渔业遥感实验指导书

1、渔业遥感实验指导书官文江 编上海海洋大学海洋科学学院一 总纲1 实习的目的利用 VC+ 编程平台，对NOAA 卫星的接收资料进行数据的读取、图像的显示、温度计算和去云处理、图像的平滑等操作，使学生进一步加深对遥感理论与遥感数据的理解，初步具有处理和分析遥感资料的能力，增强学生在渔业研究中应用处理遥感资源的能力。2 实习内容：1 ) VC+ 程序设计基础2 ） NOAA卫星数据的读取与显示3）遥感图像的几何变换、数字滤波与平滑4） NOAA温度数据的反演与云去除3考核方式、方法1）实习结束时，对实习收获进行交流；2）每一实习学生根据自己的实习收获和体会，完成实习报告的撰写工作；3）根据每一实习学

2、生的实习表现，实习成果和实习总结报告分别评出优（100-90）、良（80-89）、中（70-79）、及格（60-69）和不及格（< 60 ）五个等级。4）论文的结构要求：按照上海水产大学学报稿件要求格式提交报告。二实习内容指导1 VC+程序设计基础1）创建一个工程：单文档NEW Project>MFC AppWizard-工程名与存储的位置I多文档2 ） VC+编程程序文件的结构与关系基本框架类与文件文档类由MFC的基类CDocument派生，文档类负责存放程序数据并读取磁盘文件 数据，或将程序数据写入磁盘文件，文档类是对程序所需要的数据资料进行处理。视图类由MFC的基类CView

3、派生。视图类负责显示文档类中的数据，显示的设备可 以是屏幕或打印机等设备。框架类：用来管理文档的窗口界面：菜单、工具条、状态栏。单文档框架中，主框架 类管理的区域内只能分配一个区域（窗口），此时有一个客户区供一个视图对象来使用。多文程序框架中，主框架类管理的区域内能分配成多个区域（窗口） ，每个区域交给一 个子框架类对象来管理。应用类。由MFC的基类CWinApp派生，应用类管理程序的总体，如初始化程序及进行最后的程序清除工作等，每个MFC应用程序必须正确的生成由CWinApp派生类的一个实例。3）消息及消息的处理函数：窗口消息（窗口大小改变、鼠标等），控制消息（子窗口向父窗口发送的消息），命

4、令消息（菜单等）4）如何增加成员变量5）如何增加成员函数6）重载虚函数7）对话框的创建8）映射变量9）菜单资源的创建2 NOAA HRPT及BMP数据结构及读取显示1） NOAA 的HRPT的数据结构FunctionNo. ofWordsWordPositionBit No. Plus Word Code &1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 MeaningFrame Sync611 0 1 0 0 0 0 1 0 060 0 1 0 0 1 0 1 0 1ID (AVHRR)27Bit 1: 0=Internal Sync; 1=AVHRR SyncBits 2 & 3

5、; 00=Not used; 01=Minor Frame #1; 10=Minor Frame#2; 11=Minor Frame #3Bits 4-7; Spacecraft Addresses; Bit 4=MSB, Bit 7=LSBBit 8; 0=Frame Stable; 1=Frame resync occurredBits 9-10; spare; bit 9=0, bit 10=18Spare word; bit symbols undefinedTime Code49Bits 1-9; Binary day count; Bit 1=MSB; Bit 9=LSBBit 1

6、0; 0; spare10Bits 1-3; all zeroes; spare 1,0, 1Bits 4-10; Part of binary msec of day count; Bit 4=MSBof msec count11Bits 1-10; Part of binary msec of day count;12Bits 1-10; Remainder of binary msec of day count; Bit 10=LSB of msec countTelemetry(AVHRR)1013Ramp Calibration AVHRR Channel #114Ramp Cali

7、bration AHVRR Channel #215Ramp Calibration AHVRR Channel #316Ramp Calibration AHVRR Channel #417Ramp Calibration AHVRR Channel #518PRT Reading 119PRT Reading 2 (See Note 2.)20PRT Reading 321AVHRR Patch Temperature220 0 0 0 0 0 0 0 0 1 SpareInternalTarget Data (AVHRR)302310 words of internal target d

