漁業(yè)遙感實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

1、漁業(yè)遙感實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)官文江 編上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院一 總綱1 實(shí)習(xí)的目的利用 VC+ 編程平臺(tái)，對(duì)NOAA 衛(wèi)星的接收資料進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、圖像的顯示、溫度計(jì)算和去云處理、圖像的平滑等操作，使學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)遙感理論與遙感數(shù)據(jù)的理解，初步具有處理和分析遙感資料的能力，增強(qiáng)學(xué)生在漁業(yè)研究中應(yīng)用處理遙感資源的能力。2 實(shí)習(xí)內(nèi)容：1 ) VC+ 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2 ） NOAA衛(wèi)星數(shù)據(jù)的讀取與顯示3）遙感圖像的幾何變換、數(shù)字濾波與平滑4） NOAA溫度數(shù)據(jù)的反演與云去除3考核方式、方法1）實(shí)習(xí)結(jié)束時(shí)，對(duì)實(shí)習(xí)收獲進(jìn)行交流；2）每一實(shí)習(xí)學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)習(xí)收獲和體會(huì)，完成實(shí)習(xí)報(bào)告的撰寫(xiě)工作；3）根據(jù)每一實(shí)習(xí)學(xué)

2、生的實(shí)習(xí)表現(xiàn)，實(shí)習(xí)成果和實(shí)習(xí)總結(jié)報(bào)告分別評(píng)出優(yōu)（100-90）、良（80-89）、中（70-79）、及格（60-69）和不及格（< 60 ）五個(gè)等級(jí)。4）論文的結(jié)構(gòu)要求：按照上海水產(chǎn)大學(xué)學(xué)報(bào)稿件要求格式提交報(bào)告。二實(shí)習(xí)內(nèi)容指導(dǎo)1 VC+程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1）創(chuàng)建一個(gè)工程：?jiǎn)挝臋nNEW Project>MFC AppWizard-工程名與存儲(chǔ)的位置I多文檔2 ） VC+編程程序文件的結(jié)構(gòu)與關(guān)系基本框架類與文件文檔類由MFC的基類CDocument派生，文檔類負(fù)責(zé)存放程序數(shù)據(jù)并讀取磁盤(pán)文件 數(shù)據(jù)，或?qū)⒊绦驍?shù)據(jù)寫(xiě)入磁盤(pán)文件，文檔類是對(duì)程序所需要的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行處理。視圖類由MFC的基類CView

3、派生。視圖類負(fù)責(zé)顯示文檔類中的數(shù)據(jù)，顯示的設(shè)備可 以是屏幕或打印機(jī)等設(shè)備?？蚣茴悾河脕?lái)管理文檔的窗口界面：菜單、工具條、狀態(tài)欄。單文檔框架中，主框架 類管理的區(qū)域內(nèi)只能分配一個(gè)區(qū)域（窗口），此時(shí)有一個(gè)客戶區(qū)供一個(gè)視圖對(duì)象來(lái)使用。多文程序框架中，主框架類管理的區(qū)域內(nèi)能分配成多個(gè)區(qū)域（窗口） ，每個(gè)區(qū)域交給一 個(gè)子框架類對(duì)象來(lái)管理。應(yīng)用類。由MFC的基類CWinApp派生，應(yīng)用類管理程序的總體，如初始化程序及進(jìn)行最后的程序清除工作等，每個(gè)MFC應(yīng)用程序必須正確的生成由CWinApp派生類的一個(gè)實(shí)例。3）消息及消息的處理函數(shù)：窗口消息（窗口大小改變、鼠標(biāo)等），控制消息（子窗口向父窗口發(fā)送的消息），命

4、令消息（菜單等）4）如何增加成員變量5）如何增加成員函數(shù)6）重載虛函數(shù)7）對(duì)話框的創(chuàng)建8）映射變量9）菜單資源的創(chuàng)建2 NOAA HRPT及BMP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及讀取顯示1） NOAA 的HRPT的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)FunctionNo. ofWordsWordPositionBit No. Plus Word Code &1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 MeaningFrame Sync611 0 1 0 0 0 0 1 0 060 0 1 0 0 1 0 1 0 1ID (AVHRR)27Bit 1: 0=Internal Sync; 1=AVHRR SyncBits 2 & 3

