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。渔业经济研究、污染监测和海

2、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.微波和热红外波段海温测量的优缺点比较方法微波辐

3、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观测频段海表温度：海表温度：7GHz7GHz附近；附近；水汽影

4、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：22)(kTTBfkTBb22)(某波段的辐射度：海表的发射率：sBiiTTe),(),(与极化方式、方向和频率有关fkTBBii2),(),(由黑体的极化辐亮度可知，海表的极化辐亮度：Tb=e*Ts4.2 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

5、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TaTaSensorT0 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 (TTTaAAPATTTTa, 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 天线的视在温度天线的视在温度T TAPAP 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

6、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。uskydsAPTTtetTeetTT2)1 ()1 (eTt传感器大气skyTdTuTsT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SLmMLmATaTaT)1 ( 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。4444)()

7、()()(dGdGTTdGdGTTnnsAPSLnnmAPML（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，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

8、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, eLtasunasLttLtLeteLL)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sunLaLaL)(ssTBLasLtLLe1简化.宽通道光谱响应函数的考虑dRLLi)()(21nniRLRL)()()(（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

9、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。asLtLL4.3 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

10、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GMSNOAA(5)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McMillin1975McMi

11、llin1975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asLtLL用用TaylorTaylor级数展开级数展开PlanckPlanck函数：函数：)1(tTTTTsas555444bkTTbkTTss,1asiiiiTTwbwkt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5454kkTTTTssaT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

12、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

13、方法三通道方法常用多通道分裂窗模型（）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

14、和船舶常规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/)()/ )(

15、1 (/)(aaaTTPaaaaaTTTTAfAnnfnnS 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，使方法模型参数的

16、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Ore卫星位置SABii+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离计算每条扫描线的像元数目 新定位点在原扫

17、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 结果示例结果示例2005年4月7日8点获取的FY1D图

18、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

19、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，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

20、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 TIR4.3 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

21、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

22、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、曲面拟合和动力方程的数模替补方方法；数