海洋遥感

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1、All Copyrights Reserved By SoonyenJu 1 / 8 南京南京信息信息工程大学工程大学复习复习参考参考资料资料 卫星卫星海洋海洋学学 第一章第一章 绪论绪论 海洋遥感海洋遥感： 指以海洋及海岸带作为监测和研究对象， 利用电磁波与大气和海洋的相互作用原 理来观测和研究海洋的遥感技术。 海洋遥感的研究内容：海洋遥感的研究内容： 1. 海洋遥感物理机制 2. 海洋信息提取方法 3. 海洋卫星传感器方案 4. 遥感数据在海洋学应用 海洋遥感的特点：海洋遥感的特点： 1. 全天候全天时探测 2. 半球或全球范围内探测 3. 定性、定量探测 4. 光谱波段细、探测器接收灵敏

2、 海洋遥感意义：海洋遥感意义： （常规的海洋调查依赖于调查船沿设定航线的“稀疏”取样。虽然定位样点 测量准确，但在规模、范围、频度上很受限制） 1. 海洋环境的进入性与通达性较差； 2. 近海和海岸环境复杂多变，难以进行多变量同步控制观测； 3. 海岸环境变化周期长、信息量大，难以取得理想的可控制数据，在实时处理上也有很大 困难。 海洋遥感经历的四个主要阶段海洋遥感经历的四个主要阶段探索阶段：探索阶段： 1. 气象卫星和陆地卫星不能完全替代海洋卫星。 2. 气象卫星和陆地卫星的探测器主要为光学探测器， 不能替代海洋动力环境卫星和地形卫 星，因为后者主要采用微波探测器； 3. 即使气象、 陆地和

3、海洋水色卫星都采用光学探测器， 但是前两者与后者还存在很大差别： 波段设置不同 （光谱分辨率） 、 灵敏度和精确度不同 （后者需要定量） 、 观测方式不同 （海 洋卫星要求观测时间为上午，且观测时沿轨倾斜约 020 度可调） 。 第二章第二章 海洋遥感的原理与基础海洋遥感的原理与基础 海洋学上的专有名词：海洋学上的专有名词： 有效波高有效波高(H1/3)：波阵列中全部波动的 1/3 最高波的波高平均值； 均方根波高（均方根波高（hk） ：） ：波在平均海平面以上的均方根高度（海面粗糙度） ； 重力波：重力波：作用在扰动水团上的主要恢复力是重力的波动（L1.73cm） ； 海平面高度：海平面高度

4、：海表面相对于参考椭球面的距离。 海平面地形：海平面地形：海表面相对于大地水准面的距离。 海平面异常：海平面异常：海表面相对于平均海表面的偏差 。 海洋遥感中常用的基本概念：海洋遥感中常用的基本概念： 1. 极化：极化：如果一束平面电磁波的电场矢量都在一个平面内，则称之为线性极化。 极化状态是根据电场矢量方向与参考平面方向的关系来定义的。对于线性极化的辐射， 水平极化的电场与参考平面垂直，垂直极化的电场与参考平面平行。 All Copyrights Reserved By SoonyenJu 2 / 8 2. 复折射率：复折射率： 复折射率 n 与相对电容率（复介电常数） 关系： 电磁波穿越两

5、种介质时遵守 Snell 折射定律： 3. 菲涅耳反射系数：菲涅耳反射系数： 描述光滑介质表面的反射与入射之间的关系， 即反射电场与入射电场 之比。 4. 菲涅耳反射率：菲涅耳反射率：定义为反射电磁波的辐亮度与入射电磁波辐亮度之比。 （注意菲涅耳反射率与漫反射率的区别： 前者定义了界面的反射比； 而后者为辐照度的 内部多个粒子的漫反射。 ） 5. 复介电常数：复介电常数： 复介电常数是反映物体电学性质的参数。 是描述海面发射率的一个关键参 数，它是频率 ，水温 T 和海水盐度 S 的函数。 6. 海面粗糙度海面粗糙度： 判据与波长和入射角有关。 （判据 瑞利准则和夫琅和费准则 ） 海面泡沫对反

