第八章 其它海洋参数的遥感反演 - 海洋遥感

1、 第八章第八章 其它海洋参数的遥感反演其它海洋参数的遥感反演 u 卫星海洋盐度测量卫星海洋盐度测量 u 海冰与冰山现象的遥感探测海冰与冰山现象的遥感探测 u 海洋溢油污染的遥感监测海洋溢油污染的遥感监测 8.1 卫星海洋盐度测量卫星海洋盐度测量 1.海洋盐度测量的重要性 海水盐度是监测和模拟海洋循环的一个重要变量，海水盐度是监测和模拟海洋循环的一个重要变量， 也是气候变化的重要指示器。也是气候变化的重要指示器。 海水盐度对海水盐度对渔业养殖、水质资源渔业养殖、水质资源的调查发挥着重要的调查发挥着重要 作用，是研究大洋环流、作用，是研究大洋环流、 海洋动力学、降雨量及季节气海洋动力学、降雨量及季

2、节气 候预测、水声学的重要参数。候预测、水声学的重要参数。 8.1 卫星海洋盐度测量卫星海洋盐度测量 2.海洋盐度的测量方法 现场船测现场船测 使用盐度测量仪器（物理法和化学法）使用盐度测量仪器（物理法和化学法） 航空航空/卫星卫星测量测量 使用被动微波辐射计进行测量，具有大范围、快速、使用被动微波辐射计进行测量，具有大范围、快速、 定量测量的特点。定量测量的特点。但目前尚无专门的测量仪器（工作在但目前尚无专门的测量仪器（工作在L波波 段，段，1.4GHz左右），左右），SMOS卫星等在计划中。卫星等在计划中。 有关学者早在30多年前就开始进行盐度遥感的研究和实验， 从海水介电常数的测定到微波

3、辐射计的改进，从陆基的盐水池实 验到航空飞行实验，甚至进行了卫星遥感的简单尝试。 8.1 卫星海洋盐度测量卫星海洋盐度测量 3.海洋盐度的遥感测量原理 卫星测量海表盐度的原理是基于在微波频率上，卫星测量海表盐度的原理是基于在微波频率上， 盐度对海表亮温的敏感度进行的。海水盐度的增加会盐度对海表亮温的敏感度进行的。海水盐度的增加会 使海水导电能力上升，从而使海水的介电常数增大，使海水导电能力上升，从而使海水的介电常数增大， 最终使得海表发射率的亮温降低。最终使得海表发射率的亮温降低。 （1 1）简单描述）简单描述 8.1 卫星海洋盐度测量卫星海洋盐度测量 3.海洋盐度的遥感测量原理 a. 无风浪

4、的平静海面上，海水的亮度温度可以表无风浪的平静海面上，海水的亮度温度可以表 示为：示为： （2 2）海水盐度遥感的理论模型）海水盐度遥感的理论模型 sssssiB TSTeiT),(),( 为入射角；i为极化方式； s T为海表真实温度； sss S为海水盐度； 8.1 卫星海洋盐度测量卫星海洋盐度测量 3.海洋盐度的遥感测量原理 b. 极化发射率与复介电常数关系如下：极化发射率与复介电常数关系如下： （2 2）海水盐度遥感的理论模型）海水盐度遥感的理论模型 2 )(1)(1),( iissssi RSTe 由基尔霍夫 定律和Fresnel 定律得 可由德拜方程得出， 0 1 )(1 ),(

5、i i ST S 8.1 卫星海洋盐度测量卫星海洋盐度测量 3.海洋盐度的遥感测量原理 c. 亮温与极化发射率之间的关系：亮温与极化发射率之间的关系： （2 2）海水盐度遥感的理论模型）海水盐度遥感的理论模型 可使用Klein-Swift（K-S）模型或Ellison模式求解复介 电常数，进而得到盐度参量。 ),( ssssB TSfT 若其它参量已知， 则可由亮温得到盐度： ),( 1 sBsss TTfS 8.1 卫星海洋盐度测量卫星海洋盐度测量 3.海洋盐度的遥感测量原理 （2 2）海水盐度遥感的理论模型）海水盐度遥感的理论模型 ),( ssssB TSfT 当海表温度增加时， 亮温对盐

