第六章-海面風(fēng)場遙感-海洋遙感

2023/9/30海洋遙感TheOceanicRemoteSensing2023/9/30第六章海面風(fēng)場遙感

概述微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場

SAR獲取海面風(fēng)場信息其它方法測量海面風(fēng)速2023/9/306.1概述1.海面風(fēng)場測量的意義

海面風(fēng)場測量對于海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)、海洋災(zāi)害監(jiān)測、海氣相互作用、氣象預(yù)報(bào)、氣候研究等都具有重要意義。常規(guī)資料主要通過船舶、海上浮標(biāo)、沿岸和島嶼氣象臺站來測量獲得，難以滿足宏觀、實(shí)時(shí)海洋監(jiān)測的需要，衛(wèi)星遙感技術(shù)起到了非常重要的補(bǔ)充作用。2023/9/306.1概述2.海面風(fēng)場遙感測量的波段與傳感器可見光、紅外遙感方法微波散射計(jì)微波輻射計(jì)高度計(jì)SAR2023/9/306.1概述3.海面風(fēng)場微波遙感測量的原理

風(fēng)速測量-微波傳感器不能直接測量海面風(fēng)矢量，微波測量海面風(fēng)速是基于海面的后向散射或亮溫與海面的粗糙度有關(guān)，而海面粗糙度與海面風(fēng)速之間具有一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系而進(jìn)行的。風(fēng)向測量-對同一海域不同入射角的資料進(jìn)行分析，可獲得風(fēng)向分布信息。

用于描述雷達(dá)后向散射系數(shù)與海面風(fēng)矢量(風(fēng)速和風(fēng)向)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系稱為風(fēng)場反演的地球物理模式函數(shù)。2023/9/306.2微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場1.發(fā)展歷史1966年Morre教授提出散射計(jì)測量海面風(fēng)場的概念。1973年Skylab衛(wèi)星S-193散射計(jì)和1978年Seasat-A衛(wèi)星SASS散射計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)證實(shí)了該技術(shù)的有效性。1991年ESA的ERS-1衛(wèi)星上裝載了主動微波探測儀，使衛(wèi)星散射計(jì)風(fēng)場測量進(jìn)入業(yè)務(wù)化監(jiān)測的新紀(jì)元。1999年QuikSCAT衛(wèi)星的SeaWinds散射計(jì)提高了測量精度。

目前測量風(fēng)速范圍在4～24m/s，精度為±2m/s或10％，風(fēng)向范圍0～360°，精度±20°。2023/9/306.2微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場2.測風(fēng)原理

微波散射計(jì)（Ku波段和C波段的微波散射計(jì)）通過測量海面微波后向散射系數(shù)，根據(jù)它與海面風(fēng)矢量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶瘮?shù)來反演海面風(fēng)場。微波散射計(jì)的入射角一般大于20度，散射計(jì)測量海面風(fēng)場以Bragg共振散射模型和雙尺度模型為主。2023/9/306.2微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場2.測風(fēng)原理（1）雷達(dá)后向散射系數(shù)的計(jì)算：（2）單位面積后向散射系數(shù)的Bragg表達(dá)：

可見，后向散射系數(shù)隨摩擦風(fēng)速u線性增長。2023/9/306.2微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場2.測風(fēng)原理（3）海面高度z處風(fēng)速的計(jì)算：（Monin-Obukhow方程）

可見，后向散射系數(shù)與海面風(fēng)速具有較大相關(guān)性。us為海面風(fēng)速，ka為Karman常數(shù)（常取0.4），z0可用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式表達(dá)，ψ為考慮大氣穩(wěn)定性的修正值，L為M-O長度。2023/9/306.2微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場2.測風(fēng)原理（4）后向散射系數(shù)與風(fēng)向之間的關(guān)系：

在風(fēng)速固定的條件下，后向散射系數(shù)在逆風(fēng)觀測時(shí)最大，順風(fēng)其次，而橫風(fēng)最小。2023/9/306.2微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場3.海面風(fēng)場反演過程（1）反演步驟計(jì)算歸一化后向散射系數(shù)，并獲得不同視角天線對同一區(qū)域的觀測；利用風(fēng)矢量與歸一化后向散射系數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)行風(fēng)速和風(fēng)向估計(jì)；多個可能風(fēng)矢量解模糊性的消除。2023/9/30海面風(fēng)場微波散射計(jì)測量流程2023/9/306.2微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場3.海面風(fēng)場反演過程（2）風(fēng)矢量反演模式一般情況下，風(fēng)矢量反演模式表達(dá)為：

