第二章 海洋遥感原理与基础 - 海洋遥感

2020/1/16海洋遥感TheOceanicRemoteSensing2020/1/16第二章海洋遥感原理与基础与海洋遥感相关的基本概念电磁波与海水相互作用机制海洋水体波谱特征2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念•海面状况：海面粗糙度状况，与最大的海面波动高度有关；•深水波：水深大于波长的1/2的波动（水底对波的影响忽略）；•浅水波：水深小于波长的1/20的波动（长波）；•波高（H）：从波峰到波谷之间的铅直距离；•有效波高（H1/3)：波阵列中全部波段的1/3最高波的波峰到波谷之间高度的平均值；•均方根波高（hk）：波在平均海平面上的均方根高度（粗糙度）；1.海洋学上的专用名词2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念1.海洋学上的专用名词•长度（L）：海洋波从一个波峰到另一个波峰的距离；•空间波数（N）：N=2π/L；•周期（T）：两个连续波峰通过一固定点的时间（m）；•时间波数（ω）：ω=2π/T；•风区长度：稳定的风吹过的水平距离；•持续时间：稳定的风所维持的时间间隔；2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念•充分成长的波浪：在一定的风速、足够的持续时间和风区长度条件下，海面达到平衡状况（即振幅不变）；•风波：洋面上由局地风激起的海洋波系统；•重力波：作用在扰动水团上的主要恢复力是重力的波动（L1.73cm）；•表面张力波：作用在扰动水团上的主要恢复力是表面张力的波动（L1.73cm）；1.海洋学上的专用名词2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（1）复折射率ninnvcn/sin/sin21Snell折射定律：n′表示电磁波在界面处传播速度和方向的变化，在可见光范围可用折射仪测得；n〞表示电磁波在介质中传播的衰减程度，n〞=kλ/4π。2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（1）复折射率微波波段，复折射率为复介电常数的平方根。在物理上，n〞与折射没有任何关系，而且n′n〞，因此有：2112'1'2sin/sin//nnnn2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（1）复折射率海水折射率随温度和盐度的变化(波长λ=0.5893μm)一般的，复折射率随温度升高而下降；而随盐度增加有所上升。2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（2）菲涅耳反射率★•菲涅耳反射系数：描述光滑介质表面的反射与入射之间的关系，即反射电场与入射电场之比。22222222222222sincossincossincossincossincossincossincossincosrrvivrhrrrrvivrvnnEERnnnnEERFresnel反射公式2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（2）菲涅耳反射率★•菲涅耳反射率（反射率）：描述辐射度的界面反射比。22,hhvvRR若入射角为0（即垂直入射），则：211nnhv可用于高度计、散射计镜面反射的计算注意菲涅耳反射率与漫反射率的区别：前者定义了界面的反射比；而后者为辐照度的内部多个粒子的漫反射。2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（2）菲涅耳反射率★•适用情况-两均匀的各向同性介质之间有一个实际无限大的平滑边界；-入射到边界上的波为平面波（非球面波）；-单色或光谱的入射波适用（宽波段要进行平均或积分计算）；-在介质中不会发生多次反射。2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（3）复介电常数★又称为相对介电常数或相对电容率，是描述海面发射率的一个关键参数，它是频率ω，水温T和海水盐度S的函数。ir复数定义01)(1),,(iiSTS德拜公式表示常用的介电常数模型较多，如Klein模型（P37）。0,,s与物质特性有关虚部表示能量消耗与衰减程度2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（3）复介电常数★复介电常数反映水体的电学性质，影响物体对电磁能量的反射（如雷达图像上ε越大，则色调越浅）。宏观上可反映电磁波的辐射、散射、吸收、传输等特性；微观上表明介质的化学组成、物理结构。2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（3）复介电常数★小于20Ghz时，海水的虚部大于纯水，说明海水中的能量消耗较快；大于20Ghz时，虚部值超过了实部。2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（3）复介电常数★小于20Ghz时，海水的虚部大于纯水，说明海水中的能量消耗较快；大于20Ghz时，虚部值超过了实部。不同温度下，纯水和海水介电常数的实部与虚部随频率的变化2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（4）海面粗糙度－判据与波长和入射角有关•判据–修改的瑞利准则（Peake&Oliver，1971）-光滑表面满足：-中等粗糙表面满足：-粗糙表面满足：cos25/khcos4.4/cos25/khcos4.4/kh2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（4）海面粗糙度–对海面后向散射系数的影响随粗糙度的增加，雷达回波强度受入射角的影响程度减弱。在接近垂直入射时，雷达回波强度非常强，随入射角变大，信号变弱。