5、; 00=Not used; 01=Minor Frame #1; 10=Minor Frame#2; 11=Minor Frame #3Bits 4-7; Spacecraft Addresses; Bit 4=MSB, Bit 7=LSBBit 8; 0=Frame Stable; 1=Frame resync occurredBits 9-10; spare; bit 9=0, bit 10=18Spare word; bit symbols undefinedTime Code49Bits 1-9; Binary day count; Bit 1=MSB; Bit 9=LSBBit 1

6、0; 0; spare10Bits 1-3; all zeroes; spare 1,0, 1Bits 4-10; Part of binary msec of day count; Bit 4=MSBof msec count11Bits 1-10; Part of binary msec of day count;12Bits 1-10; Remainder of binary msec of day count; Bit 10=LSB of msec countTelemetry(AVHRR)1013Ramp Calibration AVHRR Channel #114Ramp Cali

7、bration AHVRR Channel #215Ramp Calibration AHVRR Channel #316Ramp Calibration AHVRR Channel #417Ramp Calibration AHVRR Channel #518PRT Reading 119PRT Reading 2 (See Note 2.)20PRT Reading 321AVHRR Patch Temperature220 0 0 0 0 0 0 0 0 1 SpareInternalTarget Data (AVHRR)302310 words of internal target d

8、ata from each AVHRR channel 3, 4 and 5. These data are time multiplexed as chan 3 (word 1), chan 4 (word 1), chan 5 (word 1), chan 3 (word 2), chan 4 (word 2), chan 5 (word 2), etc.Space Data (AVHRR)5053 thru10210 words of space scan data from each AVHRR channel 1,2,3,4, and 5. These data are time m

9、ultiplexed as chan 1 (word 1), chan 2 (word 1), chan 3 (word 1), chan 4 (word 1), chan 5 (word 1), chan 1 (word2), chan 2 (word 2), chan 3 (word2), chan 4 (word 2), chan 5 (word 2), etc.Sync (AVHRR)1103Bit 1; 0=AVHRR sync early; 1=AVHRR sync late, Bits 2-10; 9 bit binary count of 0.9984 MHz periods;

10、 Bit 2=MSB, Bit 10=LSBTIP data520104 thru623The 520 words contain five frames of TIP data (104 TIP data words/frame). (See Note 3.)Bits 1-8: Exact format as generated by TIPBit 9: Even parity check over bits 1-8Bit 10: -bit 1.Spare Words1276241 0 1 0 0 0 1 1 1 0.7481 0 0 1 0 1 1 0 1 07491 1 0 0 1 0

11、0 0 1 07501 0 0 0 0 0 0 0 0 0Earth Data(AVHRR)10240751Chan 1 - Sample 1752Chan 2 - Sample 1753Chan 3 - Sample 1754Chan 4 - Sample 1755Chan 5 - Sample 1756Chan 1 - Sample 2. (See Note 5.)10,985Chan 5 - Sample 204710,986Chan 1 - Sample 204810,987Chan 2 - Sample 204810,988Chan 3 - Sample 204810,989Chan

12、 4 - Sample 204810,990Chan 5 - Sample 2048AuxiliarySync10010,9911 1 1 1 1 0 0 0 1 010,9921 1 1 1 1 1 0 0 1 110,9930 1 1 0 1 1 0 1 0 110,9941 0 1 0 1 1 1 1 0 1. (See Note 6.)11,0890 1 1 1 1 1 0 0 0 011,0901 1 1 1 0 0 1 1 0 0BITMA fEVSEA 1>ER 冷困縛N共b/type ”皿”bfS血 bffUiM¥vQdU料w能累帔贈(zèng)總tf卿的幽亨桂刊<-

