科学难题。1995年以后国际上才逐步形成了必须考察其尺度效应，严格定义像元有效发射率率的共识（Becker and Li，1995）。Noman等（1995）定义了混合像元的比辐射率e-emissivity和r-emssivity。e-emissivity被定义为自然物体表面的总辐射与同样温度分布下的黑体总辐射之间的比值。r-emssivity是“半球-方向”反射率的补集（对于不透明物体）。万正明和Dozier定义了等效比辐射率等于组分比辐射率的面积加权和。国内方面，李小文等从理论高度探讨了 Beer 定律、Helmholtz互易原理、Plank定律的尺度效应。李小文等认为假定像元内处处为黑体表面，满足Plank定律，像元作为一个整体可以不满足Plank定律所要求的条件，并道出了空间结构、温差分布、材料发射率等概念模型，把Plank定律修正到像元的尺度。
2002年张仁华等在试验中发现，从亚像元到像元尺度的某些遥感反演的地物属性参数中，比如反射率、比辐射率、植被指数和叶面积指数等，均存在一个有规律的差异，遵循一个普使公式。对于可见光和热红外波段，遥感信息归根结底分为两类：即反射率和表面温度。许多高层次的地表应用信息，例如地表通量、风速、气温等还不能直接由上述两个参数反演而得必须借助非遥感参数，这些非遥感参数仍然为点上信息。为了与遥感的面上信息进行匹配，两者必须进行空间与时间上的同化，这实际上也涉及空间和时间的尺度转换。在此基础上重点研究了地表参数比辐射率的尺度转换规律。另外刘明亮等（2001），赵红蕊等（2003）等也从不同角度研究了空间尺度效应。
（2）光谱尺度效应
高光谱遥感数据大量的光谱波段为我们反演地表参数提供了极其丰富的信息，然而波段的增多也必然导致信息冗余和数据处理复杂性增加。目前有大量关于可见光和近红外的光谱降维和光谱特征分析与提取的研究。然而，对于温度和发射率反演是否是波段越多越好呢，不同的光谱尺度对温度和发射率反演的影响是怎样的，关于这方面的研究文献比较少。这可能是因为目前热红外的高光谱数据比较少，绝大部分研究者使用的都是单波段或多波段的热红外遥感数据。但是随着热红外传感器技术的发展，这将会是一个重要的研究方向。可见光/近红外的光谱处理技术能否用在热红外光谱数据上对温度与反射率的分离将会有怎样的影响，都值得我们去研究。
10.1.3 人为热源对城市能量平衡的影响
人为热是城市热环境的重要贡献力量，但是人为热和自然热、显热、潜热等过程交织在一起，其时空变异也很大，所以量化比较困难，一直以来停留在描述的研究阶段。近年来逐步受到国内外学者的关注，例如，Soushi Kato等利用ASTER和ETM＋数据对人为热和自然热进行了分离，并对人为热的时空变化进行分析；Hongli Fana等对人为热和城市气候及城市热岛关系也进行了研究。
蒋维楣（2007）在区域边界层模式（RBLM）中引入一种新人为热源处理方案，将低层的人为热源加入地表能量平衡方程，将高层人为热源分布与建筑物高度和密度联系起来，加入热量方程中，同时考虑了人为热源强度的日变化。
何晓凤（2007）用南京大学多尺度模式系统在不同区域进行了多种人为热源引入方案的研究，结果表明：考虑时空变化的人为热源按比例分别引入到地表能量平衡方程和大气热量守恒方程是将人为热源引入模式的最优方案，此外，人为热的排放对清晨城市边界层逆温结构有一定程度的破坏作用，能明显升高夜间近地层气温达0.5～1.0℃，并能使白天湍流活动的影响范围增大，混合层高度抬高，使夜间城市热岛环流的影响范围扩大。
Best（2005）在英国气象局的数值天气预报模式中引入了一个城市地表能量平衡参数化方案，虽然对预报结果有所改善，但还存在一定误差，没有考虑人为热源的作用是导致预报误差的主要原因；Fan等（2005）将人为热源分别引入中尺度气象模式MM5的两个边界层参数化方案中，对冬夏个例的模拟都有改善，表明人为热源对改善城市热力环境的模拟有重要作用，在 MM5 中，李晓莉等（2003）引入了一个考虑城市人为热源的冠层参数化方案，对模拟效果有明显改善，这些工作都说明在数值模拟中引入人为热源对于改善模式模拟效果是十分有必要的，上述引入人为热源的工作中，通常是将其引入到地表能量平衡方程，Taha（1999），Brown和Williams（1998），Ca和Asaeda（1999）都将人为热源直接引入到大气能量守恒方程中，他们认为热量是直接释放到大气中的；而Urano等则考虑一个随高度变化的人为热源，将其按高度和类型分布状况分别引入到地表能量平衡方程和大气热量守恒方程中。