第四章 海洋表面温度遥感 - 海洋遥感

1、 海洋遥感处理软件海洋遥感处理软件 第四章第四章 海洋表面温度遥感海洋表面温度遥感 u 概述概述 u 微波辐射计海表温度反演微波辐射计海表温度反演 u 热红外辐射计海表温度反演热红外辐射计海表温度反演 4.1 概述概述 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。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、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。渔业经

2、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。等）的重要参量。 海表温度用于寻找渔场海表温度用于寻找渔场 电厂热水排放后的温度分布电厂热水排放后的温度分布 4.1 概述概述 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）现场船只测量（结合固定或移动浮标） 航空或卫星遥感测量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；分为被动微波波段测量和热红外波段测量； 4.1 概述概述 .微波和热红外

3、波段海温测量的优缺点比较 方法微波辐射计测量热红外辐射计测量 优点 可全天时、全天可全天时、全天 候进行，受云影响候进行，受云影响 较小，大气校正相较小，大气校正相 对容易；对容易； 分辨率较高，技术分辨率较高，技术 发展成熟（已达业务发展成熟（已达业务 化运行程度）；化运行程度）； 缺点 测量精度与分辨测量精度与分辨 率较低，对表面粗率较低，对表面粗 糙度和降雨敏感；糙度和降雨敏感； 在无云区进行，需在无云区进行，需 进行精确的大气校正。进行精确的大气校正。 4.2 微波辐射计海表温度反演微波辐射计海表温度反演 1.测量的原理基础 （1 1）海洋中各种参数的适合观测频段）海洋中各种参数的适合

4、观测频段 海表温度：海表温度：7GHz7GHz附近；附近； 水汽影响：水汽影响：21GHz21GHz附近；附近； 粗糙度影响：粗糙度影响：11GHz11GHz附近；附近； 降雨影响：降雨影响：18GHz18GHz附近；附近； 云影响：云影响：37GHz37GHz附近附近 4.2 微波辐射计海表温度反演微波辐射计海表温度反演 1.测量的原理基础 （2 2）瑞利金斯公式与应用）瑞利金斯公式与应用 特定波长处的辐射度：2 2 )( kT TB f kT Bb 2 2 )( 某波段的辐射度： 海表的发射率： s Bi i T T e ),( ),( 与极化方式、方向和频率有关 f kT B Bi i

5、2 ),( ),( 由黑体的极化辐亮度可知，海表的极化辐亮度： Tb=e*Ts 4.2 微波辐射计海表温度反演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 1）微波辐射计测量的亮度温度）微波辐射计测量的亮度温度TaTa Sensor T0 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。 0 )1 (TTTa A APA TTTTa, , 0 区分几个参数 的不同意义 4.2 微波辐射计海表温度反演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 2）对微波辐射计测量结果产生影响的量及其计算）对微波辐射计测量结果产生影响的量及其计算 a.a.天线的

6、视在温度天线的视在温度T TAP AP 也称为表观温度，表示也称为表观温度，表示 入射到天线上的能量，不入射到天线上的能量，不 仅包括地物的辐射，而且仅包括地物的辐射，而且 包括大气的影响。应包括包括大气的影响。应包括 主瓣和旁瓣的贡献之和。主瓣和旁瓣的贡献之和。 uskydsAP TTtetTeetTT 2 )1 ()1 ( e T t 传感器 大气 sky T d T u T s T 海表 4.2 微波辐射计海表温度反演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 2）对微波辐射计测量结果产生影响的量及其计算）对微波辐射计测量结果产生影响的量及其计算 SLmMLmA TaTa

7、T)1 ( b.b.天线的亮度温度天线的亮度温度T TA A 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。有效视在温度与旁瓣贡献的有效视在温度之和。 4 4 4 4 )( )( )( )( dG dGT T dG dGT T n n s AP SL n n m AP ML （3 3）微波辐射计测量计算过程）微波辐射计测量计算过程 正 演 过 程 反 演 过 程 4.2 微波辐射计海表温度反演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从以上可知

8、，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。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，对于神州步结果。如采用下面模型，对于神州4 4号微波辐射计，建号微波辐射计，建 立了如下模型。立了如下模型。 4.3 热红外辐射计海表温度反演热红外辐射计海表温度反演 1.反演原理 TIRTIR波段水气辐射传输模型波段水气辐射传输模型 , e L t asunas LttLtLeteLL)1 ( 传感器探测到的辐射为：传感器探测到的辐射为： 太阳 传感器 大气 海表 s

