第11章 卫星海洋遥感

现代海洋测绘赵建虎第十一章卫星海洋遥感MarineSatelliteRemoteSensing赵建虎本章内容概述海表温度遥感海色卫星遥感微波高度计微波散射计星载合成孔径雷达相干雷达水深遥感思考题11．1概述卫星海洋遥感（SatelliteOceanRemoteSensing）以海洋及海岸带作为监测对象的遥感技术。它包括：电磁波遥感声波遥感卫星遥感的特点：具有大面积、同步连续观测高分辨率和可重复性全天候用于海洋遥感的卫星传感器分为两大类：1.被动型亦称无源雷达，是接收太阳光的反射或目标自身辐射电磁波的遥感方式。2.主动型亦称有源遥感，是遥感器在遥感平台上向被探测目标发射一定波长的电磁波并接收目标回波信号的遥感方式。海洋卫星遥感在海洋大范围调查中扮演着十分重要的作用。海洋卫星遥感系统包括：1.遥感平台和传感器2.地面接收和预处理系统3.海洋卫星资料的反演和信息管理4.分析及应用系统1.遥感平台和传感器遥感平台即遥感中搭载遥感器的运载平台。按照高度可分为：地面平台航空平台航天平台卫星海洋遥感中多采用航天平台。航天平台包括卫星、载人飞船、太空站和航天飞机等超过大气层的航天飞行器及探空火箭。遥感器是指接收目标辐射或反射电磁波信息的仪器，也称传感器。目前用于海洋研究的传感器主要有：海色传感器：主要用于探测海洋表层叶绿素浓度、悬移质浓度、海洋初级生产力、漫射衰减系数以及其他海洋光学参数。红外传感器：主要用于测量海表温度。微波高度计：主要用于测量平均海平面高度、大地水准面、有效波高、海面风速、表层流、重力异常、降雨指数等。微波散射计：主要用于测量海面10m处风场。成孔径雷达：主要用于探测波浪方向谱、中尺度涡旋、海洋内波、浅海地形、海面污染以及海表特征信息等。微波辐射计：主要用于测量海面温度、海面风速以及海冰水汽含量、降雨、CO2海—气交换等。2.地面接收和预处理系统星载传感器通常产生测量电压或频率信号，然后进行数据编码。大部分情况下以数字信号的形式传输到地面接收站。在采用二进制编码中，一般用0一255或0一l023或0—2047对辐射扫描数据进行数字化处理，每个象元要求8bit、10bit或12bit。由于海洋信息往往比陆地低许多，因此，对于专为海洋应用的传感器，可将数字化数据的最大值和最小值限制在一定范围内，在给定数据传输率的条件下，提高传感器的输出准确度。对于非扫描式传感器，由于其测量频率较低，可以在提高数据传输率的同时，尽可能提高数据分辨率。对于扫描式传感器，其数据几乎是连续产生，则须在采样率、数字化间隔及数据传输率之间求得平衡。NOAA卫星地面接收站卫星海洋遥感图像处理包括各种可以对像片或数字影像进行处理的操作，这些包括图像压缩、图像存储、图像增强、处理、量化、空间滤波以及图像模式识别等。还有其它更加丰富的内容。目前，主要的遥感应用软件是ilwis、PCI、ERMapper和ERDASS。卫星海洋遥感图像处理与数据处理的程序框图3.海洋卫星资料的反演所谓卫星资料的反演，是指从卫星原始数据获得定量海洋环境参数的数学物理方法，即从电磁场到物质性质或地球物理性质的逆运算。反演方法有：①准解析②数值模拟③统计回归④以上三者的结合从通讯理论观点看，海洋卫星资料的反演可归结如下图由传感器输出获得的电磁场参数海洋/大气传输系统或电磁波与海洋相互作用海洋环境参数海洋卫星资料的反演过程—般来说，它是一个非线性系统。海洋／大气传输过程由一个不可解的积微分方程描述。电磁波与海洋相互作用的物理机制更为复杂。4.信息管理、分析及应用系统海洋地理信息系统（GIS）是一门介于信息科学、空间科学和地球科学之间的交叉学科和新技术学科，是空间数据处理与计算机技术相结合的产物。海洋地理信息指与研究对象空间地理分布有关的信息，它表示物体与环境固有的数量、质量、分布特性的联系和规律。地理信息系统是采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间地理分布有关的数据的系统。