試驗(yàn)基礎(chǔ)上，已獲得后向散射截面與風(fēng)矢量之間具有如下關(guān)系：式中系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，取決于入射角θ。Φ為相對方位角，與風(fēng)向和雷達(dá)觀測方位角有關(guān)。2023/9/30※模式函數(shù)研究進(jìn)展SASS-1模式函數(shù)

SASS-2模式函數(shù)

NSCAT-1模式函數(shù)

NSCAT-2模式函數(shù)

QSCAT-1模式函數(shù)

Ku-2001模式函數(shù)CMOD1-12模式函數(shù)

CMOD-IFR2模式函數(shù)Ku波段的模式函數(shù)C波段的模式函數(shù)6.2微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場

模式函數(shù)一般采用統(tǒng)計(jì)的方法經(jīng)驗(yàn)獲得。2023/9/306.2微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場3.海面風(fēng)場反演過程（2）風(fēng)矢量反演模式-常用：

下標(biāo)0u、0d和0c分別表示逆風(fēng)、順風(fēng)和橫風(fēng)時(shí)觀測的后向散射系數(shù)。風(fēng)速、入射角和極化方式的函數(shù)。Φ為相對方位角，為風(fēng)向和雷達(dá)方位角之差。2023/9/306.2微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場3.海面風(fēng)場反演過程（2）風(fēng)矢量反演模式入射角和風(fēng)向固定時(shí)，后向散射截面隨風(fēng)速的變化2023/9/306.2微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場3.海面風(fēng)場反演過程（2）風(fēng)矢量反演模式風(fēng)速固定時(shí)，后向散射系數(shù)隨相對方位角的變化2023/9/306.2微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場3.海面風(fēng)場反演過程（3）實(shí)際應(yīng)用的風(fēng)矢量反演模式Ku波段-Morre模式Ku波段-Wentz（SASS-II模式）2023/9/306.2微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場3.海面風(fēng)場反演過程（3）實(shí)際應(yīng)用的風(fēng)矢量反演模式C波段–本質(zhì)是簡化的Morre模型主要針對ERS系列衛(wèi)星的模型，相繼開發(fā)出了CMOD1-12模型。CMOD5-12：CMOD-4（歐空局采用的標(biāo)準(zhǔn)算法）：2023/9/30后向散射系數(shù)隨風(fēng)速和風(fēng)向的變化(CMOD4)2023/9/306.2微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場3.海面風(fēng)場反演過程（3）實(shí)際應(yīng)用的風(fēng)矢量反演模式

由以上可見，模式函數(shù)是風(fēng)速、風(fēng)向、入射角、天線極化方式等參數(shù)的非線性函數(shù)，加上后向散射系數(shù)測量噪聲的影響使得無法利用模式函數(shù)直接獲得風(fēng)矢量信息。所以，需要其它方法的配合進(jìn)行風(fēng)矢量求解。2023/9/306.2微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場3.海面風(fēng)場反演過程（4）實(shí)際求解中的最大似然反演法最大似然估計(jì)的目標(biāo)函數(shù)：后向散射系數(shù)的測量值后向散射系數(shù)的模式預(yù)測結(jié)果

2023/9/306.2微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場3.海面風(fēng)場反演過程（4）實(shí)際求解中的最大似然反演法首先取風(fēng)向?yàn)?度，給定一個起始風(fēng)速(如7m/s)，在風(fēng)速區(qū)間范圍內(nèi)(如0-50m/s)按一定間隔尋找使目標(biāo)函數(shù)式取得最大值的風(fēng)速，記錄風(fēng)速值和相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值；風(fēng)向增加一個間隔，以上一個風(fēng)向下找到的風(fēng)速為起點(diǎn)，重復(fù)上步，直到整個風(fēng)向區(qū)間(0-360°)搜索完畢為止；將局部最大值按從大到小的順序排列,取出前四個對應(yīng)的風(fēng)速、風(fēng)向作為模糊解。2023/9/306.2微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場3.海面風(fēng)場反演過程（4）實(shí)際求解中的最大似然反演法