9、un L a L a L )( ss TBL as LtLL e1 简化 .宽通道光谱响应函数的考虑 dRLLi)()( 2 1 n n i R LR L )( )()( （1 1） （2 2） 4.3 热红外辐射计海表温度反演热红外辐射计海表温度反演 2.反演方法 a.a.单通道直接反演方法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到有关的大气参数。但精确的实测大气垂直廓线比较困

10、难，因此该方法在实际中应用较少。难，因此该方法在实际中应用较少。 as LtLL 4.3 热红外辐射计海表温度反演热红外辐射计海表温度反演 2.反演方法 b.b.单通道统计方法单通道统计方法 基本思想：从水基本思想：从水- -气辐射传输方程出发，考虑大气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。温度的经验公式，通过同步实测资料回归经验系数。 b.b.单通道统计方法单通道统计方法- -举例举例 GMS NOAA(5) 4.3 热红外辐射计海表温度反演热红外辐射计海表

11、温度反演 2.反演方法 c.c.分裂窗反演方法（）分裂窗反演方法（） 基本思想：根据大气对不同分裂窗波段（如基本思想：根据大气对不同分裂窗波段（如10.5-10.5- 11.5um11.5um，11.5-12.5um11.5-12.5um）电磁辐射的影响不同，采用不）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。由到海表温度。由McMillin1975McMillin1975年最早提出该法，其依据年最早提出该法，其依据 是是AVHRRAVHRR在第在第4 4和和5 5相邻通道内具有不同的吸收特性。相邻通

12、道内具有不同的吸收特性。 c.c.分裂窗反演方法（）原理分裂窗反演方法（）原理 as LtLL 用用TaylorTaylor级数展开级数展开 PlanckPlanck函数：函数： )1(tTTTT sas 555 444 bkTT bkTT s s ,1 asiiii TTwbwkt 考虑水气的吸收考虑水气的吸收k k和和 路径长度路径长度w w： 常数 5 4 5 4 k k TT TT s s a T 为大气的加 权平均气温 4.3 热红外辐射计海表温度反演热红外辐射计海表温度反演 2.反演方法 d.d.多通道统计模型法（）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

13、基本思想：采用多个通道之间的统计模型来进行温 度反演。度反演。 注意：统计模型中的双通道如果为分裂窗波段，则注意：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。该模型也可归属为分裂窗模型的范畴。 常用多通道分裂窗模型（）常用多通道分裂窗模型（） NOAA 非线性回归法非线性回归法NLSST （分裂窗方法分裂窗方法）：）： NOAA 多通道法多通道法MCSST （分裂窗方法分裂窗方法）：）： 常用多通道分裂窗模型（）常用多通道分裂窗模型（） - NOAA 双双 通通 道道 方方 法法 常用多通道分裂窗模型常用多通道分裂窗模型 三通道方法三通道方法 常用多通道分裂窗模型

14、（）常用多通道分裂窗模型（） MODISMODIS “迈阿密探路人迈阿密探路人”海表温度算法海表温度算法MPSSTMPSST： 常用多通道分裂窗模型（）常用多通道分裂窗模型（） MODISMODIS 利用利用2222和和2323通道来进行反演：通道来进行反演： 这个方程只有一组系数。这个方程只有一组系数。 对对TERRA TERRA 卫星上的卫星上的MODISMODIS，C1C1、 C2C2、C3C3和和C4 C4 分别为分别为-0.065-0.065，1.0341.034，0.723 0.723 和和0.9720.972。 针对我国海区的特点，可以利用浮标、海上台站和船舶常规针对我国海区的特

15、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 MODIS 海温反演算法。海温反演算法。 4.3 热红外辐射计海表温度反演热红外辐射计海表温度反演 2.反演方法 e.e.多角度反演方法多角度反演方法 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。红外辐射的差异来消除大气的影响。 21021020 /)()/ )(1 (/)