利用海洋GIS系统，可以对海洋遥感数据、反演结果等信息等信息进行有机的存储管理，并实现信息的查询检索；结合其它辅助信息以及系统的分析运算功能，进行信息的综合分析和应用，并生成各种海洋遥感信息产品输出。11．2海表温度遥感卫星海表温度测量主要利用海面热红外辐射。自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对温度(-273℃)就存在分子和原子无规则的运动，其表面就不断地辐射红外线。所谓黑体，简单讲就是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1的物体，也就是说全吸收。卫星SST（SeaSurfaceTemperature，SST）常可用于探测：海表皮温：海表微米量级海水层的温度。海表体温：海表0.5-1.０m海水层的温度。卫星SST采用遥感器为红外辐射计。红外辐射计（InfraredRadiometer）是对物体的红外辐射进行绝对测量的遥感器。利用红外波段测温的物理基础是普朗克辐射定律。由普朗克函数可给出温度为T（K）的黑体的辐射率：2521,exp1hcBthckT（11-5）下图表示不同温度下的黑体辐射谱，地球表面平均温度为300K左右，其黑体辐射峰值波长在8-14μm。实际物体的辐射还与比辐射率有关，在红外谱段，海洋的比辐射率ε≈0.98，随波长、海水温盐、海况的变化极小。不同温度下的黑体辐射谱红外辐射计由机械扫描系统、红外探测器及其制冷系统、电子系统和记录系统组成。为了进行绝对测量，仪器内安装了1~2个温度一定的黑体辐射源。常用的红外探测元件有锑化铟、碲镉贡、锗掺贡和热释电，热敏电阻等。工作波段一般在3-5μm和8—14μm。与AVHRR红外辐射计相比，ATSR红外辐射计有了重要改进。ATSR红外辐射计采用锥形扫描技术，使地球表面同一地点从不同角度（0°和55°）测量两次（时间间隔约2.5min），利用多通道、多角度以改善大气校正；采用两个稳定性很高的黑体作星上辐射量定标，以提高辐射定标精度，克服AVHRR测量中天空辐射不为零的影响；利用新型的主动冷却装置使探测器的温度保持在90K左右，以降低探测器噪声；近红外通道1.6μm，用于在白天探测云。另外，根据1.6μm通道观测的辐亮度，1.6μm与3.7μm自动交替工作。卫星海表温度的反演，见如下流程图：读带CCTIB辐射量定标几何校正云检测SST反演海表温度卫星海表温度的反演NOAA采用的业务化海表温度反演算法有MCSST、CPSS和NLSST三类，其中MCSST包括劈通道算法和三通道算法。劈通道算法：11121112311124()()(sec1)SSTaTaTTaTTa三通道算法：11123712337124()()(sec1)SSTaTaTTaTTa以上两式中，ai为模型系数。如下两图为利用HY-1A卫星COCTS配备的两个红外通道获取的中国海及邻海2003年1-3月的海面温度变化及2003年7月天津大沽锚地的赤潮情况。中国海及邻海03年1-3月的海面温度变化03年7月天津大沽赤潮监测11．3海色卫星遥感海色遥感是唯一可穿透海水一定深度的卫星海洋遥感技术。它利用星载可见红外扫描辐射计接收海面向上光谱辐射，经过大气校正，根据生物光学特性，获取海中叶绿素浓度及悬浮物含量等海洋环境要素。在海色遥感研究中，海水划分为：I类水域以浮游植物及其伴生物为主，海水呈现深蓝色，大洋属于这一类。II类水域它含有较高的悬浮物、叶绿素和DOM以及各种营养物质，海水往往呈现蓝绿色甚至黄褐色。继1978年Nimbus—7／CZCS卫星资料的成功应用之后，卫星海色遥感逐渐成为一些著名的国际海洋研究计划的技术关键和重要内容。1、CZCS与SeaWiFS海色传感器装载于Nimbus-7上的海色传感器CZCS（CoastalZoneColorScanner）是一个以可见光通道为主的多通道扫描辐射计。