第八章 其它海洋參數(shù)的遙感反演 - 海洋遙感

2023/2/4海洋遙感TheOceanicRemoteSensing2023/2/4第八章其它海洋參數(shù)的遙感反演

衛(wèi)星海洋鹽度測量海冰與冰山現(xiàn)象的遙感探測海洋溢油污染的遙感監(jiān)測2023/2/48.1衛(wèi)星海洋鹽度測量1.海洋鹽度測量的重要性

海水鹽度是監(jiān)測和模擬海洋循環(huán)的一個重要變量，也是氣候變化的重要指示器。海水鹽度對漁業(yè)養(yǎng)殖、水質(zhì)資源的調(diào)查發(fā)揮著重要作用，是研究大洋環(huán)流、海洋動力學(xué)、降雨量及季節(jié)氣候預(yù)測、水聲學(xué)的重要參數(shù)。2023/2/48.1衛(wèi)星海洋鹽度測量2.海洋鹽度的測量方法

現(xiàn)場船測－使用鹽度測量儀器（物理法和化學(xué)法）航空/衛(wèi)星測量－使用被動微波輻射計進(jìn)行測量，具有大范圍、快速、定量測量的特點。但目前尚無專門的測量儀器（工作在L波段，1.4GHz左右），SMOS衛(wèi)星等在計劃中。

有關(guān)學(xué)者早在30多年前就開始進(jìn)行鹽度遙感的研究和實驗，從海水介電常數(shù)的測定到微波輻射計的改進(jìn)，從陸基的鹽水池實驗到航空飛行實驗，甚至進(jìn)行了衛(wèi)星遙感的簡單嘗試。2023/2/48.1衛(wèi)星海洋鹽度測量3.海洋鹽度的遙感測量原理

衛(wèi)星測量海表鹽度的原理是基于在微波頻率上，鹽度對海表亮溫的敏感度進(jìn)行的。海水鹽度的增加會使海水導(dǎo)電能力上升，從而使海水的介電常數(shù)增大，最終使得海表發(fā)射率的亮溫降低。（1）簡單描述2023/2/48.1衛(wèi)星海洋鹽度測量3.海洋鹽度的遙感測量原理a.無風(fēng)浪的平靜海面上，海水的亮度溫度可以表示為：（2）海水鹽度遙感的理論模型為入射角；為極化方式；為海表真實溫度；為海水鹽度；2023/2/48.1衛(wèi)星海洋鹽度測量3.海洋鹽度的遙感測量原理b.極化發(fā)射率與復(fù)介電常數(shù)關(guān)系如下：（2）海水鹽度遙感的理論模型

由基爾霍夫定律和Fresnel定律得

可由德拜方程得出，2023/2/48.1衛(wèi)星海洋鹽度測量3.海洋鹽度的遙感測量原理c.亮溫與極化發(fā)射率之間的關(guān)系：（2）海水鹽度遙感的理論模型

可使用Klein-Swift（K-S）模型或Ellison模式求解復(fù)介電常數(shù)，進(jìn)而得到鹽度參量。

若其它參量已知，則可由亮溫得到鹽度：2023/2/48.1衛(wèi)星海洋鹽度測量3.海洋鹽度的遙感測量原理（2）海水鹽度遙感的理論模型當(dāng)海表溫度增加時，亮溫對鹽度的敏感度增大；鹽濃度越低，亮溫與海表溫度之間的線性關(guān)系越強(qiáng)。2023/2/48.1衛(wèi)星海洋鹽度測量4.海洋鹽度遙感測量的影響因素分析2023/2/48.1衛(wèi)星海洋鹽度測量4.海洋鹽度遙感測量的影響因素分析

由上式可知，在給定輻射計相關(guān)參數(shù)的條件下，亮溫是海表溫度和鹽度的函數(shù)。因此，在適用于鹽度遙感的頻率上，亮溫隨鹽度的變化應(yīng)該比其隨溫度的變化要顯著得多。（1）鹽度遙感使用的頻率