6、度的敏感 度增大； 盐浓度越低，亮温 与海表温度之间的 线性关系越强。 8.1 卫星海洋盐度测量卫星海洋盐度测量 4.海洋盐度遥感测量的影响因素分析 8.1 卫星海洋盐度测量卫星海洋盐度测量 4.海洋盐度遥感测量的影响因素分析 由上式可知，在给定辐射计相关参数的条件下，亮温是海由上式可知，在给定辐射计相关参数的条件下，亮温是海 表温度和盐度的函数。表温度和盐度的函数。因此，在适用于盐度遥感的频率上，亮温因此，在适用于盐度遥感的频率上，亮温 随盐度的变化应该比其随温度的变化要显著得多。随盐度的变化应该比其随温度的变化要显著得多。 （1 1）盐度遥感使用的频率）盐度遥感使用的频率 ),( ssss

7、B TSfT 研究表明：研究表明：频率在频率在1.4GHz的的L波段是测量海水表面盐度波段是测量海水表面盐度 的最佳波段的最佳波段，该波段对海表温度和风速的敏感度较低。同时，该波段对海表温度和风速的敏感度较低。同时 可以采用可以采用S波段和波段和C波段来修正海表盐度测量时海表温度和风波段来修正海表盐度测量时海表温度和风 速的影响。速的影响。 8.1 卫星海洋盐度测量卫星海洋盐度测量 4.海洋盐度遥感测量的影响因素分析 （2 2） 极化极化 方式方式 和入和入 射角射角 Ellison模 型得到的 入射角40 度时，海 表亮温对 盐度的敏 感度 8.1 卫星海洋盐度测量卫星海洋盐度测量 4.海洋

8、盐度遥感测量的影响因素分析 极化和入射角也影响亮温对盐度的敏感性。其极化和入射角也影响亮温对盐度的敏感性。其 规律为规律为: 垂直极化时均优于水平极化时垂直极化时均优于水平极化时; 在垂直极化方式下，入射角越大越好在垂直极化方式下，入射角越大越好; 在水平极化方式下，入射角越小越好。在水平极化方式下，入射角越小越好。 （2 2）极化方式和入射角）极化方式和入射角 8.1 卫星海洋盐度测量卫星海洋盐度测量 4.海洋盐度遥感测量的影响因素分析 Ellison模型得 到的海表亮温 对盐度的敏感 度随入射角的 变化 8.1 卫星海洋盐度测量卫星海洋盐度测量 4.海洋盐度遥感测量的影响因素分析 在相对高

9、温和高盐的条件下在相对高温和高盐的条件下，亮温对盐度更为敏感，亮温对盐度更为敏感， 盐度的反演效果较好盐度的反演效果较好（见图见图）。 较大的亮温误差造成较大的盐度反演误差；较大的亮温误差造成较大的盐度反演误差； 同样的盐度反演精度下，低温时需要更高的亮温精度；同样的盐度反演精度下，低温时需要更高的亮温精度； 在同样的亮温精度条件下在同样的亮温精度条件下，盐度越盐度越高则反演精度越高，高则反演精度越高， 但超过一定的盐度时，其影响不显著。但超过一定的盐度时，其影响不显著。 （3 3）盐度反演精度与亮温的关系）盐度反演精度与亮温的关系 8.1 卫星海洋盐度测量卫星海洋盐度测量 4.海洋盐度遥感测

10、量的影响因素分析 大气干空气和水蒸气的影响大气干空气和水蒸气的影响 1.4GHz频段上，最主要的贡献来自干空气，需要考虑大气透 过率、上行辐射和下行辐射的影响。 （4 4）其它影响海表微波辐射测量误差的因素）其它影响海表微波辐射测量误差的因素 云的影响云的影响 1.4GHz频段上，云的辐射和散射可利用瑞利散射模式解释。 8.1 卫星海洋盐度测量卫星海洋盐度测量 4.海洋盐度遥感测量的影响因素分析 表面粗糙度的影响表面粗糙度的影响 可利用雷达和辐射计的组合数据，降低其影响。 （4 4）其它影响海表微波辐射测量误差的因素）其它影响海表微波辐射测量误差的因素 电离层的影响电离层的影响 可利用基于微波

11、被动偏振测定法的技术估计法拉第旋转。 太阳系和宇宙辐射的影响太阳系和宇宙辐射的影响 最重要的是太阳辐射的影响。要精心设计天线，使进入天线 侧部的来自太阳的辐射或反射最少。 8.1 卫星海洋盐度测量卫星海洋盐度测量 5.海洋盐度遥感测量的发展目标 在利用微波辐射计亮温反演海面浓度时，需要其它在利用微波辐射计亮温反演海面浓度时，需要其它 资料的辅助，特别是与辐射计测量的时间和空间接近的资料的辅助，特别是与辐射计测量的时间和空间接近的 风速或有效波高、海洋表面温度的信息风速或有效波高、海洋表面温度的信息。 海洋盐度遥感的三大主要科学目标为海洋盐度遥感的三大主要科学目标为：（：（1）提高季度）提高季度