表11-2CZCS传感器及其技术参数波段波长范围饱和辐亮度信噪比波段设计1433—453nm5.41158叶绿素2510—530nm3.50200叶绿素3540—560nm2.86176DOM、悬移质4660—680nm1.34118叶绿素、大气校正5700—800nm23.9350地面植被610.5—12.5μm0.22K(270K处噪声等效温度误差)海表温度SeaWiFS(Sea—ViewingWideField—Of—ViewSensor)是装载在美国SEASTAR卫星上的第二代海色遥感传感器，SeaWiFS共有8个通道，前6个通道位于可见光范围。表11-3SeaWiFS的技术参数波段波长范围um饱和辐亮度信噪比波段设计1402—42213.63499DOM2433—45313.25674叶绿素3480—50010.50667色素，K4904500—5209.08640叶绿素5545—5657.44596色素，光学性质，悬移质6660—6804.20442大气校正，叶绿素7745—7853.00455大气校正，气溶胶8845—8852.13467大气校正，气溶胶WiFS在CZCS基础上进行了改进和提高：①增加了光谱通道，即412nm、490nm、865nm。412nm针对于Ⅱ类水域DOM的提取，490nm与漫衰减系数相对应，865nm用于精确的大气校正。②提高了辐射灵敏度，Sea-WiFS灵敏度约为CZCS的两倍。在CZCS反演算法中被忽略因子的影响，如多次散射、粗糙海面、臭氧层浓度变化、海表面大气压变化、海面白帽等，都在Sea-WiFS反演算法中作了考虑。2、与海色卫星遥感有关的海洋光学特性海洋光学理论是海色卫星遥感的基础。首先，海色传感器可见光通道是按照海洋中主要组分的光学特性设置的，每个通道对应于海洋中各种组分吸收光谱中的强吸收带和最小吸收带。下图是叶绿素和DOM的光谱吸收曲线。叶绿素和DOM的光谱吸收曲线在讨论海色反演算法之前，需要介绍以下海洋光学关系式2()(1)(0)dLERnQ（11-6）其中Lω（λ）是海面后向散射光谱辐射，称为离水辐亮度。ρ为海气界面的菲涅尔反射系数，nω是水的折射率，Q为光谱辐照度与光谱辐亮度之比，与太阳角有关，完全漫辐射时Q＝π。R＝Eu(0-)/Ed(0-)，是海面下的向上辐照度Eu(0-)和向下幅照度Ed(0-)的比。R与水体的固有光学特性有关：0.33bRba（11-7）bb是水体的总后向散射系数，a为水体总体积吸收系数。定义辐照度衰减系数为：()(ln)/KdEdz它是表征海中辐照度随深度而衰减的因子。K(490)（490nm波段的K）是由遥感数据得到光学性质的一个典型例子，它的反演算法为1.2996(443)(490)0.0220.1(550)LKK（11-8）3、海色反演原理海色传感器输出的计数值DC（DigitalCount），并非真正意义上的物理量。因此，必须利用标准源将计数值换算成辐亮度，这一过程叫做辐射量定标。一般说来，传感器接收的辐亮度由下式碗定：()()()tLSDCI（11-9）其中，S、I为斜率和截距。对于CZCS，在实验室中用直径为76cm的积分球对辐射计预先进行校准。卫星发射后用机内白炽灯光源和涂黑仪器箱进行星上定标。另外深空也作为一个定标源。传感器按固定的程序测量目标和定标源，测量的数据传送回地面通过公式（11-9）来校正S和I。大气校正的目的是消除大气吸收和散射的影响，获取海面向上光谱辐亮度。CZCS大气校正算法采用单次散射模型，其本质是一种对洁净大气中良好传播的线性近似。传感器接收到的辐亮度Lt(λ)由四部分组成，即：()()()()()()traraLLLtLL（11-10）其中，Lr(λ)为大气分子瑞利散射引起的光辐射，可由大气传输理论精确计算得出，Lw(λ)是离水辐亮度，是大气校正所得的结果。t(λ)是大气透射率，t(λ)=tr(λ)tO2(λ)ta(λ)，其中下标r、O2、a分别代表分子散射、臭氧、气溶胶。Lra