第四章海洋表面温度遥感海洋遥感介绍

2020 4 21 海洋遥感 TheOceanicRemoteSensing 2020 4 21 http oceancolor gsfc nasa gov seadas download html 海洋遥感处理软件 2020 4 21 第四章海洋表面温度遥感 概述微波辐射计海表温度反演热红外辐射计海表温度反演 2020 4 21 4 1概述 1 海表温度的重要性 海洋表面温度是重要的海洋环境参数 是海洋环境非常重要的基础信息 几乎所有的海洋动力过程都直接或间接与之有关 海表温度被广泛用于海洋动力学 海气相互作用 渔业经济研究 污染监测和海温预报等方面 另外 海表温度也是监测海洋现象 如海冰 涡流等 的重要参量 2020 4 21 海表温度用于寻找渔场 2020 4 21 电厂热水排放后的温度分布 2020 4 21 4 1概述 2 海表温度的测量方法 现场船只测量 结合固定或移动浮标 航空或卫星遥感测量 优势较大 而且其精度已达业务化应用水平 分为被动微波波段测量和热红外波段测量 2020 4 21 4 1概述 微波和热红外波段海温测量的优缺点比较 2020 4 21 4 2微波辐射计海表温度反演 1 测量的原理基础 1 海洋中各种参数的适合观测频段 海表温度 7GHz附近 水汽影响 21GHz附近 粗糙度影响 11GHz附近 降雨影响 18GHz附近 云影响 37GHz附近 2020 4 21 4 2微波辐射计海表温度反演 1 测量的原理基础 2 瑞利 金斯公式与应用 特定波长处的辐射度 某波段的辐射度 海表的发射率 与极化方式 方向和频率有关 由黑体的极化辐亮度可知 海表的极化辐亮度 2020 4 21 4 2微波辐射计海表温度反演 2 微波辐射计海温测量的原理 1 微波辐射计测量的亮度温度Ta 为天线的辐射效率 TA为天线的亮度温度 T0为天线的物理温度 区分几个参数的不同意义 2020 4 21 4 2微波辐射计海表温度反演 2 微波辐射计海温测量的原理 2 对微波辐射计测量结果产生影响的量及其计算 天线的视在温度TAP 也称为表观温度 表示入射到天线上的能量 不仅包括地物的辐射 而且包括大气的影响 应包括主瓣和旁瓣的贡献之和 2020 4 21 4 2微波辐射计海表温度反演 2 微波辐射计海温测量的原理 2 对微波辐射计测量结果产生影响的量及其计算 天线的亮度温度TA 天线主瓣效率 即天线的辐射测量温度 应表示为主瓣贡献的有效视在温度与旁瓣贡献的有效视在温度之和 2020 4 21 3 微波辐射计测量计算过程 正演过程 反演过程 2020 4 21 4 2微波辐射计海表温度反演 3 微波辐射计海温测量的实际应用 从以上可知 微波辐射计测量海面温度对技术要求较高 目前尚不能达到业务化应用的要求 在实际应用中 有学者利用统计方法得到了一些初步结果 如采用下面模型 对于神州4号微波辐射计 建立了如下模型 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 1 反演原理 TIR波段水气辐射传输模型 传感器探测到的辐射为 太阳 传感器 大气 海表 e 1简化 2020 4 21 宽通道光谱响应函数的考虑 1 2 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 2 反演方法 a 单通道直接反演方法 基本思想 根据成像时刻的大气状况数据 主要为湿度和温度垂直廓线 采用一定的大气模式 计算得到有关的大气参数 但精确的实测大气垂直廓线比较困难 因此该方法在实际中应用较少 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 2 反演方法 b 单通道统计方法 基本思想 从水 气辐射传输方程出发 考虑大气含水量和传感器视角的影响 建立遥感亮度温度与海面温度的经验公式 通过同步实测资料回归经验系数 2020 4 21 b 单通道统计方法 举例 GMS NOAA 5 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 2 反演方法 c 分裂窗反演方法 基本思想 根据大气对不同分裂窗波段 如10 5 11 5um 11 5 12 5um 电磁辐射的影响不同 采用不同波段测量结果的组合关系来消除大气的影响 从而得到海表温度 由McMillin1975年最早提出该法 其依据是AVHRR在第4和5相邻通道内具有不同的吸收特性 2020 4 21 c 分裂窗反演方法 原理 用Taylor级数展开Planck函数 考虑水气的吸收k和路径长度w 为大气的加权平均气温 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 2 反演方法 d 多通道统计模型法 基本思想 采用多个通道之间的统计模型来进行温度反演 注意 统计模型中的双通道如果为分裂窗波段 则该模型也可归属为分裂窗模型的范畴 2020 4 21 常用多通道分裂窗模型 NOAA 非线性回归法NLSST 分裂窗方法 2020 4 21 NOAA 多通道法MCSST 分裂窗方法 常用多通道分裂窗模型 2020 4 21 NOAA 双通道方法 常用多通道分裂窗模型 三通道方法 2020 4 21 常用多通道分裂窗模型 MODIS 迈阿密探路人 海表温度算法MPSST 2020 4 21 常用多通道分裂窗模型 MODIS利用22和23通道来进行反演 这个方程只有一组系数 对TERRA卫星上的MODIS C1 C2 C3和C4分别为 0 065 