2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（4）海面粗糙度–示例粗糙度与波长和入射角的关系不同波长与入射角情况下，粗糙类型的判断依据不同2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（4）海面粗糙度–示例同一粗糙度在不同波段上的粗糙类型2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（5）散射截面与散射系数★a.散射截面：指散射波的全功率与入射功率密度之比，表示目标截获并散射入射能量的能力。※.后向散射截面σ：指入射方向上的散射截面，其值大小为散射截面的1/4π倍。2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（5）散射截面与散射系数★b.散射系数：单位截面积上雷达的反射率或单位照射面积上的雷达散射截面。-后向散射系数σ0：入射方向上的目标每单位面积上的平均雷达截面，与目标的复介电常数、表面粗糙度、雷达系统参数等有关。A02020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（5）散射截面与散射系数－影响因素垂直入射时，回波强度（左）和后向散射截面（右）最大2020/1/162.1与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感中常用的基本概念（5）散射截面与散射系数－影响因素斜坡较平或陡坡入射角较小，回波强度较大2020/1/162.2电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（1）水气辐射传输模型uLuwiwLntL)/(2winrt,,pathLtLpathawastLtLtrLLsLsdattt,,a.简化模型ardsswtLLtrLtLLb.a模型细化rLaLardsswtLLtrLtLLc.考虑多次散射和白浪引起的散射ruswcLtL水中物质太阳传感器大气海表srsLrLwcL2020/1/162.2电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（※）海洋遥感反射波段非常重要的参量：离水辐射率：即表层海水散射的太阳辐射，由朗伯余弦定律可知其与卫星天顶角无关。离水反射率：海水的光谱反射率发生在水次表面上。0)0,()(ELELWNdw平均日地距离处的大气层外的太阳辐照度2020/1/162.2电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（2）海洋辐照度模型太阳大气海表•直射辐照度：太阳光经大气衰减后，直接到达水面的辐射；•漫射辐照度：直射光经散射后到达水面的辐射；不同因素对直射和漫射反射的影响不同。2020/1/162.2电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（2）海洋辐照度模型太阳大气海表a.海面上到达海面的下行辐照度模型)0,()0,()0,(dsdddEEE)(cos)()0,(0dsddtEE)()()()0,(gardsLLLEdt2020/1/162.2电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（2）海洋辐照度模型–a.海面上到达海面的下行辐照度模型•到达海面的瑞利散射：5.0)1)(()()()(cos)()(95.00raaowozsrtttttEL•到达海面的气溶胶散射：aasraaowozsrFttttttEL)1()()()()(cos)()(5.10各种透过率的计算可参考课本72-73.2020/1/162.2电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（2）海洋辐照度模型太阳大气海表b.穿过海面的总下行辐照度模型)0,()0,()0,(dsdddEEE)1)(0,()0,(dddddEE)1)(0,()0,(sdsdsEEsd,fdspdfssps2020/1/162.2电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制)(21hvdsp•直射光谱反射率–对于平滑海面对于零度角入射：22)1()1(nnhvdsp入射角与折射角之和为90度（入射角53.1度时出现）：22)1()1(21nndsp与折射率和入射角有关（2）海洋辐照度模型–b.穿过海面的总下行辐照度模型2020/1/162.2电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制))(tan)(tan)(sin)(sin(212222rsrsrsrsdsp•直射光谱反射率–与风速和太阳天顶角有关（Gregg）))40)(0618.0000714.0exp((0253.0sdspu太阳天顶角小于40度或风速小于2m/s：太阳天顶角大于40度且风速大于2m/s：（2）海洋辐照度模型–b.穿过海面的总下行辐照度模型2020/1/162.2电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制•漫射光谱反射率它与太阳天顶角无关。假定海面比较平滑，且大气状况均匀，通常取值6.6%，对于风速大于4m/s的粗糙表面，则降为5.7%。（2）海洋辐照度模型–b.穿过海面的总下行辐照度模型2020/1/162.2电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制•泡沫引起的反射率（Gregg）fu≤4m/s：0f4m/s≤u≤7m/s：0004.0000022.02uCDaf与风速之间具有如下关系：u7m/s：2)0004.0000045.0(uCDaf100156.000062.0uCDuCD000656.000049.0ρa为空气密度，CD为拖曳系数（2）海洋辐照度模型–b.穿过海面的总下行辐照度模型2020/1/162.2电磁波与海水相互作用机制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制（2）海洋辐照度模型–b.穿过海面的总下行辐照度模型•总反射率mmfdspfssp)()1)((m为漫射辐射与总辐