第四章海洋表面溫度遙感海洋遙感介紹PPT課件

2020/6/7,.,1,海洋遙感,TheOceanicRemoteSensing,2020/6/7,.,2,/seadas/download.html,海洋遙感處理軟件,2020/6/7,3,.,第四章海洋表面溫度遙感,概述微波輻射計海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演,2020/6/7,4,.,4.1概述,1.海表溫度的重要性,海洋表面溫度是重要的海洋環(huán)境參數(shù)，是海洋環(huán)境非常重要的基礎信息。幾乎所有的海洋動力過程都直接或間接與之有關。海表溫度被廣泛用于海洋動力學、海氣相互作用、漁業(yè)經(jīng)濟研究、污染監(jiān)測和海溫預報等方面。另外，海表溫度也是監(jiān)測海洋現(xiàn)象（如海冰、渦流等）的重要參量。,2020/6/7,5,.,海表溫度用于尋找漁場,2020/6/7,6,.,電廠熱水排放后的溫度分布,2020/6/7,7,.,4.1概述,2.海表溫度的測量方法,現(xiàn)場船只測量（結合固定或移動浮標）航空或衛(wèi)星遙感測量-優(yōu)勢較大，而且其精度已達業(yè)務化應用水平;-分為被動微波波段測量和熱紅外波段測量；,2020/6/7,8,.,4.1概述,.微波和熱紅外波段海溫測量的優(yōu)缺點比較,2020/6/7,9,.,4.2微波輻射計海表溫度反演,1.測量的原理基礎,（1）海洋中各種參數(shù)的適合觀測頻段,海表溫度：7GHz附近；水汽影響：21GHz附近；粗糙度影響：11GHz附近；降雨影響：18GHz附近；云影響：37GHz附近,2020/6/7,10,.,4.2微波輻射計海表溫度反演,1.測量的原理基礎,（2）瑞利金斯公式與應用,特定波長處的輻射度：,某波段的輻射度：,海表的發(fā)射率：,與極化方式、方向和頻率有關,由黑體的極化輻亮度可知，海表的極化輻亮度：,2020/6/7,11,.,4.2微波輻射計海表溫度反演,2.微波輻射計海溫測量的原理,（1）微波輻射計測量的亮度溫度Ta,為天線的輻射效率，TA為天線的亮度溫度，T0為天線的物理溫度。,區(qū)分幾個參數(shù)的不同意義,2020/6/7,12,.,4.2微波輻射計海表溫度反演,2.微波輻射計海溫測量的原理,（2）對微波輻射計測量結果產(chǎn)生影響的量及其計算,天線的視在溫度TAP,也稱為表觀溫度，表示入射到天線上的能量，不僅包括地物的輻射，而且包括大氣的影響。應包括主瓣和旁瓣的貢獻之和。,2020/6/7,13,.,4.2微波輻射計海表溫度反演,2.微波輻射計海溫測量的原理,（2）對微波輻射計測量結果產(chǎn)生影響的量及其計算,天線的亮度溫度TA,天線主瓣效率,即天線的輻射測量溫度，應表示為主瓣貢獻的有效視在溫度與旁瓣貢獻的有效視在溫度之和。,2020/6/7,14,.,（3）微波輻射計測量計算過程,正演過程,反演過程,2020/6/7,15,.,4.2微波輻射計海表溫度反演,3.微波輻射計海溫測量的實際應用,從以上可知，微波輻射計測量海面溫度對技術要求較高，目前尚不能達到業(yè)務化應用的要求。在實際應用中，有學者利用統(tǒng)計方法得到了一些初步結果。如采用下面模型，對于神州4號微波輻射計，建立了如下模型。,2020/6/7,16,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,1.反演原理,TIR波段水氣輻射傳輸模型,傳感器探測到的輻射為：,太陽,傳感器,大氣,海表,e1簡化,2020/6/7,17,.,.寬通道光譜響應函數(shù)的考慮,（1）,（2）,2020/6/7,18,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,2.反演方法,a.單通道直接反演方法,基本思想：根據(jù)成像時刻的大氣狀況數(shù)據(jù)（主要為濕度和溫度垂直廓線），采用一定的大氣模式，計算得到有關的大氣參數(shù)。但精確的實測大氣垂直廓線比較困難，因此該方法在實際中應用較少。,2020/6/7,19,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,2.反演方法,b.