研究表明：頻率在1.4GHz的L波段是測量海水表面鹽度的最佳波段，該波段對海表溫度和風(fēng)速的敏感度較低。同時可以采用S波段和C波段來修正海表鹽度測量時海表溫度和風(fēng)速的影響。2023/2/48.1衛(wèi)星海洋鹽度測量4.海洋鹽度遙感測量的影響因素分析（2）極化方式和入射角Ellison模型得到的入射角40度時，海表亮溫對鹽度的敏感度2023/2/48.1衛(wèi)星海洋鹽度測量4.海洋鹽度遙感測量的影響因素分析

極化和入射角也影響亮溫對鹽度的敏感性。其規(guī)律為:

垂直極化時均優(yōu)于水平極化時;

在垂直極化方式下，入射角越大越好;

在水平極化方式下，入射角越小越好。（2）極化方式和入射角2023/2/48.1衛(wèi)星海洋鹽度測量4.海洋鹽度遙感測量的影響因素分析Ellison模型得到的海表亮溫對鹽度的敏感度隨入射角的變化2023/2/48.1衛(wèi)星海洋鹽度測量4.海洋鹽度遙感測量的影響因素分析

在相對高溫和高鹽的條件下，亮溫對鹽度更為敏感，鹽度的反演效果較好（見圖）。

較大的亮溫誤差造成較大的鹽度反演誤差；同樣的鹽度反演精度下，低溫時需要更高的亮溫精度；

在同樣的亮溫精度條件下，鹽度越高則反演精度越高，但超過一定的鹽度時，其影響不顯著。（3）鹽度反演精度與亮溫的關(guān)系2023/2/48.1衛(wèi)星海洋鹽度測量4.海洋鹽度遙感測量的影響因素分析大氣干空氣和水蒸氣的影響

1.4GHz頻段上，最主要的貢獻(xiàn)來自干空氣，需要考慮大氣透過率、上行輻射和下行輻射的影響。（4）其它影響海表微波輻射測量誤差的因素云的影響

1.4GHz頻段上，云的輻射和散射可利用瑞利散射模式解釋。2023/2/48.1衛(wèi)星海洋鹽度測量4.海洋鹽度遙感測量的影響因素分析表面粗糙度的影響可利用雷達(dá)和輻射計的組合數(shù)據(jù)，降低其影響。（4）其它影響海表微波輻射測量誤差的因素電離層的影響可利用基于微波被動偏振測定法的技術(shù)估計法拉第旋轉(zhuǎn)。太陽系和宇宙輻射的影響最重要的是太陽輻射的影響。要精心設(shè)計天線，使進(jìn)入天線側(cè)部的來自太陽的輻射或反射最少。2023/2/48.1衛(wèi)星海洋鹽度測量5.海洋鹽度遙感測量的發(fā)展目標(biāo)

在利用微波輻射計亮溫反演海面濃度時，需要其它資料的輔助，特別是與輻射計測量的時間和空間接近的風(fēng)速或有效波高、海洋表面溫度的信息。

海洋鹽度遙感的三大主要科學(xué)目標(biāo)為：（1）提高季度至年度的氣象預(yù)報能力；（2）提高海洋降雨估計和全球水文預(yù)算能力；（3）監(jiān)測大范圍的海水鹽濃度異?，F(xiàn)象。

正在研制專門測量鹽濃度的衛(wèi)星，其精度將達(dá)0.2-0.3psu。2023/2/48.2海冰與冰山現(xiàn)象的遙感探測（1）海冰探測的意義

海冰幾乎占全球海洋表面的1/9。海冰對海上交通運(yùn)輸、海洋資源開發(fā)和全球氣候的變化等都具有重要的影響；海冰的消融會造成整個洋面的上升，因而造成某些沿海地區(qū)被淹沒。1.概述2023/2/48.2海冰與冰山現(xiàn)象的遙感探測（2）海冰的一般分類新成冰（newice）【新冰】初期冰（youngice）【幼年冰】頭年冰（firstyearice）多年冰（oldice）1.概述