1 034 0 723和0 972 针对我国海区的特点 可以利用浮标 海上台站和船舶常规监测数据对上述公式系数进行回归 得到适合我国海区的MODIS海温反演算法 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 2 反演方法 e 多角度反演方法 基本思想 不同角度观测目标 所经过的大气吸收路径不同 因而受大气的影响不同 即利用目标吸收热红外辐射的差异来消除大气的影响 ATSR采用锥形扫描技术可对同一地点从不同角度 0 和55 测量两次 从而可利用多通道 多角度来提高大气校正精度 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 2 反演方法 f 多角度与多通道结合的反演方法 基本思想 同时利用多通道和多角度数据中所包含的大气信息来消除大气的影响 模型参数的不确定性和难以计算性 使方法e和f实际应用较少 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 3 反演过程 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 3 反演过程 1 数据几何与辐射预处理 辐射定标热红外通道亮温的计算 a 几何预处理 b 辐射预处理 几何投影几何精校正图像镶嵌 2020 4 21 行分辨率归一化 扫描行展宽 几何预处理 极轨气象卫星为例 2020 4 21 行分辨率归一化 扫描行展宽 结果示例 2005年4月1日7点获取的FY1D图像 扫描行展宽前后的图像对比 几何预处理 极轨气象卫星为例 2020 4 21 几何投影变换粗校正生成标准高斯平面网格像元定位象素重采样 投影变换几何粗校正前后的图像对比 结果示例 2005年4月7日8点获取的FY1D图像 几何预处理 极轨气象卫星为例 2020 4 21 平移精校正在定位准确的图像上确定一个窗口模板 要求 在待校正图像上 以窗口模板的位置为中心 在一定范围内滑动窗口 找出与模板窗口相关性最大的窗口位置 根据待校正图像的窗口位置和参考图像窗口位置的关系定位 几何预处理 极轨气象卫星为例 2020 4 21 平移精校正 几何预处理 极轨气象卫星为例 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 3 反演过程 2 云检测方法 在可见光通道上 云的反射率要比晴空下的地物高的多 而热红外通道上 云的温度要比地物温度低的多 对这两个波段设定合理阈值 可进行云的检测 利用可见光波段除了可以检测出部分高云外 还可以检测出具有较高温度的低云 而热红外波段则可以检测出温度较低的中 高云 a 单通道阈值法 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 3 反演过程 a 单通道阈值法 示例 ByvisualbandbyTIRbandbyvisualandTIR 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 3 反演过程 b 多通道联合方法 2 云检测方法 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 3 反演过程 2 云检测方法 利用热红外波段直方图统计的结果判断 若一高温峰和一低温峰同时出现 则说明部分有云 若只有高温峰 则无云 若只有低温峰 则全为云覆盖 c 直方图统计法 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 3 反演过程 2 云检测方法 利用常年的海面温度平均值与每个像元点的温度值进行比较 当探测值大于常年平均值时 就认为是晴空 否则认为有云影响 具体应用时 应对常年平均值进行调整 d 常年平均海平面温度截断法 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 3 反演过程 2 云检测方法 根据云的动态变化特点 将多幅序列的图像进行综合分析比较 检测出云 该方法还常用于云区的替补处理 e 时间序列分析法 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 3 反演过程 3 云替补方法 单一遥感图像会因为云的出现产生大量资料空缺现象 需进行不同轨道和不同时相的云替补工作 云替补方法有资料插值 平滑 匹配修正等常规方法 数值内插 曲面拟合和动力方程的数模替补方法 利用历史同期标准温度图进行时间域的替补等 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 3 反演过程 3 云替补方法 举例 一般要对陆域和水域进行分离处理 2020 4 21 2006 6 22MODIS反演海温 4 结果输出 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 5 反演精度的影响分析 产生遥感SST误差的因素很多 卫星遥感和SST反演的许多环节都会产生误差 1 热红外传感器本身的精度和辐射定标精度可产生0 15 左右的误差 在遥感SST图像上可发现许多由遥感仪器造成的噪音 2 相同模型在不同区域的精度相差很大 包括模型本身对水汽校正误差的影响 2020 4 21 4 3热红外辐射计海表温度反演 3 用相同资料采用不同SST反演模式所产生的差值为0 5 0 7 左右 4 遥感测量的是海表辐射温度 与实测的水体温度 实测温度本身误