《第二章海洋遥感原理与基础-海洋遥感汇总》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章海洋遥感原理与基础-海洋遥感汇总（101页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/10/22,海洋遥感,The Oceanic Remote Sensing,2019/10/22,第二章 海洋遥感原理与基础,与海洋遥感相关的基本概念 电磁波与海水相互作用机制 海洋水体波谱特征,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基本概念,海面状况：海面粗糙度状况，与最大的海面波动高度有关； 深水波：水深大于波长的1/2的波动（水底对波的影响忽略）； 浅水波：水深小于波长的1/20的波动（长波）； 波高（H）：从波峰到波谷之间的铅直距离； 有效波高（H1/3)：波阵列中全部波段的1/3最高波的波峰到波谷之间高度的平均值； 均方根波高（hk）：波在平均海平面上的均方根高度（
2、粗糙度）；,1.海洋学上的专用名词,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基本概念,1.海洋学上的专用名词,长度（L）：海洋波从一个波峰到另一个波峰的距离； 空间波数（N）：N=2/L； 周期（T）：两个连续波峰通过一固定点的时间（m）； 时间波数（）： =2/T； 风区长度：稳定的风吹过的水平距离； 持续时间：稳定的风所维持的时间间隔；,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基本概念,充分成长的波浪：在一定的风速、足够的持续时间和风区长度条件下，海面达到平衡状况（即振幅不变）； 风波：洋面上由局地风激起的海洋波系统； 重力波：作用在扰动水团上的主要恢复力是重力的波动（L1.7
3、3cm）； 表面张力波：作用在扰动水团上的主要恢复力是表面张力的波动（L1.73cm） ；,1.海洋学上的专用名词,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基本概念,2.海洋遥感中常用的基本概念,（1）复折射率,Snell折射定律：,n表示电磁波在界面处传播速度和方向的变化，在可见光范围可用折射仪测得； n表示电磁波在介质中传播的衰减程度， n=k/4 。,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基本概念,2.海洋遥感中常用的基本概念,（1）复折射率,微波波段，复折射率为复介电常数的平方根。 在物理上， n与折射没有任何关系，而且n n，因此有：,2019/10/22,2.1 与海
4、洋遥感相关的基本概念,2.海洋遥感中常用的基本概念,（1）复折射率,海水折射率随温度和盐度的变化(波长=0.5893m),一般的，复折射率随温度升高而下降；而随盐度增加有所上升。,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基本概念,2.海洋遥感中常用的基本概念,（2）菲涅耳反射率,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。,Fresnel 反射公式,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基本概念,2.海洋遥感中常用的基本概念,（2）菲涅耳反射率,菲涅耳反射率（反射率）：描述辐射度的界面反射比。,若入射角为0（即垂直入射），则：,可用于高度计、
5、散射计镜面反射的计算,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。,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基本概念,2.海洋遥感中常用的基本概念,（2）菲涅耳反射率,适用情况 - 两均匀的各向同性介质之间有一个实际无限大的平滑边界； - 入射到边界上的波为平面波（非球面波）； - 单色或光谱的入射波适用（宽波段要进行平均或积分计算）； - 在介质中不会发生多次反射。,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基本概念,2.海洋遥感中常用的基本概念,（3）复介电常数,又称为相对介电常数或相对电容率，是描述海面发射率的一个关键参数，它
6、是频率 ，水温T 和海水盐度S 的函数。,复数定义,德拜公式表示,常用的介电常数模型较多，如Klein模型（P37）。,与物质特性有关,虚部表示能量消耗与衰减程度,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基本概念,2.海洋遥感中常用的基本概念,（3）复介电常数,复介电常数反映水体的电学性质，影响物体对电磁能量的反射（如雷达图像上越大，则色调越浅）。 宏观上可反映电磁波的辐射、散射、吸收、传输等特性；微观上表明介质的化学组成、物理结构。,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基本概念,2.海洋遥感中常用的基本概念,（3）复介电常数,小于20Ghz时，海水的虚部大于纯水，说明海水中的
7、能量消耗较快； 大于20Ghz时，虚部值超过了实部。,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基本概念,2.海洋遥感中常用的基本概念,（3）复介电常数,小于20Ghz时，海水的虚部大于纯水，说明海水中的能量消耗较快； 大于20Ghz时，虚部值超过了实部。,不同温度下，纯水和海水介电常数的实部与虚部随频率的变化,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基本概念,2.海洋遥感中常用的基本概念,（4）海面粗糙度 判据与波长和入射角有关,判据 修改的瑞利准则（Peake & Oliver，1971） - 光滑表面满足： - 中等粗糙表面满足： - 粗糙表面满足：,2019/10/22,2.