單通道統(tǒng)計方法,基本思想：從水-氣輻射傳輸方程出發(fā)，考慮大氣含水量和傳感器視角的影響，建立遙感亮度溫度與海面溫度的經(jīng)驗公式，通過同步實測資料回歸經(jīng)驗系數(shù)。,2020/6/7,20,.,b.單通道統(tǒng)計方法-舉例,GMS,NOAA(5),2020/6/7,21,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,2.反演方法,c.分裂窗反演方法（）,基本思想：根據(jù)大氣對不同分裂窗波段（如10.5-11.5um，11.5-12.5um）電磁輻射的影響不同，采用不同波段測量結果的組合關系來消除大氣的影響，從而得到海表溫度。由McMillin1975年最早提出該法，其依據(jù)是AVHRR在第4和5相鄰通道內(nèi)具有不同的吸收特性。,2020/6/7,22,.,c.分裂窗反演方法（）原理,用Taylor級數(shù)展開Planck函數(shù)：,考慮水氣的吸收k和路徑長度w：,為大氣的加權平均氣溫,2020/6/7,23,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,2.反演方法,d.多通道統(tǒng)計模型法（）,基本思想：采用多個通道之間的統(tǒng)計模型來進行溫度反演。注意：統(tǒng)計模型中的雙通道如果為分裂窗波段，則該模型也可歸屬為分裂窗模型的范疇。,2020/6/7,24,.,常用多通道分裂窗模型（）,NOAA,非線性回歸法NLSST（分裂窗方法）：,2020/6/7,25,.,NOAA,多通道法MCSST（分裂窗方法）：,常用多通道分裂窗模型（）,2020/6/7,26,.,NOAA,雙通道方法,常用多通道分裂窗模型,三通道方法,2020/6/7,27,.,常用多通道分裂窗模型（）,MODIS“邁阿密探路人”海表溫度算法MPSST：,2020/6/7,28,.,常用多通道分裂窗模型（）,MODIS利用22和23通道來進行反演：,這個方程只有一組系數(shù)。對TERRA衛(wèi)星上的MODIS，C1、C2、C3和C4分別為-0.065，1.034，0.723和0.972。,針對我國海區(qū)的特點，可以利用浮標、海上臺站和船舶常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)對上述公式系數(shù)進行回歸，得到適合我國海區(qū)的MODIS海溫反演算法。,2020/6/7,29,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,2.反演方法,e.多角度反演方法,基本思想：不同角度觀測目標，所經(jīng)過的大氣吸收路徑不同，因而受大氣的影響不同，即利用目標吸收熱紅外輻射的差異來消除大氣的影響。,ATSR采用錐形掃描技術可對同一地點從不同角度（0和55）測量兩次，從而可利用多通道、多角度來提高大氣校正精度。,2020/6/7,30,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,2.反演方法,f.多角度與多通道結合的反演方法,基本思想：同時利用多通道和多角度數(shù)據(jù)中所包含的大氣信息來消除大氣的影響。,模型參數(shù)的不確定性和難以計算性，使方法e和f實際應用較少。,2020/6/7,31,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,3.反演過程,2020/6/7,32,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,3.反演過程,（1）數(shù)據(jù)幾何與輻射預處理,輻射定標熱紅外通道亮溫的計算,a.幾何預處理,b.輻射預處理,幾何投影幾何精校正圖像鑲嵌,2020/6/7,.,33,行分辨率歸一化（掃描行展寬）,幾何預處理-極軌氣象衛(wèi)星為例,2020/6/7,.,34,行分辨率歸一化（掃描行展寬）結果示例2005年4月1日7點獲取的FY1D圖像,掃描行展寬前后的圖像對比,幾何預處理-極軌氣象衛(wèi)星為例,2020/6/7,.,35,幾何投影變換粗校正生成標準高斯平面網(wǎng)格像元定位象素重采樣,投影變換幾何粗校正前后的圖像對比,結果示例2005年4月7日8點獲取的FY1D圖像,幾何預處理-極軌氣象衛(wèi)星為例,2020/6/7,.,36,平移精校正在定位準確的圖像上確定一個窗口模板（要求）；在待校正圖像上，以窗口模板的位置為中心，在一定范圍內(nèi)滑動窗口，找出與模板窗口相關性最大的窗口位置；根據(jù)待校正圖像的窗口位置和參考圖像窗口位置的關系定位。