8、ata from each AVHRR channel 3, 4 and 5. These data are time multiplexed as chan 3 (word 1), chan 4 (word 1), chan 5 (word 1), chan 3 (word 2), chan 4 (word 2), chan 5 (word 2), etc.Space Data (AVHRR)5053 thru10210 words of space scan data from each AVHRR channel 1,2,3,4, and 5. These data are time m

9、ultiplexed as chan 1 (word 1), chan 2 (word 1), chan 3 (word 1), chan 4 (word 1), chan 5 (word 1), chan 1 (word2), chan 2 (word 2), chan 3 (word2), chan 4 (word 2), chan 5 (word 2), etc.Sync (AVHRR)1103Bit 1; 0=AVHRR sync early; 1=AVHRR sync late, Bits 2-10; 9 bit binary count of 0.9984 MHz periods;

10、 Bit 2=MSB, Bit 10=LSBTIP data520104 thru623The 520 words contain five frames of TIP data (104 TIP data words/frame). (See Note 3.)Bits 1-8: Exact format as generated by TIPBit 9: Even parity check over bits 1-8Bit 10: -bit 1.Spare Words1276241 0 1 0 0 0 1 1 1 0.7481 0 0 1 0 1 1 0 1 07491 1 0 0 1 0

11、0 0 1 07501 0 0 0 0 0 0 0 0 0Earth Data(AVHRR)10240751Chan 1 - Sample 1752Chan 2 - Sample 1753Chan 3 - Sample 1754Chan 4 - Sample 1755Chan 5 - Sample 1756Chan 1 - Sample 2. (See Note 5.)10,985Chan 5 - Sample 204710,986Chan 1 - Sample 204810,987Chan 2 - Sample 204810,988Chan 3 - Sample 204810,989Chan

12、 4 - Sample 204810,990Chan 5 - Sample 2048AuxiliarySync10010,9911 1 1 1 1 0 0 0 1 010,9921 1 1 1 1 1 0 0 1 110,9930 1 1 0 1 1 0 1 0 110,9941 0 1 0 1 1 1 1 0 1. (See Note 6.)11,0890 1 1 1 1 1 0 0 0 011,0901 1 1 1 0 0 1 1 0 0BITMA fEVSEA 1>ER 冷困缚N共b/type ”皿”bfS血 bffUiM¥vQdU料w能累帔赠总tf卿的幽亨桂刊<-

13、rr的学书幼鼠汰是金的兑倍紫ftT , # irJi fl - HLt2) BMP文件的数据结构/加国«*注意：1)每一行的字节数必须是 4的整倍数，如果不是，则需要补齐。这在前面介 绍biSizeimage 时已经提到了。2) 一般来说，BMP文件的数据是从下到上、从左到右的。即从文件中最先读到的是图 像最下面一行的左边第一个像素，然后是左边第二个像素接下来是倒数第二行左边第一个像素，左边第二个像素 依次类推，最后得到的是最上面一行的最右一个 像素。3) NOAA各波段数据的读取与显示二进制文件的读写方法fopen函数©图像颜色的显示调色板、真彩色图像数据的数字变换4)

14、BMP文件的显示方法原始大小，不用拉伸：用 SetDIBitsToDevice ()函数非原始大小，拉伸：用 StretchDIBits函数请熟悉：CDC与CPalette类5）结果单波段显示彩色合成3遥感图像的几何变换、数字滤波与平滑1）直方图112331452132323412345灰度值Output Hislogram低反射率图象灰度的变换BMP图象由0 - 2 5 5范围的数据组成，对于8位的图象来说，在调色板中包含颜RGB宏色信息，象素中记录的是索引值。对于2 4位的图象来说，象素的值为颜色值所表示，类型为 COLORREF(long)。为了用BMP位图来表示数据，我们的数据又通常不

