第四章 海洋表面溫度遙感 - 海洋遙感

2023/2/2海洋遙感TheOceanicRemoteSensing2023/2/2/seadas/download.html海洋遙感處理軟件2023/2/2第四章海洋表面溫度遙感

概述微波輻射計(jì)海表溫度反演熱紅外輻射計(jì)海表溫度反演2023/2/24.1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(chǔ)信息。幾乎所有的海洋動(dòng)力過程都直接或間接與之有關(guān)。海表溫度被廣泛用于海洋動(dòng)力學(xué)、海氣相互作用、漁業(yè)經(jīng)濟(jì)研究、污染監(jiān)測(cè)和海溫預(yù)報(bào)等方面。另外，海表溫度也是監(jiān)測(cè)海洋現(xiàn)象（如海冰、渦流等）的重要參量。2023/2/2海表溫度用于尋找漁場(chǎng)2023/2/2電廠熱水排放后的溫度分布2023/2/24.1概述2.海表溫度的測(cè)量方法

現(xiàn)場(chǎng)船只測(cè)量（結(jié)合固定或移動(dòng)浮標(biāo)）航空或衛(wèi)星遙感測(cè)量

-優(yōu)勢(shì)較大，而且其精度已達(dá)業(yè)務(wù)化應(yīng)用水平;-分為被動(dòng)微波波段測(cè)量和熱紅外波段測(cè)量；2023/2/24.1概述※.微波和熱紅外波段海溫測(cè)量的優(yōu)缺點(diǎn)比較方法微波輻射計(jì)測(cè)量熱紅外輻射計(jì)測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)

可全天時(shí)、全天候進(jìn)行，受云影響較小，大氣校正相對(duì)容易；

分辨率較高，技術(shù)發(fā)展成熟（已達(dá)業(yè)務(wù)化運(yùn)行程度）；缺點(diǎn)

測(cè)量精度與分辨率較低，對(duì)表面粗糙度和降雨敏感；

在無(wú)云區(qū)進(jìn)行，需進(jìn)行精確的大氣校正。2023/2/24.2微波輻射計(jì)海表溫度反演1.測(cè)量的原理基礎(chǔ)（1）海洋中各種參數(shù)的適合觀測(cè)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2023/2/24.2微波輻射計(jì)海表溫度反演1.測(cè)量的原理基礎(chǔ)（2）瑞利－金斯公式與應(yīng)用特定波長(zhǎng)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(guān)由黑體的極化輻亮度可知，海表的極化輻亮度：Tb=e*Ts2023/2/24.2微波輻射計(jì)海表溫度反演2.微波輻射計(jì)海溫測(cè)量的原理（1）微波輻射計(jì)測(cè)量的亮度溫度TaSensorT0

η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(gè)參數(shù)的不同意義2023/2/24.2微波輻射計(jì)海表溫度反演2.微波輻射計(jì)海溫測(cè)量的原理（2）對(duì)微波輻射計(jì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響的量及其計(jì)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(yīng)包括主瓣和旁瓣的貢獻(xiàn)之和。傳感器大氣海表2023/2/24.2微波輻射計(jì)海表溫度反演2.微波輻射計(jì)海溫測(cè)量的原理（2）對(duì)微波輻射計(jì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響的量及其計(jì)算天線的亮度溫度TA天線主瓣效率

即天線的輻射測(cè)量溫度，應(yīng)表示為主瓣貢獻(xiàn)的有效視在溫度與旁瓣貢獻(xiàn)的有效視在溫度之和。2023/2/2（3）微波輻射計(jì)測(cè)量計(jì)算過程正演過程反演過程2023/2/24.2微波輻射計(jì)海表溫度反演3.微波輻射計(jì)海溫測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用