依據(jù)海冰產(chǎn)生與持續(xù)時間2023/2/48.2海冰與冰山現(xiàn)象的遙感探測（3）海冰探測的主要內(nèi)容冰的密度探測冰類分析浮冰跟蹤冰塊探測1.概述在海冰探測的基礎(chǔ)上，可進(jìn)行海冰與氣候之間的關(guān)系分析。2023/2/48.2海冰與冰山現(xiàn)象的遙感探測（4）海冰的觀測方法海岸站測量表面船只測量（如鉆孔）航空器測量和衛(wèi)星遙感（光學(xué)和微波傳感器）潛水艇測量（聲納）

漂移冰站1.概述2023/2/48.2海冰與冰山現(xiàn)象的遙感探測（1）光學(xué)傳感器的觀測方法

利用海冰與海水在可見光與近紅外波段的反射率差異和溫度的差異對海冰及其密集度進(jìn)行探測，可用于海冰活動和走向的研究，但云層的出現(xiàn)減少了資料的可利用率。2.海冰與冰山的遙感探測2023/2/48.2海冰與冰山現(xiàn)象的遙感探測（1）光學(xué)傳感器的觀測方法2.海冰與冰山的遙感探測NOAA-AVHRR海冰檢測方法：利用海冰在可見光與近紅外波段反射率高的特點利用冰面溫度小于水域溫度的方法：

IST=a+b×T11+c×T12+d×[(T11–T12)secθ]2023/2/48.2海冰與冰山現(xiàn)象的遙感探測NOAA-AVHRR海冰檢測方法：2023/2/48.2海冰與冰山現(xiàn)象的遙感探測（1）光學(xué)傳感器的觀測方法2.海冰與冰山的遙感探測MODIS海冰的識別方法

一般情況下識別海冰的方法：位于海洋且同時滿足以下條件的像元，可以定義為“海冰”：NDSI＝(RefMODIS4-RefMODIS6)/(RefMODIS4+RefMODIS6)>0.4；RefMODIS2>0.11；RefMODIS1>0.1歸一化雪被指數(shù)2023/2/48.2海冰與冰山現(xiàn)象的遙感探測（1）光學(xué)傳感器的觀測方法2.海冰與冰山的遙感探測MODIS海冰的識別方法

一些特殊情況的考慮：對于較薄海冰（厚度小于10厘米，沒有雪覆蓋），其反照率較低，利用雪被指數(shù)不容易分辯，在這種情況下，利用冰表面和海表面的溫度差異進(jìn)行識別。MODIS計算冰表面溫度的算法（MODIS31和32波段）：

IST=a+b×T31+c×(T31–T32)+d×[(T31–T32)(secθ-1)]

a,b,c,d根據(jù)T31位于不同的溫度范圍：T31<240K，240K<T31<260K，T31>260K，取相應(yīng)的系數(shù)。2023/2/48.2海冰與冰山現(xiàn)象的遙感探測MODIS海冰的識別方法2023/2/48.2海冰與冰山現(xiàn)象的遙感探測（2）微波探測方法2.海冰與冰山的遙感探測

海冰在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)出豐富的反射回波現(xiàn)象，而海水部分則呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的衰減與吸收，這種差異使得海冰下表面的位置和輪廓可被完整的表現(xiàn)出來。

微波進(jìn)行海冰監(jiān)測的物理原理：在微波頻率上，冰幾乎是透明的，而水是一個良好的吸收體，由于它們在微波頻率上的發(fā)射率和介電常數(shù)不同，可以進(jìn)行區(qū)分。2023/2/48.2海冰與冰山現(xiàn)象的遙感探測（2）微波探測方法2.海冰與冰山的遙感探測不同類型海冰的比輻射率多年冰層內(nèi)的結(jié)構(gòu)和成分較復(fù)雜，導(dǎo)致了其比輻射率變化復(fù)雜。2023/2/48.2海冰與冰山現(xiàn)象的遙感探測（2）微波探測方法2.海冰與冰山的遙感探測海冰輻射亮溫與海冰厚度的關(guān)系2023/2/48.3海洋溢油污染的遙感監(jiān)測1.海洋溢油污染遙感監(jiān)測的重要性