12、 至年度的气象预报能力；（至年度的气象预报能力；（2）提高海洋降雨估计和全球水）提高海洋降雨估计和全球水 文预算能力；（文预算能力；（3）监测大范围的海水盐浓度异常现象）监测大范围的海水盐浓度异常现象。 正在研制专门测量盐浓度的卫星，其精度将达正在研制专门测量盐浓度的卫星，其精度将达0.2-0.3psu。 8.2 海冰与冰山现象的遥感探测海冰与冰山现象的遥感探测 （1）海冰探测的意义 海冰几乎占全球海洋表面的海冰几乎占全球海洋表面的1/9。 海冰对海上交通运输、海洋资源开发和全球气候的变海冰对海上交通运输、海洋资源开发和全球气候的变 化等都具有重要的影响；化等都具有重要的影响； 海冰的消融会造

13、成整个洋面的上升，因而造成某些沿海冰的消融会造成整个洋面的上升，因而造成某些沿 海地区被淹没。海地区被淹没。 1.概述 8.2 海冰与冰山现象的遥感探测海冰与冰山现象的遥感探测 （2）海冰的一般分类 新成冰新成冰（new ice）【新冰新冰】 初期冰初期冰（young ice）【幼年冰幼年冰】 头年冰头年冰（first year ice） 多年冰多年冰（old ice） 1.概述 依据海冰产 生与持续时间 8.2 海冰与冰山现象的遥感探测海冰与冰山现象的遥感探测 （3）海冰探测的主要内容 冰的密度探测冰的密度探测 冰类分析冰类分析 浮冰跟踪浮冰跟踪 冰块探测冰块探测 1.概述 在海冰探测的基础

14、上，可进行海冰与气候之间的关系分析。在海冰探测的基础上，可进行海冰与气候之间的关系分析。 8.2 海冰与冰山现象的遥感探测海冰与冰山现象的遥感探测 （4）海冰的观测方法 海岸站测量海岸站测量 表面船只测量表面船只测量（如（如钻孔钻孔） 航空器测量和卫星遥感航空器测量和卫星遥感（光学和微波传感器）（光学和微波传感器） 潜水艇测量潜水艇测量（声纳声纳） 漂移冰站漂移冰站 1.概述 8.2 海冰与冰山现象的遥感探测海冰与冰山现象的遥感探测 （1）光学传感器的观测方法 利用海冰与海水在可见光与近红外波段的反射利用海冰与海水在可见光与近红外波段的反射 率差异和温度的差异对海冰及其密集度进行探测，率差异和

15、温度的差异对海冰及其密集度进行探测， 可用于海冰活动和走向的研究，但云层的出现减少可用于海冰活动和走向的研究，但云层的出现减少 了资料的可利用率。了资料的可利用率。 2.海冰与冰山的遥感探测 8.2 海冰与冰山现象的遥感探测海冰与冰山现象的遥感探测 （1）光学传感器的观测方法 2.海冰与冰山的遥感探测 NOAA-AVHRR海冰检测方法： 利用海冰在可见光与近红外波段反射率高的特点利用海冰在可见光与近红外波段反射率高的特点 利用冰面温度小于水域温度的方法：利用冰面温度小于水域温度的方法： IST =a +bT11 + cT12 + d(T11T12)sec 8.2 海冰与冰山现象的遥感探测海冰与

16、冰山现象的遥感探测 NOAA- AVHRR海冰 检测方法： 8.2 海冰与冰山现象的遥感探测海冰与冰山现象的遥感探测 （1）光学传感器的观测方法 2.海冰与冰山的遥感探测 MODIS海冰的识别方法 一般情况下识别海冰的方法：位于海洋且同时满一般情况下识别海冰的方法：位于海洋且同时满 足以下条件的像元，可以定义为足以下条件的像元，可以定义为 “海冰海冰”： NDSINDSI(RefMODIS4-RefMODIS6)/(RefMODIS4+ (RefMODIS4-RefMODIS6)/(RefMODIS4+ RefMODIS6) 0.4RefMODIS6) 0.4； RefMODIS2 0.11R

