第六章_海面风场遥感 海洋遥感课件

* * 海洋遥感海洋遥感 The Oceanic Remote SensingThe Oceanic Remote Sensing * * 第六章 海面风场遥感 u 概述 u 微波散射计测量海面风场 u SAR获取海面风场信息 u 其它方法测量海面风速 * * 6.1 概述 1.海面风场测量的意义 海面风场测量对于海洋环境数值预报、海洋灾害监 测、海气相互作用、气象预报、气候研究等都具有重要 意义。 常规资料主要通过船舶、海上浮标、沿岸和岛屿气 象台站来测量获得，难以满足宏观、实时海洋监测的需 要，卫星遥感技术起到了非常重要的补充作用。 * * 6.1 概述 2.海面风场遥感测量的波段与传感器 可见光、红外遥感方法 微波散射计 微波辐射计 高度计 SAR * * 6.1 概述 3.海面风场微波遥感测量的原理 风速测量- 微波传感器不能直接测量海面风矢量， 微波测量海面风速是基于海面的后向散射或亮温与海 面的粗糙度有关，而海面粗糙度与海面风速之间具有 一定的经验关系而进行的。 风向测量- 对同一海域不同入射角的资料进行分析， 可获得风向分布信息。 用于描述雷达后向散射系数与海面风矢量(风速和风 向)之间的经验关系称为风场反演的地球物理模式函数。 * * 6.2 微波散射计测量海面风场 1.发展历史 1966年Morre教授提出散射计测量海面风场的概念。 1973年Skylab卫星S-193散射计和1978年Seasat-A卫星 SASS散射计的成功经验证实了该技术的有效性。 1991年ESA的ERS-1卫星上装载了主动微波探测仪，使 卫星散射计风场测量进入业务化监测的新纪元。 1999年QuikSCAT卫星的SeaWinds散射计提高了测量 精度。 目前测量风速范围在424m/s，精度为2m/s或10，风向范 围0360，精度20 。 * * 6.2 微波散射计测量海面风场 2.测风原理 微波散射计（Ku波段和C波段的微波散射计）通 过测量海面微波后向散射系数，根据它与海面风矢量 的经验模式函数来反演海面风场。 微波散射计的入射角一般大于20度，散射计测量 海面风场以Bragg共振散射模型和双尺度模型为主。 * * 6.2 微波散射计测量海面风场 2.测风原理 （1）雷达后向散射系数的计算： （2）单位面积后向散射系数的Bragg表达： 可见，后向散射系数随摩擦风速u线性增长。 * * 6.2 微波散射计测量海面风场 2.测风原理 （3）海面高度z处风速的计算：（Monin-Obukhow方程） 可见，后向散射系数与海面风速具有较大相关性。 us为海面风速，ka为Karman常数（常取0.4），z0可用 经验关系式表达，为考虑大气稳定性的修正值，L为M-O 长度。 * * 6.2 微波散射计测量海面风场 2.测风原理 （4）后向散射系数与风向之间的关系： 在风速固定的条件下，后向散射系数在逆风观测 时最大，顺风其次，而横风最小。 * * 6.2 微波散射计测量海面风场 3.海面风场反演过程 （1）反演步骤 计算归一化后向散射系数，并获得不同视角天线 对同一区域的观测； 利用风矢量与归一化后向散射系数之间的关系， 进行风速和风向估计； 多个可能风矢量解模糊性的消除。 * * 海面风场微波散射计测量流程 * * 6.2 微波散射计测量海面风场 3.海面风场反演过程 （2）风矢量反演模式 一般情况下，风矢量反演模式表达为： 试验基础上，已获得后向散射截面与风矢量之 间具有如下关系： 式中系数根据经验确定，取决于入射角。 为相对方位角，与风向 和雷达观测方位角有关。 * * 模式函数研究进展 SASS-1模式函数 SASS-2模式函数 NSCAT-1模式函数 NSCAT-2模式函数 QSCAT-1模式函数 Ku-2001模式函数 CMOD1-12模式函数 CMOD-IFR2模式函数 Ku波段的模式函数 C波段的模式函数 6.2 微波散射计测量海面风场 模式函数一般采用统计 的方法经验获得。 * * 6.2 微波散射计测量海面风场 3.海面风场反演过程 （2）风矢量反演模式-常用： 下标0u、0d和0c分别表示逆风、顺风和横风时观 测的后向散射系数。 风速、入射角和极 化方式的函数。 为相对方位角，为风 向和雷达方位角之差。 * * 6.2 微波散射计测量海面风场 3.海面风场反演过程 （2）风矢量反演模式 入射角和风向固定时，后向散射截面随风速的变化 * * 6.2 微波散射计测量海面风场 3.海面风场反演过程 （2）风矢量反演模式 风速固定时，后向散射系数随相对方位角的变化 * * 6.2 微波散射计测量海面风场 3.海面风场反演过程 （3）实际应用的风矢量反演模式 Ku波段 - Morre模式 Ku波段 - Wentz（SASS-II模式） * * 6.2 微波散射计测量海面风场 3.海面风场反演过程 （3）实际应用的风矢量反演模式 C波段 本质是简化的Morre模型 主要针对ERS系列卫星的模型，相继开发出了CMOD1-12模型。 