溢油現(xiàn)象不僅造成了海洋環(huán)境污染，而且對水產(chǎn)業(yè)、旅游業(yè)也造成了巨大損失。衛(wèi)星遙感監(jiān)測在海上溢油事故處理中發(fā)揮著多重作用。在溢油事故責(zé)任主體明確的情況下，可以為計算溢油面積、溢油量、己有的和未來可能的污染范圍和污染程度提供依據(jù)，在責(zé)任主體不明的情況下，除了能發(fā)揮上述作用外，還可以結(jié)合氣象、水文等資料推算出原始溢油地點，從而為確定責(zé)任主體或海底石油資源的位置提供依據(jù)。2023/2/48.3海洋溢油污染的遙感監(jiān)測2.海洋溢油遙感監(jiān)測的方法（1）可見光波段監(jiān)測

在可見光波段垂直觀測時，水面油膜的反射率比潔凈海面的反射率相比較高，但油面的反射強(qiáng)度也與遙感器的觀測角有關(guān)，在可見光內(nèi)缺乏有效的區(qū)別于背景信息的特征光譜?？偟膩碚f，可見光波段探測能力是有限的，但它在提供溢油定性描述和相對位置等方面是一種較為經(jīng)濟(jì)和實用的手段。2023/2/48.3海洋溢油污染的遙感監(jiān)測2.海洋溢油遙感監(jiān)測的方法（2）熱紅外波段監(jiān)測

水和油膜的熱紅外發(fā)射率具有一定的差別。實驗表明，厚度大于0.3mm的油膜，發(fā)射率在0.95-0.98之間，海水的發(fā)射率為0.993。所以實際溫度相同的海水與油膜，它們的熱紅外輻射強(qiáng)度也不同。熱紅外圖像中，厚油層“熱”，中等厚度“冷”，薄油層或油膜則難以探測。2023/2/48.3海洋溢油污染的遙感監(jiān)測2.海洋溢油遙感監(jiān)測的方法（3）紫外波段監(jiān)測

紫外遙感器可以對甚薄油層進(jìn)行探測，因為即使是甚薄油層(<0.05μm)也會有很高的紫外輻射反射。通過紫外與紅外圖像的疊加分析，可以得到溢油層的相對厚度。但紫外遙感易受外界環(huán)境因素的干擾而產(chǎn)生虛假信息。2023/2/48.3海洋溢油污染的遙感監(jiān)測2.海洋溢油遙感監(jiān)測的方法（4）激光熒光監(jiān)測

激光熒光傳感器是一種主動式遙感器，它的工作原理是：油類中的某些成分吸收紫外光，并激發(fā)內(nèi)部電子，通過熒光（主要在可見光區(qū)）發(fā)射可以將激發(fā)能迅速釋放。熒光可以作為油類的探測特征，而且因為不同油類產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度和光譜信號強(qiáng)度都不相同，因此利用該特性進(jìn)行油類的遙感識別是可能的。工作波長為300-355nm2023/2/48.3海洋溢油污染的遙感監(jiān)測2.海洋溢油遙感監(jiān)測的方法（5）SAR監(jiān)測海面溢油

海面覆蓋油膜時，會使海面張力波和短重力波受到阻尼，從而使海面變得略為光滑，引起雷達(dá)后向散射系數(shù)降低，從而導(dǎo)致雷達(dá)圖像的灰度降低。2023/2/48.3海洋溢油污染的遙感監(jiān)測2.海洋溢油遙感監(jiān)測的方法（5）SAR監(jiān)測海面溢油2023/2/48.3海洋溢油污染的遙感監(jiān)測2.海洋溢油遙感監(jiān)測的方法（