6、射率的影响：海面泡沫对反射率的影响： 1. 可见和近红外光： 海面泡沫与风速 W 有关， 当 W7m/s 泡沫条纹迅速增加； 当 W40m/s 海面全部被泡沫覆盖，泡沫会增加反射率。 2. 热红外辐射：水强烈衰减红外辐射，泡沫几乎没影响。 3. 微波：水泡之间的空隙引起海面变形，进而引起泡沫发射率；发射率随风速线性增加， 增加量的最大值位于最高频率处；对垂直入射的发射率影响更大；入射角为 50 时，只 有风速超过 20m/s 时表面斜率的影响对泡沫不起作用。 7. 大气衰减：大气衰减：衰减系数可用朗伯-比尔定律微分形式计算。 8. 大气吸收：大气吸收： 吸收系数（kab）定义为：短路径 dz

7、上光谱辐射率 L的部分损耗 太阳高度角太阳高度角 h：地球上某点的切平面与某时刻此点和太阳连线的夹角。 太阳方位角太阳方位角 ：从指北方向线起，依顺时针方向，到某时刻太阳光在地面投影方向线之间 的水平夹角，取值范围 0360 度。 直射辐照度（直射辐照度（Edd） ：） ：太阳光经大气层后，直接到达水面的辐射； 漫射辐照度（漫射辐照度（Eds） ：太阳直射光经大气散射后到达水面的辐射； 海洋辐照度模型：海洋辐照度模型： 穿过海面的下行辐照度模型：穿过海面的下行辐照度模型： 大气透射率：大气透射率：大气总透射率 t 由直射透射率 td和漫射透射率 ts组成 大气程辐射模式：大气程辐射模式：Lr(

8、)和 La()通常称大气程辐射，与太阳辐照度、光学厚度、单次散射反 照率、散射函数有关。 太阳耀斑模式：太阳耀斑模式：水面受风速引起毛细波，这种粗糙表面可看成无数个小平面构成。水面经太 阳照射后镜面反射产生的辐射。 海面泡沫海面泡沫 Lwc() 的计算的计算 ：水面泡沫主要是风速引起的，Lwc() 计算如下 ninn All Copyrights Reserved By SoonyenJu 3 / 8 wc()为海面泡沫的反射率，取决于水面风速 u。 辐射定标：辐射定标：是建立传感器的每个探测元件输出的数字信号(DN)与它观测目标绝对物理量 辐亮度 L 之间的定量关系。 大气平均温度大气平均温

9、度：大气自身的热辐射。 水水-气热辐射传输模型气热辐射传输模型： 长波辐射传输方程长波辐射传输方程多层的线性近似法和 Pade 近似法 微波辐射的特性：微波辐射的特性： 1. 海面发射率 是观测天顶角 、辐射计频率 v、极化方式、真实温度 Ts、风速 u 和风向 的函数。 2. 影响海面发射亮温的因素：海面粗糙度和泡沫。 3. 平静海面，满足热动力平衡条件时： =1-。 微波表面散射：微波表面散射：在两种均匀介质的分界面上，当电磁波从一种介质射入时，在分界面上产生 的散射，叫表面散射。 微波体散射：微波体散射：当电磁波通过某一界面，从一种介质进入另一种介质时，在介质内部产生的散 射，叫体散射。

10、 大气对微波的影响：大气对微波的影响： 1. 在微波波段（1-300GHz 或 30cm-1mm） ，大气衰减主要是 O2 和 H2O 的吸收、大气微粒 （主要是水滴，包括云雾、霾和降水、冰粒和尘埃）的散射造成。对于云雨天气，还考 虑云和降雨的衰减作用。 2. 对于波长相对较长的微波，在大气和非降水的云中传输时，散射作用可忽略，只考虑大 气的吸收和发射。 3. 对于波长相对较短的微波，微粒散射作用不可忽略。 如： 波长0.3cm 的微波， 直径100m（降水）时，散射 作用就很重要 。 天线：天线：是把高频电流转换成无线电波，或把无线电波转换成高频电流的变换器，主要用来发 射和接收无线电波。

11、天线的特性天线的特性辐射效率和辐射方向函数 雷达发射机输出的功率馈送到天线后，通过天线孔径辐射到空间，由于阻抗匹配等因素，发 射功率 Pt中只有部分功率 Prad辐射出去。用辐射效率 来表示： =Prad / Pt。 天线的方向性：天线的方向性：某特定方向上获得的辐射强度与各向同性天线辐射强度之比。 天线增益：天线增益： 表示为某一天线与标准天线得到同样功率时在某一方向上的功率密度之比。 描述 了副天线把能量聚集到一个窄的角度范围的能力。分方向增益和功率增益。 波束宽度：波束宽度：指辐射电磁场的大小从主瓣峰值下降 3dB 时 2 点之间的角度间隔。 雷达方程雷达方程： All Copyrigh