13、rr的學(xué)書(shū)幼鼠汰是金的兌倍紫ftT , # irJi fl - HLt2) BMP文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)/加國(guó)«*注意：1)每一行的字節(jié)數(shù)必須是 4的整倍數(shù)，如果不是，則需要補(bǔ)齊。這在前面介 紹biSizeimage 時(shí)已經(jīng)提到了。2) 一般來(lái)說(shuō)，BMP文件的數(shù)據(jù)是從下到上、從左到右的。即從文件中最先讀到的是圖 像最下面一行的左邊第一個(gè)像素，然后是左邊第二個(gè)像素接下來(lái)是倒數(shù)第二行左邊第一個(gè)像素，左邊第二個(gè)像素 依次類推，最后得到的是最上面一行的最右一個(gè) 像素。3) NOAA各波段數(shù)據(jù)的讀取與顯示二進(jìn)制文件的讀寫(xiě)方法fopen函數(shù)©圖像顏色的顯示調(diào)色板、真彩色圖像數(shù)據(jù)的數(shù)字變換4)

14、BMP文件的顯示方法原始大小，不用拉伸：用 SetDIBitsToDevice ()函數(shù)非原始大小，拉伸：用 StretchDIBits函數(shù)請(qǐng)熟悉：CDC與CPalette類5）結(jié)果單波段顯示彩色合成3遙感圖像的幾何變換、數(shù)字濾波與平滑1）直方圖112331452132323412345灰度值Output Hislogram低反射率圖象灰度的變換BMP圖象由0 - 2 5 5范圍的數(shù)據(jù)組成，對(duì)于8位的圖象來(lái)說(shuō)，在調(diào)色板中包含顏RGB宏色信息，象素中記錄的是索引值。對(duì)于2 4位的圖象來(lái)說(shuō)，象素的值為顏色值所表示，類型為 COLORREF(long)。為了用BMP位圖來(lái)表示數(shù)據(jù)，我們的數(shù)據(jù)又通常不

15、在這個(gè)范圍，所以可以采用各種影射來(lái)進(jìn)行變換。同時(shí)對(duì)于灰度圖象來(lái)說(shuō)，象素值的大小通常為圖象明暗，因此改變了象素值的大小及其比例關(guān)系，會(huì)改變圖象的顯示效果。2)圖象的幾何變換 圖象的平移圖象的旋轉(zhuǎn)圖象旋轉(zhuǎn)原理:算法：以（0, 0）點(diǎn)為中心的旋轉(zhuǎn):x1cossin0x0yisincos0y0i0011x0cossin0x1y0sincos0yii001iXIZ以（a, b）點(diǎn)為中心的旋轉(zhuǎn)后以（c,d）為中心:x110ccosy1 01 d sin10 0 10sin01cos000100 a x01 b y0011逆變換：x010acosy001bsin10010sin 0 10 c x1cos0

16、01d y10100111.圖象的增強(qiáng)圖象的平滑是采用摸板進(jìn)行操作的，應(yīng)指明摸板的大小和權(quán)重及操作的象素點(diǎn)。14?12 161平滑后:中值濾波采用中值濾波?？梢匀サ粼肼?，可以克服均值濾波帶來(lái)的圖象細(xì)節(jié)模糊，但對(duì)于些細(xì)節(jié)多，特別是點(diǎn)、線、尖頂細(xì)節(jié)多的圖象不宜采用。算法：摸板，排序，取中值。圖象的銳化（邊緣檢測(cè)）This is a sample. 這是個(gè)與例。彩色編碼：對(duì)于8位的位圖，其調(diào)色板控制其顏色的顯示，更換調(diào)色板，可改變圖象的顯示顏色。4溫度與去云處理1)溫度遙感反演基本原理及方法、系數(shù)地球的溫度較低，其對(duì)外進(jìn)行輻射的鋒區(qū)在長(zhǎng)波部分，因此通過(guò)紅外通道可以探測(cè)海表溫度。通常衛(wèi)星上所獲得的輻射