16、(aaaTTPaaaaaTTTT AfAnnfnnS ATSR采用锥形扫描技术可对同一地点从不同角度（采用锥形扫描技术可对同一地点从不同角度（0和和 55）测量两次，从而可利用多通道、多角度来提高大气校正）测量两次，从而可利用多通道、多角度来提高大气校正 精度。精度。 4.3 热红外辐射计海表温度反演热红外辐射计海表温度反演 2.反演方法 f.f.多角度与多通道结合的反演方法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。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，使方法模型参

17、数的不确定性和难以计算性，使方法e e和和f f 实际应用较少。实际应用较少。 4.3 热红外辐射计海表温度反演热红外辐射计海表温度反演 3.反演过程 几何定位 （投影处理） 水陆分离 4.3 热红外辐射计海表温度反演热红外辐射计海表温度反演 3.反演过程 （1 1）数据几何与辐射预处理）数据几何与辐射预处理 辐射定标辐射定标 热红外通道亮温的计算热红外通道亮温的计算 a. a. 几何预处理几何预处理b. b. 辐射预处理辐射预处理 几何投影几何投影 几何精校正几何精校正 图像镶嵌图像镶嵌 h 地心O re 卫星位置S A B i i+1 扫描角与地心角之间的关系示意图 计算每条扫描线的地面距

18、离 计算每条扫描线的像元数目 新定位点在原扫描线的位置 象素重采样 扫描行展宽处理流程 v 行分辨率归一化（扫描行展宽）行分辨率归一化（扫描行展宽） 几何预处理几何预处理- 极轨气象卫星为例极轨气象卫星为例 v 行分辨率归一化（扫描行展宽）行分辨率归一化（扫描行展宽） 结果示例结果示例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 几何预处理几何预处理- 极轨气象卫星为例极轨气象卫星为例 v 几何投影变换粗校正几何投影变换粗校正 生成标准高斯平面网格生成标准高斯平面网格 像元定位像元定位 象素重采样象素重采样 投影变换几何粗校正前后的图像对比投影变换几何粗校正前后的图像对比

19、 结果示例结果示例 2005年4 月7日8点 获取的 FY1D图像 几何预处理几何预处理- 极轨气象卫星为例极轨气象卫星为例 v 平移精校正平移精校正 在定位准确的图像上确定一个窗口模板（在定位准确的图像上确定一个窗口模板（要求要求）；）； 在待校正图像上，以窗口模板的位置为中心，在一在待校正图像上，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；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。关系定位。 几何预处理几何预处理- 极轨气象卫星为例极轨

20、气象卫星为例 v 平移精校正平移精校正 几何精校正前后的图像对比 （50透明度叠加）与地理底图匹配 结果示例结果示例以2005年4月7日8点获取的FY1D图像作为标准，校正4月8 日10点获取的NOAA-17图像。 几何预处理几何预处理- 极轨气象卫星为例极轨气象卫星为例 4.3 热红外辐射计海表温度反演热红外辐射计海表温度反演 3.反演过程 （2 2）云检测方法）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

21、，可进行云的检测。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。较低的中、高云。 a. a. 单通道阈值法单通道阈值法 4.3 热红外辐射计海表温度反演热红外辐射计海表温度反演 3.反演过程 a. a. 单通道阈值法单通道阈值法- -示例示例 By visual band by TIR band by visual and TIR 4.3 热红外辐射计海表温度反演热红外辐射计海表温度

22、反演 3.反演过程 b. b. 多通道联合方法多通道联合方法 （2 2）云检测方法）云检测方法 4.3 热红外辐射计海表温度反演热红外辐射计海表温度反演 3.反演过程 （2 2）云检测方法）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。高温峰，则无云；若只有低温峰，则全为云覆盖。 c. c. 直方图统计法直方图统计法 4.3 热红外辐射计海表温度反演热红外辐射计海表温度反演 3.反演过程 （2 2）云检测方

23、法）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。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。具体应用时，应对常年平均值进行调整。 d. d. 常年平均海平面温度截断法常年平均海平面温度截断法 4.3 热红外辐射计海表温度反演热红外辐射计海表温度反演 3.反演过程 （2 2）云检测方法）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综合分析比较，检测出云。该方法还常用于云区的替 补处理。补处理。 e. e. 时间序列分析法时间序列分析法 4.3 热红外辐射计海表温度反演热红外辐射计海表温度反演 3.反演过程 （3 3）云替补方法）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。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