12、ts Reserved By SoonyenJu 4 / 8 散射截面：散射截面： 海面雷达成像的复杂性：海面雷达成像的复杂性：海面的 SAR 图像为“三动”和两类波作用的结果。 “三动三动”指：指： 1. 海面的运动，而且是非惯性、非线性的； 2. SAR 传感器本身运动； 3. SAR 平台的运动。 两类波指：两类波指：运动中的电磁波与海面波浪，两类波的相互作用是一个复杂的过程。 SAR 图像的处理方法：图像的处理方法： 1. 基于电磁波散射理论和流体力学理论建立的理论模型； 2. 基于 SAR 图像的统计模型。 海面雷海面雷达散射特征达散射特征： 1. 镜面散射模型 2. Bragg 共

13、振散射模型 3. 组合表面模型（二尺度模型） 海面雷达成像模型海面雷达成像模型： 1. 倾斜调制模型 2. 粗糙度调制模型 3. 轨道速度调制模型 第三章第三章 海洋遥感卫星与传感器海洋遥感卫星与传感器 国外的海洋水色遥感器：国外的海洋水色遥感器： 1. Nimbus-7 雨云气象卫星（美） ：雨云气象卫星（美） ：1978 年 10 月 25 日发射 2. SeaSTAR 海洋水色卫星（美） ：海洋水色卫星（美） ：1997 年 8 月 1 日发射成功，载有唯一的 SeaWiFS 传感 器。 3. Terra 和和 Aqua 极轨卫星（美） ：极轨卫星（美） ：分别发射于 1999 年 12

14、 月和 2002 年 5 月，与海洋水色 遥感有关的是 MODIS（中分辨率成像光谱仪） 国外的海洋动力国外的海洋动力环境卫星：环境卫星： 1. ERS 卫星（欧空局） ：卫星（欧空局） ：1991 年 7 月发射了 ERS-1 卫星， 1995 年 4 月发射了 ERS-2 2. Envisat-1 卫星（欧空局） ：卫星（欧空局） ：2002 年 3 月发射的极轨卫星 3. RadarSat 卫星（加） ：卫星（加） ：1995 年 11 月发射 中国的海洋卫星：中国的海洋卫星： 1. 海洋一号卫星：海洋一号卫星：HY-1A、B 星分别于 2002 年 5 月 15 日和 2007 年 4

15、 月发射成功 2. 海洋二号卫星：海洋二号卫星：HY-2 星分别于 2011 年 8 月 16 日发射成功 第四章第四章 海洋水色遥感海洋水色遥感 海洋水色遥感的几个基本概念海洋水色遥感的几个基本概念 1. 海洋水体分类海洋水体分类： 类水体：类水体：光学特性主要由浮游植物及其分解物决定； 类水体：类水体：光学特性除了与浮游植物及其分解物有关外，还由悬浮物、黄色物质决定。 2. 海水的光学特性海水的光学特性： 表观光学量表观光学量随光照条件变化而变化的量，由光场和水中的成分而定。包括向下辐照度、 All Copyrights Reserved By SoonyenJu 5 / 8 向上辐照度、

16、离水辐亮度、遥感反射率、辐照度比等，以及这些量的衰减系数。 固有光学量固有光学量是只与水中成分有关， 不随光照条件变化而变化的量。 直接反映媒介的散射 和吸收特征，如：吸收系数；散射系数；体积散射函数等。 3. 海水的色素海水的色素： 4. 叶绿素：叶绿素：反映海洋生产力的变化，最主要的为叶绿素 a，在蓝光（420-500nm）和红光 （600-700nm）波段具有两个强吸收谷。 荧光：荧光：浮游植物吸收的太阳能在某波段上的辐射光，该值可作为植物健康状况的标志。 黄色物质黄色物质：富里酸、腐殖酸；黄色物质在蓝色波段具有强烈的吸收。 5. 海洋初级生产力海洋初级生产力： 初级生产力表示在单位海洋面积内， 浮游植物通过光合作用固定碳的 净速率。与平均叶绿素相关，单位为 mg m-2 d-1。 反演算法有：经验算法、解析算法。 6. 赤潮赤潮：海水中的浮游生物过度繁殖或聚焦致使海水变色（多为红色）的一种生态环境恶 化的现象。 海