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1、 海洋遥感海洋遥感 The Oceanic Remote SensingThe Oceanic Remote Sensing 第二章 海洋遥感原理与基础 u 与海洋遥感相关的基本概念 u 电磁波与海水相互作用机制 u 海洋水体波谱特征 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 粗糙度 1
2、 海洋学上的专用名词 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 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 L 1 73cm 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 L n 因此有 2
3、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 海水折射率随温度和盐度的变化 波长 0 5893 m 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 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 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 散射计 镜面反射的计算 注意菲涅耳反射率与
4、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 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 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
5、物质特性有关 虚部表示能量消 耗与衰减程度 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 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 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
6、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 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 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 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 2 1 与海洋遥感相关的基本概
7、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 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 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 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 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
8、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 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 垂直入射时 回波强度 左 和后向散射截面 右 最大 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 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
9、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 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 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 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 v 不同因素对直射和漫射
10、反射的影响不同 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 a 海面上到达海面的下行辐照度模型 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 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 b 穿过海面的总下行辐照度模型 2 2 电磁波与海水相互作用机制 1 反射波段 VIS V
11、NIR 的相互作用机制 直射光谱反射率 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 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 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 假定海面比较平滑
12、 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 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 u 4m s 4m s u 7m s 与风速之间具有如下关系 u 7m 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 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 穿过海面的总下行辐照度模型 总反射率 m为漫射辐射与总辐射的比值 2 2 电磁波与海水相
13、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 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 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 a 和 的计算 p74 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 2 2 电磁波与海水相互作用机制 1
14、 反射波段 VIS VNIR 的相互作用机制 a 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 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 b 的计算 太阳 大气 海表 2 2 电磁波与海水相互作用机制 1 反射波段 VIS VNIR 的相互
15、作用机制 3 大气校正 过程 c 大气透过率的计算 p70 73 总透过率等于直接透过率和漫射透过率之和 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 实际应用中的校正 实际应用中的大气校正过程常采用近似法 如对模 型进行合理的简化 和数值法 如采用一些同步的大气 数据进行计算 即使如此 有些参量还是无法精确测量或计算 还 需采用别的方法 如 由于气溶胶的组分和光学特性的 易变性 无法精确测量其散射的影响 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 实际应用中的校正举例 以SeaWIFS Se
16、aStar 对一类水体探测为例 设置了 大气校正通道7 765nm 和8 865nm 这二个波段的离水 辐射度近似为0 第8波段气溶胶散射 计算n值 其它波段气溶胶散射 2 2 电磁波与海水相互作用机制 2 热红外波段 TIR 的相互作用机制 1 水汽辐射传输模型 传感器探测到的辐射为 太阳 传感器 大气 海表 2 2 电磁波与海水相互作用机制 2 热红外波段 TIR 的相互作用机制 2 辐射传输过程的理解与具体计算 a 热红外波段的大气校正 传感器的通道亮温与海表温度的差在1 5K 校正过程是估算大气上行辐射 下行辐射 路径 辐射 和大气透过率 实际校正方法 利用实测大气数据 创建查找表 利用 影像自身估计参数 如分裂窗方法和Gu提出的经验关系 Gu提出的热红外波段大气校正方法 2点成像的NOAA 16 05 02 01 线性关系的斜率和截距可由成像 时刻的大气参数计算得出 反之 根 据斜率和截距可以反算出每个通道上 的大气上行辐射和透过率 2 2 电磁波与海水相互作用机制 2 热红外波段 TIR 的相互作用机制 2 辐射传输过程的理解与具体计算 b 海表热红外辐射 海表热红外辐射与