17、efMODIS2 0.11； RefMODIS1 0.1 RefMODIS1 0.1 归 一 化 雪 被 指 数 8.2 海冰与冰山现象的遥感探测海冰与冰山现象的遥感探测 （1）光学传感器的观测方法 2.海冰与冰山的遥感探测 MODIS海冰的识别方法 一些特殊情况的考虑一些特殊情况的考虑 ：对于较薄海冰（厚度小于：对于较薄海冰（厚度小于1010厘米，厘米， 没有雪覆盖），其反照率较低，利用雪被指数不容易分辩，在没有雪覆盖），其反照率较低，利用雪被指数不容易分辩，在 这种情况下，利用冰表面和海表面的温度差异进行识别。这种情况下，利用冰表面和海表面的温度差异进行识别。 MODISMODIS计算冰表

18、面温度的算法（计算冰表面温度的算法（MODIS 31MODIS 31和和3232波段）：波段）： IST = a +bIST = a +bT31 +cT31 +c(T31 (T31 T32)+d T32)+d(T31(T31T32)(sec-1) T32)(sec-1) a, b, c, d a, b, c, d 根据根据T31T31位于不同的温度范围：位于不同的温度范围：T31 240KT31 240K， 240K 240K T31 260K T31 260KT31 260K，取相应的系数。，取相应的系数。 8.2 海冰与冰山现象的遥感探测海冰与冰山现象的遥感探测 MODIS 海冰的识 别方

19、法 8.2 海冰与冰山现象的遥感探测海冰与冰山现象的遥感探测 （2）微波探测方法 2.海冰与冰山的遥感探测 海冰在雷达图像上表现出丰富的反射回波现象，而海海冰在雷达图像上表现出丰富的反射回波现象，而海 水部分则呈现出强烈的衰减与吸收，这种差异使得海冰下水部分则呈现出强烈的衰减与吸收，这种差异使得海冰下 表面的位置和轮廓可被完整的表现出来。表面的位置和轮廓可被完整的表现出来。 微波进行海冰监测的物理原理：在微波频率上，冰几微波进行海冰监测的物理原理：在微波频率上，冰几 乎是透明的，而水是一个良好的吸收体，由于它们在微波乎是透明的，而水是一个良好的吸收体，由于它们在微波 频率上的发射率和介电常数不

20、同，可以进行区分。频率上的发射率和介电常数不同，可以进行区分。 8.2 海冰与冰山现象的遥感探测海冰与冰山现象的遥感探测 （2）微波探测方法 2.海冰与冰山的遥感探测 不同类 型海冰 的比辐 射率 多年冰层内的结构和成 分较复杂，导致了其比 辐射率变化复杂。 8.2 海冰与冰山现象的遥感探测海冰与冰山现象的遥感探测 （2）微波探测方法 2.海冰与冰山的遥感探测 海冰辐射 亮温与海 冰厚度的 关系 8.3 海洋溢油污染的遥感监测海洋溢油污染的遥感监测 1.海洋溢油污染遥感监测的重要性 溢油现象不仅造成了海洋环境污染，而且对水产业、旅溢油现象不仅造成了海洋环境污染，而且对水产业、旅 游业也造成了巨

21、大损失。游业也造成了巨大损失。 卫星遥感监测在海上溢油事故处理中发挥着多重作用。卫星遥感监测在海上溢油事故处理中发挥着多重作用。 在溢油事故责任主体明确的情况下，可以为计算溢油面积、在溢油事故责任主体明确的情况下，可以为计算溢油面积、 溢油量、己有的和未来可能的污染范围和污染程度提供依据，溢油量、己有的和未来可能的污染范围和污染程度提供依据， 在责任主体不明的情况下，除了能发挥上述作用外，还可以在责任主体不明的情况下，除了能发挥上述作用外，还可以 结合气象、水文等资料推算出原始溢油地点，从而为确定责结合气象、水文等资料推算出原始溢油地点，从而为确定责 任主体或海底石油资源的位置提供依据。任主体

22、或海底石油资源的位置提供依据。 8.3 海洋溢油污染的遥感监测海洋溢油污染的遥感监测 2.海洋溢油遥感监测的方法 （1 1）可见光波段监测）可见光波段监测 在可见光波段垂直观测时，水面油膜的反射率比在可见光波段垂直观测时，水面油膜的反射率比 洁净海面的反射率相比较高，但油面的反射强度也与洁净海面的反射率相比较高，但油面的反射强度也与 遥感器的观测角有关，在可见光内缺乏有效的区别于遥感器的观测角有关，在可见光内缺乏有效的区别于 背景信息的特征光谱。背景信息的特征光谱。 总的来说，可见光波段探测能力是有限的，但它总的来说，可见光波段探测能力是有限的，但它 在提供溢油定性描述和相对位置等方面是一种较