8、1 与海洋遥感相关的基本概念,2.海洋遥感中常用的基本概念,（4）海面粗糙度 对海面后向散射系数的影响,随粗糙度的增加，雷达回波强度受入射角的影响程度减弱。,在接近垂直入射时，雷达回波强度非常强，随入射角变大，信号变弱。,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基本概念,2.海洋遥感中常用的基本概念,（4）海面粗糙度 示例,粗糙度与波长和入射角的关系,不同波长与入射角情况下，粗糙类型的判断依据不同,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基本概念,2.海洋遥感中常用的基本概念,（4）海面粗糙度 示例,同一粗糙度在不同波段上的粗糙类型,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基
9、本概念,2.海洋遥感中常用的基本概念,（5）散射截面与散射系数,a. 散射截面：指散射波的全功率与入射功率密度之比，表示目标截获并散射入射能量的能力。 .后向散射截面：指入射方向上的散射截面，其值大小为散射截面的1/4倍。,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基本概念,2.海洋遥感中常用的基本概念,（5）散射截面与散射系数,b. 散射系数：单位截面积上雷达的反射率或单位照射面积上的雷达散射截面。 - 后向散射系数0：入射方向上的目标每单位面积上的平均雷达截面，与目标的复介电常数、表面粗糙度、雷达系统参数等有关。,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基本概念,2.海洋遥感中常
10、用的基本概念,（5）散射截面与散射系数 影响因素,垂直入射时，回波强度（左）和后向散射截面（右）最大,2019/10/22,2.1 与海洋遥感相关的基本概念,2.海洋遥感中常用的基本概念,（5）散射截面与散射系数 影响因素,斜坡较平或陡坡入射角较小，回波强度较大,2019/10/22,2.2 电磁波与海水相互作用机制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制,（1）水气辐射传输模型,a. 简化模型,b. a模型细化,c. 考虑多次散射和白浪引起的散射,水中物质,太阳,传感器,大气,海表,2019/10/22,2.2 电磁波与海水相互作用机制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制
11、,（）海洋遥感反射波段非常重要的参量： 离水辐射率：即表层海水散射的太阳辐射，由朗伯余弦定律可知其与卫星天顶角无关。 离水反射率：海水的光谱反射率发生在水次表面上。,平均日地距离处的 大气层外的太阳辐照度,2019/10/22,2.2 电磁波与海水相互作用机制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制,（2）海洋辐照度模型,太阳,大气,海表,直射辐照度：太阳光经大气衰减后，直接到达水面的辐射； 漫射辐照度：直射光经散射后到达水面的辐射；,不同因素对直射和漫射反射的影响不同。,2019/10/22,2.2 电磁波与海水相互作用机制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制,（2）海洋
12、辐照度模型,太阳,大气,海表,海面上到达海面的下行辐照度模型,2019/10/22,2.2 电磁波与海水相互作用机制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制,（2）海洋辐照度模型 a.海面上到达海面的下行辐照度模型,到达海面的瑞利散射：,到达海面的气溶胶散射：,各种透过率的计算可参考课本72-73.,2019/10/22,2.2 电磁波与海水相互作用机制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制,（2）海洋辐照度模型,太阳,大气,海表,穿过海面的总下行辐照度模型,2019/10/22,2.2 电磁波与海水相互作用机制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制,直射光谱反射率
13、 对于平滑海面,对于零度角入射：,入射角与折射角之和为90度（入射角53.1度时出现）：,与折射率和入射角有关,（2）海洋辐照度模型 b.穿过海面的总下行辐照度模型,2019/10/22,2.2 电磁波与海水相互作用机制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制,直射光谱反射率 与风速和太阳天顶角有关（Gregg）,太阳天顶角小于40度或风速小于2m/s：,太阳天顶角大于40度且风速大于2m/s：,（2）海洋辐照度模型 b.穿过海面的总下行辐照度模型,2019/10/22,2.2 电磁波与海水相互作用机制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制,漫射光谱反射率,它与太阳天顶角无关
14、。假定海面比较平滑，且大气状况均匀，通常取值6.6%，对于风速大于4m/s的粗糙表面，则降为5.7%。,（2）海洋辐照度模型 b.穿过海面的总下行辐照度模型,2019/10/22,2.2 电磁波与海水相互作用机制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制,泡沫引起的反射率 （Gregg）,u4m/s：,4m/s u7m/s：,与风速之间具有如下关系：,u7m/s：,a为空气密度，CD为拖曳系数,（2）海洋辐照度模型 b.穿过海面的总下行辐照度模型,2019/10/22,2.2 电磁波与海水相互作用机制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制,（2）海洋辐照度模型 b.穿过海面的总
15、下行辐照度模型,总反射率,m为漫射辐射与总辐射的比值,2019/10/22,2.2 电磁波与海水相互作用机制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制,（3）大气校正,目的 从传感器接收到的辐射率（度）中，将离水辐射率 分离出来。,重要性离水辐射率包含了海洋的许多信息，通过它几乎可以得到所有的海洋水色产品。,2019/10/22,2.2 电磁波与海水相互作用机制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制,（3）大气校正 - 过程,对水色遥感影响的辐射量分级,2019/10/22,2.2 电磁波与海水相互作用机制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制,和 的计算 （p74）
16、,要达到5%的离水辐射率的反演精度，要求瑞利散射计算精度达到1%。,（3）大气校正 - 过程, 与到达海面的散射不同,2019/10/22,2.2 电磁波与海水相互作用机制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制,和 的计算 瑞利散射的计算,（3）大气校正 - 过程,国际上对瑞利散射的精确计算目前均采用查找表方式，但是这些查找表是针对特定遥感器生成的，不能直接用于一个新的水色遥感器。何贤强提出了加倍法和通用的查找表。,何贤强等，海洋水色及水温扫描仪精确瑞利散射计算，光学学报，2005.2 何贤强等，通用型海洋水色遥感精确瑞利散射查找表，海洋学报，2006.1,2019/10/22,2.2 电磁波与海水相互作用机制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制,（3）大气校正