17、值為：Ltoa( , ) ( ( , )Ls( ,SST) (1- ( , ) L (,)(,) L ( , ) (3-18)其中：(，)是發(fā)射率，(，)是大氣透過(guò)率，Ls( , SST)是海表輻射值。L (,)是大氣向下 輻射值，L (,)是大氣向上輻射值。如果(，)=1,則方程可化簡(jiǎn)為：Ltoa( , ) Ls( ,SST) ( , ) L (,)利用熱紅外遙感技術(shù)反演海溫的研究已有了很大的進(jìn)展。大氣糾正是海溫反演的關(guān)鍵問(wèn) 題。主要的海溫遙感反演方法主要有以下幾種：O .單通道直接反演法根據(jù)大氣的輻射傳輸方程，如果我們能得到大氣的溫度和濕度垂直廓線，利用一定的 大氣模式計(jì)算大氣輻射和大氣透

18、過(guò)率，代入方程(2. 63),就可以從遙感傳感器所測(cè)得的輻射亮度值計(jì)算得到海面溫度。直接反演海溫要求得到精確的大氣廓線數(shù)據(jù)，大氣廓線數(shù)據(jù)可以通過(guò)星載大氣垂直探測(cè)器、地面探空或氣象數(shù)據(jù)得到(Scott and Chedin , 1981; Kneizys et al. , 1983; Price 1983; Susskind et a1., 1984; Chedin et a1., 1985; Paccagnella et al., 1985;Djavadi and Anderson , 1987)。精確實(shí)測(cè)大氣垂直廓線一般比較困難，因而在實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng) 中很少采用。G.單通道統(tǒng)計(jì)方法單通道大氣統(tǒng)

19、計(jì)方法就是從大氣輻射傳輸方程出發(fā)，考慮大氣含水量和傳感器視角天頂角的影響，建立遙感亮度溫度與海面溫度的經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)同步實(shí)測(cè)資料回歸經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。Smith等(重1970)提出了一個(gè)用中紅外波段 (3.8um)計(jì)算海溫的經(jīng)驗(yàn)公式：Ts Tb a0 a1( /60)ln(100K/(310K Tb)(210KWTbW300K,。w 60° )其中a0=1.13, a=0.82, a2=2.48 ,。是傳感器視角天頂角，Tb為亮度溫度。GMS靜止氣象衛(wèi)星反演海溫大氣訂正的統(tǒng)計(jì)方法比較成熟，阿步勝宏(1991)提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的GMS單通道海面水溫的大氣訂正公式：，1400、Ts Tb sec

20、0.189W 1 2 41400 ( 3 1 0 Tb)其中0是傳感器視角天頂角，Tb為亮度溫度，W是大氣總水氣含量。簡(jiǎn)單處理NOAA第五通道的海溫反演經(jīng)驗(yàn)公式：Ts (Tb C)ep( D)D /H222c1/2(h H) (h H)sin r2 (R H )2sin2其中C和。為待定的回歸系數(shù)，T為大氣的光學(xué)厚度，h為大氣上限高度，R為地球半徑，H為衛(wèi)星高度，。為傳感器視角天頂角，”為地表像元到傳感器的光學(xué)路徑，Ts為海面溫度，Tb為亮度溫度。0.多通道海溫遙感反演自從NOAA衛(wèi)星攜帶AVHRR傳感器以來(lái)，多通道遙感反演技術(shù)迅速發(fā)展，現(xiàn)已成功應(yīng) 用于美國(guó)NESDIS業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)中，可以連續(xù)

21、提供較高精度，較高分辨率的海面溫度場(chǎng)。多通道遙感反演方法又稱為“分裂窗口”方法。 McMillin(1975)最早提出這種方法，其根本依據(jù)是大氣在AVHRR第四、第五通道兩個(gè)相鄰的波譜窗口具有不同的吸收特性。假設(shè)： 海水近似為黑體，比輻射率等于1; 大氣窗口的水汽吸收很弱，大氣的水汽吸收系數(shù)可以看作常數(shù)；大氣溫度與海面溫度相差不大，黑體輻射公式可以采用線形近似。海面溫度可以表示為兩個(gè)通道亮度溫度的線形組合：TsA0A1T4 A2T5不同的作者(Prabhakara et al., 1974; Deschamps and Phulpin, 1980; Sidran 1980; Becker, 1

22、982; Maul , 1983; Price, 1984; Singh, 1984; Maclain et al. , 1985; Ho et al., 1986; Malkevich and Gorodetsky , 1988)采用不同的處理方法所得到的系數(shù)略不同。美國(guó) NOAA的業(yè)務(wù)運(yùn)行 系統(tǒng)中采用的是 McClain等(1985)給出的數(shù)據(jù)，其算法的精度為均方根誤差土0. 65K。假設(shè)：dt k' edZ因?yàn)?2 hc2v3 Mb(v,T)/ hcvkc 小(e 1)泰勒多項(xiàng)式展開(kāi)：2B (T T0)BO Bi()(斤)(t To)及2B(2)T3(T T0)3!3B(3) .