23、为经在提供溢油定性描述和相对位置等方面是一种较为经 济和实用的手段。济和实用的手段。 8.3 海洋溢油污染的遥感监测海洋溢油污染的遥感监测 2.海洋溢油遥感监测的方法 （2 2）热红外波段监测）热红外波段监测 水和油膜的热红外发射率具有一定的差别。实验水和油膜的热红外发射率具有一定的差别。实验 表明，厚度大于表明，厚度大于0.3mm的油膜，发射率在的油膜，发射率在0.95-0.98之之 间，海水的发射率为间，海水的发射率为0.993。所以实际温度相同的海。所以实际温度相同的海 水与油膜，它们的热红外辐射强度也不同。水与油膜，它们的热红外辐射强度也不同。 热红外图像中，厚油层热红外图像中，厚油层

24、“热热”，中等厚度，中等厚度“冷冷”， 薄油层或油膜则难以探测。薄油层或油膜则难以探测。 8.3 海洋溢油污染的遥感监测海洋溢油污染的遥感监测 2.海洋溢油遥感监测的方法 （3 3）紫外波段监测）紫外波段监测 紫外遥感器可以对甚薄油层进行探测，因为即使紫外遥感器可以对甚薄油层进行探测，因为即使 是甚薄油层是甚薄油层(0.05m)也会有很高的紫外辐射反射。也会有很高的紫外辐射反射。 通过紫外与红外图像的叠加分析，可以得到溢油层的通过紫外与红外图像的叠加分析，可以得到溢油层的 相对厚度。但紫外遥感易受外界环境因素的干扰而产相对厚度。但紫外遥感易受外界环境因素的干扰而产 生虚假信息。生虚假信息。 8

25、.3 海洋溢油污染的遥感监测海洋溢油污染的遥感监测 2.海洋溢油遥感监测的方法 （4 4）激光荧光监测）激光荧光监测 激光荧光传感器是一种主动式遥感器，它的工作激光荧光传感器是一种主动式遥感器，它的工作 原理是：油类中的某些成分吸收紫外光，并激发内部原理是：油类中的某些成分吸收紫外光，并激发内部 电子，通过荧光（主要在可见光区）发射可以将激发电子，通过荧光（主要在可见光区）发射可以将激发 能迅速释放。荧光可以作为油类的探测特征，而且因能迅速释放。荧光可以作为油类的探测特征，而且因 为不同油类产生的荧光强度和光谱信号强度都不相同，为不同油类产生的荧光强度和光谱信号强度都不相同， 因此利用该特性进

26、行油类的遥感识别是可能的。因此利用该特性进行油类的遥感识别是可能的。 工作波长为 300-355nm 8.3 海洋溢油污染的遥感监测海洋溢油污染的遥感监测 2.海洋溢油遥感监测的方法 （5 5）SARSAR监测海面溢油监测海面溢油 海面覆盖油膜时，会使海面张力波和短重力波海面覆盖油膜时，会使海面张力波和短重力波 受到阻尼，从而使海面变得略为光滑，引起雷达后受到阻尼，从而使海面变得略为光滑，引起雷达后 向散射系数降低，从而导致雷达图像的灰度降低。向散射系数降低，从而导致雷达图像的灰度降低。 8.3 海洋溢油污染的遥感监测海洋溢油污染的遥感监测 2.海洋溢油遥感监测的方法 （5 5）SARSAR监测海面溢油监测海面溢油 8.3 海洋溢油污染的遥感监测海洋溢油污染的遥感监测 2.海洋溢油遥感监测的方法 （6 6）微波辐射计监测海面溢油）微波辐射计监测海面溢油 在微波辐射计使用的频率上，油膜的微波辐射率在微波辐射计使用的频率上，油膜的微波辐射率 要比海水高，同时油膜辐射率还随其厚度发生变化，要比海水高，同时油膜辐射率还随其厚度发生变化， 即表现在微波辐射计影像上灰度的变化，因此可监测即表现在微波辐射计影像上灰度的变化，因此可监测 油膜的厚度，进而估算溢油量。油膜的厚度，进而估算溢油量。 （7 7）其它方法监测海面溢油