15、在这个范围，所以可以采用各种影射来进行变换。同时对于灰度图象来说，象素值的大小通常为图象明暗，因此改变了象素值的大小及其比例关系，会改变图象的显示效果。2)图象的几何变换 图象的平移图象的旋转图象旋转原理:算法：以（0, 0）点为中心的旋转:x1cossin0x0yisincos0y0i0011x0cossin0x1y0sincos0yii001iXIZ以（a, b）点为中心的旋转后以（c,d）为中心:x110ccosy1 01 d sin10 0 10sin01cos000100 a x01 b y0011逆变换：x010acosy001bsin10010sin 0 10 c x1cos0

16、01d y10100111.图象的增强图象的平滑是采用摸板进行操作的，应指明摸板的大小和权重及操作的象素点。14?12 161平滑后:中值滤波采用中值滤波常可以去掉噪声，可以克服均值滤波带来的图象细节模糊，但对于些细节多，特别是点、线、尖顶细节多的图象不宜采用。算法：摸板，排序，取中值。图象的锐化（边缘检测）This is a sample. 这是个与例。彩色编码：对于8位的位图，其调色板控制其颜色的显示，更换调色板，可改变图象的显示颜色。4温度与去云处理1)温度遥感反演基本原理及方法、系数地球的温度较低，其对外进行辐射的锋区在长波部分，因此通过红外通道可以探测海表温度。通常卫星上所获得的辐射

17、值为：Ltoa( , ) ( ( , )Ls( ,SST) (1- ( , ) L (,)(,) L ( , ) (3-18)其中：(，)是发射率，(，)是大气透过率，Ls( , SST)是海表辐射值。L (,)是大气向下 辐射值，L (,)是大气向上辐射值。如果(，)=1,则方程可化简为：Ltoa( , ) Ls( ,SST) ( , ) L (,)利用热红外遥感技术反演海温的研究已有了很大的进展。大气纠正是海温反演的关键问 题。主要的海温遥感反演方法主要有以下几种：O .单通道直接反演法根据大气的辐射传输方程，如果我们能得到大气的温度和湿度垂直廓线，利用一定的 大气模式计算大气辐射和大气透

18、过率，代入方程(2. 63),就可以从遥感传感器所测得的辐射亮度值计算得到海面温度。直接反演海温要求得到精确的大气廓线数据，大气廓线数据可以通过星载大气垂直探测器、地面探空或气象数据得到(Scott and Chedin , 1981; Kneizys et al. , 1983; Price 1983; Susskind et a1., 1984; Chedin et a1., 1985; Paccagnella et al., 1985;Djavadi and Anderson , 1987)。精确实测大气垂直廓线一般比较困难，因而在实际运行系统 中很少采用。G.单通道统计方法单通道大气统

19、计方法就是从大气辐射传输方程出发，考虑大气含水量和传感器视角天顶角的影响，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。Smith等(重1970)提出了一个用中红外波段 (3.8um)计算海温的经验公式：Ts Tb a0 a1( /60)ln(100K/(310K Tb)(210KWTbW300K,。w 60° )其中a0=1.13, a=0.82, a2=2.48 ,。是传感器视角天顶角，Tb为亮度温度。GMS静止气象卫星反演海温大气订正的统计方法比较成熟，阿步胜宏(1991)提出了一个简单的GMS单通道海面水温的大气订正公式：，1400、Ts Tb sec

20、0.189W 1 2 41400 ( 3 1 0 Tb)其中0是传感器视角天顶角，Tb为亮度温度，W是大气总水气含量。简单处理NOAA第五通道的海温反演经验公式：Ts (Tb C)ep( D)D /H222c1/2(h H) (h H)sin r2 (R H )2sin2其中C和。为待定的回归系数，T为大气的光学厚度，h为大气上限高度，R为地球半径，H为卫星高度，。为传感器视角天顶角，”为地表像元到传感器的光学路径，Ts为海面温度，Tb为亮度温度。0.多通道海温遥感反演自从NOAA卫星携带AVHRR传感器以来，多通道遥感反演技术迅速发展，现已成功应 用于美国NESDIS业务处理系统中，可以连续