CMOD5-12： CMOD-4（欧空局采用的标准算法）： * * 后向散射系数随风速和风向的变化(CMOD4) * * 6.2 微波散射计测量海面风场 3.海面风场反演过程 （3）实际应用的风矢量反演模式 由以上可见，模式函数是风速、风向、入射角、 天线极化方式等参数的非线性函数，加上后向散射系 数测量噪声的影响使得无法利用模式函数直接获得风 矢量信息。 所以，需要其它方法的配合进行风矢量求解。 * * 6.2 微波散射计测量海面风场 3.海面风场反演过程 （4）实际求解中的最大似然反演法 最大似然估计的目标函数： 后向散射系数的测量值 后向散射系数的模式预测结果 * * 6.2 微波散射计测量海面风场 3.海面风场反演过程 （4）实际求解中的最大似然反演法 首先取风向为0度，给定一个起始风速(如7m/s)，在风速区 间范围内(如0-50m/s)按一定间隔寻找使目标函数式取得最 大值的风速，记录风速值和相应的目标函数值； 风向增加一个间隔，以上一个风向下找到的风速为起点， 重复上步，直到整个风向区间(0-360)搜索完毕为止； 将局部最大值按从大到小的顺序排列,取出前四个对应的风 速、风向作为模糊解。 * * 6.2 微波散射计测量海面风场 3.海面风场反演过程 （4）实际求解中的最大似然反演法 研究表明，在绝大数情况下，真实的海面风 矢量就是最大似然意义上的第一或第二解，而且 这两个解之间存在180度的方向差。一般情况下， 有60%的最可能风矢量解接近真实风速和风向，大 约30%的最可能解与实际真实风向相反。 对此，技术上主要采用中值滤波方法进行多 解消除处理。 * * 6.2 微波散射计测量海面风场 3.海面风场反演过程 （5）风向多解消除-矢量中值滤波 对于每个窗口，计算中心点的滤波函数值，用最小值Uij所对 应的风矢量代替方程中的Umn，重复计算滑动窗口，直到Uij=Umn。 另外，还有一种场方式模型的多解消除方法。 矢量中值滤波初始场的确定：最可能的风矢量解作为 初始场、模式风场作为初始场。 * * 6.3 SAR获取海面风场信息 1.SAR获取海面风场的意义 尽管微波散射计具有全天候条件下获得全球海 面风场的能力，但其分辨率不能满足近岸带观测的 需要， 高空间分辨率的合成孔径雷达可以弥补散射 计测风的不足。 * * 6.3 SAR获取海面风场信息 2.SAR获取海面风场的原理 SAR在波束入射角2070的情况下，所接收来自 海面的后向散射主要为Bragg散射，其中风是影响后向 散射的主要因素之一。 根据风速与雷达后向散射系数之间的关系，可进 行风速的反演；利用SAR图像上与风向有关的“风条纹” 结合气象预报模式结果或者现场测量数据，可获得风向 信息。 * * 6.3 SAR获取海面风场信息 3.SAR获取海面风场的流程 SAR图像 校准 SAR后向散射 系数 风向信息 模式风场 CMOD模式函数 海面风矢量 * * 雷达后向散射系数与雷达亮度的关系： 后向散射系数与DN值之间的关系为： DN值与雷达亮度和后向散射系数的关系： K为校准常数 为参考入射角23为入射角 ERS SAR ERS SAR数据数据 （1）图像辐射定标 * * 雷达亮度与DN值的的关系为： 雷达后向散射系数与雷达亮度的关系为： 为雷达入射角； 为输出定标增益； 为偏移量 RadarSat SAR RadarSat SAR数据数据 （1）图像辐射定标 h为卫星轨道高度；r为地球半径；R为斜距。 * * （2）CMOD模式函数 - 后向散射系数； VV - 垂直极化；- 风向和雷达天线方位角； CMOD-IFR2 CMOD-IFR2 模式函数较为常用模式函数较为常用- -只适合于只适合于VVVV极化：极化： - 海面上10米高度处风速； 工作于HH极化的SAR，需要描述HH和VV极化关系的极化率模型。 如： * * （3）风向的确定 通常情况下，SAR图像上存在与海面局部风向平行 的条纹，称为风条纹。由此，可通过SAR图像的低波数 谱来确定风向。 通过该方法可直接利用SAR图像反演风向，不需要辅 助信息。但得到的风向有180度的风向模糊，而且SAR图 像上的线性特征不总是存在。 可通过其它方式如模式风场、现场观测数据、浮标 数据等来配合风向的确定。 * * 2000/11/15 UTC 09:44 RADARSAT SAR反演的海面风场 图像谱图像 风矢量 * * （4）SAR反演海面风速误差分析 利用合成孔径雷达SAR图像反演高分辨率的海面 风矢量的误差主要与经验模式函数、风向、入射角和 后向散射系数有关。 入射角可准确计算，其影响较小； 误差随风速的增大而增大； 图像上的噪声造成后向散射系数的误差，从而影 响风速反演精度。 * * 6.4 其它方法测量海面风速 1.微波辐射计测量海面风速 （1）基本原理 基于海面微波辐射率与海面粗糙度之间具有高 相关特征（粗糙度增加，海面辐