23、T采用線性近似:BX(Ts) B X(Tz) (Ts TzM?) T Ts可以推導(dǎo)得(Deschamps and Phulpin, 1980; McMillin , 1984)：zTs Tb Ke(z)(Ts Tz)dzK f0其中P e(z)為水汽密度的高度函數(shù)，足 K 為水汽的吸收系數(shù)，Tb為L(zhǎng)入所對(duì)應(yīng)的亮度 z溫度，f(a)Jz)(t s Tz)dz是一個(gè)與大氣狀況有關(guān)而與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的變量。0對(duì)于氣象衛(wèi)星 NOAA /AVHRR的第四、五通道，則分別有：Ts T4 K 4f(a)Ts T5 K5f (a)其中T4, T5分別為第四、五通道的亮度溫度，K4, K5分別為第四、五通道的水汽吸收

24、系數(shù)。方程相除得：Ts T4 K4Ts T5 K5式中K 是一個(gè)可看做似與大氣狀況無(wú)關(guān)的常數(shù)，因此通過(guò)兩個(gè)熱紅外通道的亮度溫度可K5以計(jì)算得到海面溫度。MCSST(i,j) Ti(Ti Tj)這種海面溫度遙感“分裂窗口”方法，證明了大氣效應(yīng)間接修正的有效性?？紤]加入衛(wèi)星觀測(cè)角訂正項(xiàng):SST A B ()Csec()()DA、B、C、D為回歸系數(shù)。根據(jù) 的不同，又有CPSST(交叉算法)和NLSST(非線性算法)算法。Ti、Tj是兩通道的亮溫度(如 NOAA的4、5通道)，其計(jì)算可以通過(guò)下式：1T C2 V ln( 1 (C1 V 3/ E)(3-20)或1t C4 ln(C3/( 5L) 1.

25、0)(3-21)上式是針對(duì)不同的輻射單位。C1、C2、C3、C4為常數(shù)分別為：C3=C1=1. x 10-5 mw m-2 cm4= 1.x 108 w m-2 um4。C4=C2=1.43879 X 104 um K=1.43879 cm K 。V為波數(shù)，入為波長(zhǎng)。E單位為：mW m-2 Sr-1 cm 。 L單位為 W m-2 um-1 Sr-1 0相關(guān)算法的系數(shù)：表14. NLSST相關(guān)系數(shù)SatelliteAlgorithmTimeCoefficientsNOAA-12NLSSTDAYAi=0.876992, A 2=0.083132, A 3=0.349877, A4=236.667

26、NOAA-12NLSSTNIGHTAi=0.888706, A 2=0.081646, A 3=0.576136, A4=240.229NOAA-14NLSSTDAYAi=0.939813, A 2=0.076066, A 3=0.801458, A4=255.165NOAA-14NLSSTNIGHTA=0.933109, A 2=0.078095, A 3=0.738128, A4=253.428NOAA-15NLSSTDAYAi=0.913116, A 2=0., A 3=0.476940, A 4=246.887NOAA-15NLSSTNIGHTAi=0.922560, A 2=0.,

27、A 3=0.548055, A 4=249.819NOAA-16NLSSTDAYAi=0.914471, A 2=0., A 3=0.668532, A 4=248.116NOAA-16NLSSTNIGHTAi=0.898887, A 2=0., A 3=0.755283, A 4=244.006NOAA-17NLSSTDAYAi=0.936047, A 2=0., A 3=0.920848, A 4=253.951NOAA-17NLSSTNIGHTAi=0.938875, A 2=0., A 3=0.979108, A 4=255.023表15 MCSST相關(guān)系數(shù)SatelliteAlgor