21、提供较高精度，较高分辨率的海面温度场。多通道遥感反演方法又称为“分裂窗口”方法。 McMillin(1975)最早提出这种方法，其根本依据是大气在AVHRR第四、第五通道两个相邻的波谱窗口具有不同的吸收特性。假设： 海水近似为黑体，比辐射率等于1; 大气窗口的水汽吸收很弱，大气的水汽吸收系数可以看作常数；大气温度与海面温度相差不大，黑体辐射公式可以采用线形近似。海面温度可以表示为两个通道亮度温度的线形组合：TsA0A1T4 A2T5不同的作者(Prabhakara et al., 1974; Deschamps and Phulpin, 1980; Sidran 1980; Becker, 1

22、982; Maul , 1983; Price, 1984; Singh, 1984; Maclain et al. , 1985; Ho et al., 1986; Malkevich and Gorodetsky , 1988)采用不同的处理方法所得到的系数略不同。美国 NOAA的业务运行 系统中采用的是 McClain等(1985)给出的数据，其算法的精度为均方根误差土0. 65K。假设：dt k' edZ因为:2 hc2v3 Mb(v,T)/ hcvkc 小(e 1)泰勒多项式展开：2B (T T0)BO Bi()(斤)(t To)及2B(2)T3(T T0)3!3B(3) .

23、T采用线性近似:BX(Ts) B X(Tz) (Ts TzM?) T Ts可以推导得(Deschamps and Phulpin, 1980; McMillin , 1984)：zTs Tb Ke(z)(Ts Tz)dzK f0其中P e(z)为水汽密度的高度函数，足 K 为水汽的吸收系数，Tb为L入所对应的亮度 z温度，f(a)Jz)(t s Tz)dz是一个与大气状况有关而与波长无关的变量。0对于气象卫星 NOAA /AVHRR的第四、五通道，则分别有：Ts T4 K 4f(a)Ts T5 K5f (a)其中T4, T5分别为第四、五通道的亮度温度，K4, K5分别为第四、五通道的水汽吸收

24、系数。方程相除得：Ts T4 K4Ts T5 K5式中K 是一个可看做似与大气状况无关的常数，因此通过两个热红外通道的亮度温度可K5以计算得到海面温度。MCSST(i,j) Ti(Ti Tj)这种海面温度遥感“分裂窗口”方法，证明了大气效应间接修正的有效性。考虑加入卫星观测角订正项:SST A B ()Csec()()DA、B、C、D为回归系数。根据 的不同，又有CPSST(交叉算法)和NLSST(非线性算法)算法。Ti、Tj是两通道的亮温度(如 NOAA的4、5通道)，其计算可以通过下式：1T C2 V ln( 1 (C1 V 3/ E)(3-20)或1t C4 ln(C3/( 5L) 1.

25、0)(3-21)上式是针对不同的辐射单位。C1、C2、C3、C4为常数分别为：C3=C1=1. x 10-5 mw m-2 cm4= 1.x 108 w m-2 um4。C4=C2=1.43879 X 104 um K=1.43879 cm K 。V为波数，入为波长。E单位为：mW m-2 Sr-1 cm 。 L单位为 W m-2 um-1 Sr-1 0相关算法的系数：表14. NLSST相关系数SatelliteAlgorithmTimeCoefficientsNOAA-12NLSSTDAYAi=0.876992, A 2=0.083132, A 3=0.349877, A4=236.667

26、NOAA-12NLSSTNIGHTAi=0.888706, A 2=0.081646, A 3=0.576136, A4=240.229NOAA-14NLSSTDAYAi=0.939813, A 2=0.076066, A 3=0.801458, A4=255.165NOAA-14NLSSTNIGHTA=0.933109, A 2=0.078095, A 3=0.738128, A4=253.428NOAA-15NLSSTDAYAi=0.913116, A 2=0., A 3=0.476940, A 4=246.887NOAA-15NLSSTNIGHTAi=0.922560, A 2=0.,