從以上可知，微波輻射計(jì)測(cè)量海面溫度對(duì)技術(shù)要求較高，目前尚不能達(dá)到業(yè)務(wù)化應(yīng)用的要求。

在實(shí)際應(yīng)用中，有學(xué)者利用統(tǒng)計(jì)方法得到了一些初步結(jié)果。如采用下面模型，對(duì)于神州4號(hào)微波輻射計(jì)，建立了如下模型。2023/2/24.3熱紅外輻射計(jì)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(cè)到的輻射為：太陽(yáng)傳感器大氣海表e＝1簡(jiǎn)化2023/2/2※.寬通道光譜響應(yīng)函數(shù)的考慮（1）（2）2023/2/24.3熱紅外輻射計(jì)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(shí)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(jì)算得到有關(guān)的大氣參數(shù)。但精確的實(shí)測(cè)大氣垂直廓線比較困難，因此該方法在實(shí)際中應(yīng)用較少。2023/2/24.3熱紅外輻射計(jì)海表溫度反演2.反演方法b.單通道統(tǒng)計(jì)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(yàn)公式，通過同步實(shí)測(cè)資料回歸經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。2023/2/2b.單通道統(tǒng)計(jì)方法-舉例GMSNOAA(5)2023/2/24.3熱紅外輻射計(jì)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(duì)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(cè)量結(jié)果的組合關(guān)系來(lái)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?fù)ǖ纼?nèi)具有不同的吸收特性。

2023/2/2c.分裂窗反演方法（★）－原理用Taylor級(jí)數(shù)展開Planck函數(shù)：考慮水氣的吸收k和路徑長(zhǎng)度w：為大氣的加權(quán)平均氣溫2023/2/24.3熱紅外輻射計(jì)海表溫度反演2.反演方法d.多通道統(tǒng)計(jì)模型法（★）

基本思想：采用多個(gè)通道之間的統(tǒng)計(jì)模型來(lái)進(jìn)行溫度反演。注意：統(tǒng)計(jì)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。2023/2/2常用多通道分裂窗模型（★）NOAA非線性回歸法NLSST（分裂窗方法）：2023/2/2NOAA多通道法MCSST（分裂窗方法）：常用多通道分裂窗模型（★）-2023/2/2NOAA雙通道方法常用多通道分裂窗模型三通道方法2023/2/2常用多通道分裂窗模型（★）MODIS

“邁阿密探路人”海表溫度算法MPSST：2023/2/2常用多通道分裂窗模型（★）MODIS

利用22和23通道來(lái)進(jìn)行反演：

這個(gè)方程只有一組系數(shù)。對(duì)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(duì)我國(guó)海區(qū)的特點(diǎn)，可以利用浮標(biāo)、海上臺(tái)站和船舶常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)上述公式系數(shù)進(jìn)行回歸，得到適合我國(guó)海區(qū)的MODIS海溫反演算法。2023/2/24.3熱紅外輻射計(jì)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(cè)目標(biāo)，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(biāo)吸收熱紅外輻射的差異來(lái)消除大氣的影響。ATSR采用錐形掃描技術(shù)可對(duì)同一地點(diǎn)從不同角度（0°和55°）測(cè)量?jī)纱?，從而可利用多通道、多角度?lái)提高大氣校正精度。2023/2/24.3熱紅外輻射計(jì)海表溫度反演2.反演方法f.多角度與多通道結(jié)合的反演方法

基本思想：同時(shí)利用多通道和多角度數(shù)據(jù)中所包含的大氣信息來(lái)消除大氣的影響。

模型參數(shù)的不確定性和難以計(jì)算性，使方法e和f實(shí)際應(yīng)用較少。2023/2/24.3熱紅外輻射計(jì)海表溫度反演3.反演過程幾何定位（投影處理）水陸分離2023/2/24.3熱紅外輻射計(jì)海表溫度反演3.反演過程（1）數(shù)據(jù)幾何與輻射預(yù)處理

輻射定標(biāo)熱紅外通道亮溫的計(jì)算a.幾何預(yù)處理b.輻射預(yù)處理

幾何投影幾何精校正圖像鑲嵌2023/2/2h地心Ore衛(wèi)星位置SABii+1ησ掃描角σ與地心角η之間的關(guān)系示意圖計(jì)算每條掃描線的地面距離計(jì)算每條掃描線的像元數(shù)目新定位點(diǎn)在原掃描線的位置象素重采樣掃描行展寬處理流程行分辨率歸一化（掃描行展寬）※幾何預(yù)處理-極軌氣象衛(wèi)星為例2023/2/2行分辨率歸一化（掃描行展寬）