28、ithmTimeCoefficientsNOAA-12MCSSTDAYB=0.963563, B 2=2.579211, B 3=0.242598,B=263.006NOAA-12MCSSTNIGHTBi=0.967077, B 2=2.384376, B 3=0.480788, B=263.940NOAA-14MCSSTDAYB1=1.017342, B 2=2.139588, B 3=0.779706, B4=278.430NOAA-14MCSSTNIGHTB1=1.029088, B 2=2.275385, B 3=0.752567, B4=282.240NOAA-15MCSSTDAYB

29、=,0.964243 B 2= 2.71296, B 3=0.387491, B4=262.443NOAA-15MCSSTNIGHTBi= 0.976789, B 2=2.77072, B 3=0.435832, B 4= 266.290NOAA-16MCSSTDAYB=0.999314, B 2= 2.30195, B 3=0.628976, B4=273.768NOAA-16MCSSTNIGHTB1= 0.995103, B 2=2.53657, B 3=0.753281, B 4= 273.146NOAA-16MCSSTNIGHT|B= 0.995103, B 2=2.53657, B

30、3=0.753281, B 4= 273.146NOAA-16MCSSTNIGHTB1= 0.995103, B 2=2.53657, B 3=0.753281, B 4= 273.146NOAA-17MCSSTDAYB= 0.992818, B 2=2.49916, B 3=0.915103, B4=271.206NOAA-17MCSSTNIGHTB= 1.01015, &=2.58150, R=1.00054,巳=276.590黃、渤海水溫圖:上海水L大學(xué)大泮遙感及信急中心遙減厚植制作-、 F2）云的檢測(cè)算法云的檢測(cè)方法通常有三類：第一類：基于對(duì)比度特征的方法對(duì)比度特征包括反射和發(fā)

31、射波段的檢測(cè)。A）反射波段的檢測(cè)首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：1 o/cos *DD ( )( )d d其中是衛(wèi)星所得的反射率，0是太陽(yáng)天頂角,0D是日地距離與平均日地距離之比。由于海洋水體對(duì)近紅外輻射有較強(qiáng)的吸收作用，通道2的值通常較低，一般不會(huì)超過(guò) 30%。所以如果1 30%則可以認(rèn)為是云。在白天的數(shù)據(jù)中（NOAA-12,14）中的通道3是中紅外，其既受到太陽(yáng)輻射的影響，又受 到地面輻射的影響， 通常用該通道對(duì)弱反射的云 （薄的、較小的卷云、水云）進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí), 也可以用來(lái)區(qū)分弱反射的云與薄霧，這是因?yàn)樵?.7um波段較大的云顆粒對(duì)太陽(yáng)輻射的散射比氣溶膠更有效。由于通常 3既有太陽(yáng)輻射，又有熱

32、輻射，因此必需去掉熱輻射算法如下：T3e(b/a)T4 (c/a)T5 d/aR3 B(T3) B(T3e)C3 3.14159 R3 100% cos(Z0)/D S3C3>3%則認(rèn)為是有云Ta RIF Al S pa cernfi-d ejv 11 d eni cnefFicifliK For riiain?! 1 nlhecri cnmp ititron此b1cJI6OB72261.261.OXI 0002.5355CO1,562016,；| 1X)00.44-9Id 15102b7.Ci3O.Q：i249O2心MB1岫塔）-1NOAA-l!160707綺 0195OtW必16516i.*44C0IS.SUH,2e>15.Q0L.OJKJOJO工5531.2754J J12B4B）發(fā)射波段的檢測(cè)由于在海洋中，水體的溫度總是大于海洋水體的冰點(diǎn)溫度（271K）,因此可以采用通道4的亮溫來(lái)進(jìn)行判斷，以、即： T4<271K時(shí)，則認(rèn)為是云。第二類：基于波譜特征的方法在AVHRR5個(gè)波段中，地物的反射、散射、發(fā)射的特性各不相同，如水體對(duì)CH1的反射要大于 CH2,而云對(duì)于 CH!與CH2而言反射相差不大。 CH3、CH4、CH5由于水汽