27、A 3=0.548055, A 4=249.819NOAA-16NLSSTDAYAi=0.914471, A 2=0., A 3=0.668532, A 4=248.116NOAA-16NLSSTNIGHTAi=0.898887, A 2=0., A 3=0.755283, A 4=244.006NOAA-17NLSSTDAYAi=0.936047, A 2=0., A 3=0.920848, A 4=253.951NOAA-17NLSSTNIGHTAi=0.938875, A 2=0., A 3=0.979108, A 4=255.023表15 MCSST相关系数SatelliteAlgor

28、ithmTimeCoefficientsNOAA-12MCSSTDAYB=0.963563, B 2=2.579211, B 3=0.242598,B=263.006NOAA-12MCSSTNIGHTBi=0.967077, B 2=2.384376, B 3=0.480788, B=263.940NOAA-14MCSSTDAYB1=1.017342, B 2=2.139588, B 3=0.779706, B4=278.430NOAA-14MCSSTNIGHTB1=1.029088, B 2=2.275385, B 3=0.752567, B4=282.240NOAA-15MCSSTDAYB

29、=,0.964243 B 2= 2.71296, B 3=0.387491, B4=262.443NOAA-15MCSSTNIGHTBi= 0.976789, B 2=2.77072, B 3=0.435832, B 4= 266.290NOAA-16MCSSTDAYB=0.999314, B 2= 2.30195, B 3=0.628976, B4=273.768NOAA-16MCSSTNIGHTB1= 0.995103, B 2=2.53657, B 3=0.753281, B 4= 273.146NOAA-16MCSSTNIGHT|B= 0.995103, B 2=2.53657, B

30、3=0.753281, B 4= 273.146NOAA-16MCSSTNIGHTB1= 0.995103, B 2=2.53657, B 3=0.753281, B 4= 273.146NOAA-17MCSSTDAYB= 0.992818, B 2=2.49916, B 3=0.915103, B4=271.206NOAA-17MCSSTNIGHTB= 1.01015, &=2.58150, R=1.00054,巳=276.590黄、渤海水温图:上海水L大学大泮遥感及信急中心遥减厚植制作-、 F2）云的检测算法云的检测方法通常有三类：第一类：基于对比度特征的方法对比度特征包括反射和发

31、射波段的检测。A）反射波段的检测首先要对数据进行预处理：1 o/cos *DD ( )( )d d其中是卫星所得的反射率，0是太阳天顶角,0D是日地距离与平均日地距离之比。由于海洋水体对近红外辐射有较强的吸收作用，通道2的值通常较低，一般不会超过 30%。所以如果1 30%则可以认为是云。在白天的数据中（NOAA-12,14）中的通道3是中红外，其既受到太阳辐射的影响，又受 到地面辐射的影响， 通常用该通道对弱反射的云 （薄的、较小的卷云、水云）进行检测。同时, 也可以用来区分弱反射的云与薄雾，这是因为在3.7um波段较大的云颗粒对太阳辐射的散射比气溶胶更有效。由于通常 3既有太阳辐射，又有热

32、辐射，因此必需去掉热辐射算法如下：T3e(b/a)T4 (c/a)T5 d/aR3 B(T3) B(T3e)C3 3.14159 R3 100% cos(Z0)/D S3C3>3%则认为是有云Ta RIF Al S pa cernfi-d ejv 11 d eni cnefFicifliK For riiain?! 1 nlhecri cnmp ititron此b1cJI6OB72261.261.OXI 0002.5355CO1,562016,；| 1X)00.44-9Id 15102b7.Ci3O.Q：i249O2心MB1岫塔）-1NOAA-l!160707绮 0195OtW必16516i.*44C0IS.SUH,2e>15.Q0L.OJKJOJO工5531.2754J J12B4B）发射波段的检测由于在海洋中，水体的温度总是大于海洋水体的冰点温度（271K）,因此可以采用通道4的亮温来进行判断，以、即： T4<271K时，则认为是云。第二类：基于波谱特征的方法在AVHRR5个波段中，地物的反射、散射、发射的特性各不相同，如水体对CH1的反射要大于 CH2,而云对于 CH!与CH2而言反射相差不大。 CH3、CH4、CH5由于水汽