結(jié)果示例－2005年4月1日7點(diǎn)獲取的FY1D圖像

掃描行展寬前后的圖像對(duì)比※幾何預(yù)處理-極軌氣象衛(wèi)星為例2023/2/2幾何投影變換粗校正生成標(biāo)準(zhǔn)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(duì)比

結(jié)果示例－2005年4月7日8點(diǎn)獲取的FY1D圖像※幾何預(yù)處理-極軌氣象衛(wèi)星為例2023/2/2平移精校正在定位準(zhǔn)確的圖像上確定一個(gè)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(dòng)窗口，找出與模板窗口相關(guān)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(guān)系定位?！鶐缀晤A(yù)處理-極軌氣象衛(wèi)星為例2023/2/2平移精校正幾何精校正前后的圖像對(duì)比（50％透明度疊加）與地理底圖匹配結(jié)果示例－以2005年4月7日8點(diǎn)獲取的FY1D圖像作為標(biāo)準(zhǔn)，校正4月8日10點(diǎn)獲取的NOAA-17圖像?！鶐缀晤A(yù)處理-極軌氣象衛(wèi)星為例2023/2/24.3熱紅外輻射計(jì)海表溫度反演3.反演過程（2）云檢測(cè)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(duì)這兩個(gè)波段設(shè)定合理閾值，可進(jìn)行云的檢測(cè)。利用可見光波段除了可以檢測(cè)出部分高云外，還可以檢測(cè)出具有較高溫度的低云；而熱紅外波段則可以檢測(cè)出溫度較低的中、高云。a.單通道閾值法2023/2/24.3熱紅外輻射計(jì)海表溫度反演3.反演過程a.單通道閾值法-示例ByvisualbandbyTIRbandbyvisualandTIR2023/2/24.3熱紅外輻射計(jì)海表溫度反演3.反演過程b.多通道聯(lián)合方法（2）云檢測(cè)方法2023/2/24.3熱紅外輻射計(jì)海表溫度反演3.反演過程（2）云檢測(cè)方法

利用熱紅外波段直方圖統(tǒng)計(jì)的結(jié)果判斷：若一高溫峰和一低溫峰同時(shí)出現(xiàn)，則說明部分有云；若只有高溫峰，則無(wú)云；若只有低溫峰，則全為云覆蓋。c.直方圖統(tǒng)計(jì)法2023/2/24.3熱紅外輻射計(jì)海表溫度反演3.反演過程（2）云檢測(cè)方法

利用常年的海面溫度平均值與每個(gè)像元點(diǎn)的溫度值進(jìn)行比較，當(dāng)探測(cè)值大于常年平均值時(shí)，就認(rèn)為是晴空，否則認(rèn)為有云影響。具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)對(duì)常年平均值進(jìn)行調(diào)整。d.常年平均海平面溫度截?cái)喾?023/2/24.3熱紅外輻射計(jì)海表溫度反演3.反演過程（2）云檢測(cè)方法

根據(jù)云的動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，將多幅序列的圖像進(jìn)行綜合分析比較，檢測(cè)出云。該方法還常用于云區(qū)的替補(bǔ)處理。e.時(shí)間序列分析法2023/2/24.3熱紅外輻射計(jì)海表溫度反演3.反演過程（3）云替補(bǔ)方法

單一遙感圖像會(huì)因?yàn)樵频某霈F(xiàn)產(chǎn)生大量資料空缺現(xiàn)象，需進(jìn)行不同軌道和不同時(shí)相的云替補(bǔ)工作。云替補(bǔ)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(dòng)力方程的數(shù)模替補(bǔ)方法，利用歷史同期標(biāo)準(zhǔn)溫度圖進(jìn)行時(shí)間域的替補(bǔ)等。2023/2/24.3熱紅外輻射計(jì)海表溫度反演3.反演過程（3）云替補(bǔ)方法–

舉例一般要對(duì)陸域和水域進(jìn)行分離處理2023/2/22006-6-22MODIS反演海溫4.結(jié)果輸出2023/2/24.3熱紅外輻射計(jì)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(huì)產(chǎn)生誤差。（1）熱紅外傳感器本身的精度和輻射定標(biāo)精度可產(chǎn)生0.15℃