,幾何預處理-極軌氣象衛(wèi)星為例,2020/6/7,.,37,平移精校正,幾何預處理-極軌氣象衛(wèi)星為例,2020/6/7,38,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,3.反演過程,（2）云檢測方法,在可見光通道上，云的反射率要比晴空下的地物高的多；而熱紅外通道上，云的溫度要比地物溫度低的多。對這兩個波段設定合理閾值，可進行云的檢測。利用可見光波段除了可以檢測出部分高云外，還可以檢測出具有較高溫度的低云；而熱紅外波段則可以檢測出溫度較低的中、高云。,a.單通道閾值法,2020/6/7,39,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,3.反演過程,a.單通道閾值法-示例,ByvisualbandbyTIRbandbyvisualandTIR,2020/6/7,40,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,3.反演過程,b.多通道聯(lián)合方法,（2）云檢測方法,2020/6/7,41,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,3.反演過程,（2）云檢測方法,利用熱紅外波段直方圖統(tǒng)計的結果判斷：若一高溫峰和一低溫峰同時出現(xiàn)，則說明部分有云；若只有高溫峰，則無云；若只有低溫峰，則全為云覆蓋。,c.直方圖統(tǒng)計法,2020/6/7,42,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,3.反演過程,（2）云檢測方法,利用常年的海面溫度平均值與每個像元點的溫度值進行比較，當探測值大于常年平均值時，就認為是晴空，否則認為有云影響。具體應用時，應對常年平均值進行調(diào)整。,d.常年平均海平面溫度截斷法,2020/6/7,43,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,3.反演過程,（2）云檢測方法,根據(jù)云的動態(tài)變化特點，將多幅序列的圖像進行綜合分析比較，檢測出云。該方法還常用于云區(qū)的替補處理。,e.時間序列分析法,2020/6/7,44,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,3.反演過程,（3）云替補方法,單一遙感圖像會因為云的出現(xiàn)產(chǎn)生大量資料空缺現(xiàn)象，需進行不同軌道和不同時相的云替補工作。云替補方法有資料插值、平滑、匹配修正等常規(guī)方法；數(shù)值內(nèi)插、曲面擬合和動力方程的數(shù)模替補方法，利用歷史同期標準溫度圖進行時間域的替補等。,2020/6/7,45,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,3.反演過程,（3）云替補方法舉例,一般要對陸域和水域進行分離處理,2020/6/7,46,.,2006-6-22MODIS反演海溫,4.結果輸出,2020/6/7,47,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,5.反演精度的影響分析,產(chǎn)生遙感SST誤差的因素很多，衛(wèi)星遙感和SST反演的許多環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生誤差。（1）熱紅外傳感器本身的精度和輻射定標精度可產(chǎn)生0.15左右的誤差，在遙感SST圖像上可發(fā)現(xiàn)許多由遙感儀器造成的噪音；（2）相同模型在不同區(qū)域的精度相差很大（包括模型本身對水汽校正誤差的影響）；,2020/6/7,48,.,4.3熱紅外輻射計海表溫度反演,（3）用相同資料采用不同SST反演模式所產(chǎn)生的差值為0.5-0.7左右；（4）遙感測量的是海表輻射溫度，與實測的水體溫度（實測溫度本身