研究表明，在絕大數(shù)情況下，真實(shí)的海面風(fēng)矢量就是最大似然意義上的第一或第二解，而且這兩個解之間存在180度的方向差。一般情況下，有60%的最可能風(fēng)矢量解接近真實(shí)風(fēng)速和風(fēng)向，大約30%的最可能解與實(shí)際真實(shí)風(fēng)向相反。

對此，技術(shù)上主要采用中值濾波方法進(jìn)行多解消除處理。2023/9/306.2微波散射計(jì)測量海面風(fēng)場3.海面風(fēng)場反演過程（5）風(fēng)向多解消除-矢量中值濾波

對于每個窗口，計(jì)算中心點(diǎn)的濾波函數(shù)值，用最小值Uij所對應(yīng)的風(fēng)矢量代替方程中的Umn，重復(fù)計(jì)算滑動窗口，直到Uij=Umn。另外，還有一種場方式模型的多解消除方法。

矢量中值濾波初始場的確定：最可能的風(fēng)矢量解作為初始場、模式風(fēng)場作為初始場。2023/9/306.3SAR獲取海面風(fēng)場信息1.SAR獲取海面風(fēng)場的意義

盡管微波散射計(jì)具有全天候條件下獲得全球海面風(fēng)場的能力，但其分辨率不能滿足近岸帶觀測的需要，高空間分辨率的合成孔徑雷達(dá)可以彌補(bǔ)散射計(jì)測風(fēng)的不足。2023/9/306.3SAR獲取海面風(fēng)場信息2.SAR獲取海面風(fēng)場的原理SAR在波束入射角20～70的情況下，所接收來自海面的后向散射主要為Bragg散射，其中風(fēng)是影響后向散射的主要因素之一。根據(jù)風(fēng)速與雷達(dá)后向散射系數(shù)之間的關(guān)系，可進(jìn)行風(fēng)速的反演；利用SAR圖像上與風(fēng)向有關(guān)的“風(fēng)條紋”結(jié)合氣象預(yù)報(bào)模式結(jié)果或者現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，可獲得風(fēng)向信息。2023/9/306.3SAR獲取海面風(fēng)場信息3.SAR獲取海面風(fēng)場的流程SAR圖像校準(zhǔn)SAR后向散射系數(shù)風(fēng)向信息模式風(fēng)場CMOD模式函數(shù)海面風(fēng)矢量2023/9/30雷達(dá)后向散射系數(shù)與雷達(dá)亮度的關(guān)系：后向散射系數(shù)與DN值之間的關(guān)系為：DN值與雷達(dá)亮度和后向散射系數(shù)的關(guān)系：K為校準(zhǔn)常數(shù)

為參考入射角23°為入射角

ERSSAR數(shù)據(jù)（1）圖像輻射定標(biāo)2023/9/30雷達(dá)亮度與DN值的的關(guān)系為：雷達(dá)后向散射系數(shù)與雷達(dá)亮度的關(guān)系為：為雷達(dá)入射角；

為輸出定標(biāo)增益；

為偏移量

RadarSatSAR數(shù)據(jù)（1）圖像輻射定標(biāo)h為衛(wèi)星軌道高度；r為地球半徑；R為斜距。2023/9/30（2）CMOD模式函數(shù)-后向散射系數(shù)；VV-垂直極化；-風(fēng)向和雷達(dá)天線方位角；CMOD-IFR2模式函數(shù)較為常用-只適合于VV極化：-海面上10米高度處風(fēng)速；工作于HH極化的SAR，需要描述HH和VV極化關(guān)系的極化率模型。如：2023/9/30（3）風(fēng)向的確定

通常情況下，SAR圖像上存在與海面局部風(fēng)向平行的條紋，稱為風(fēng)條紋。由此，可通過SAR圖像的低波數(shù)譜來確定風(fēng)向。

通過該方法可直接利用SAR圖像反演風(fēng)向，不需要輔助信息。但得到的風(fēng)向有180度的風(fēng)向模糊，而且SAR圖像上的線性特征不總是存在?？赏ㄟ^其它方式如模式風(fēng)場、現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)、浮標(biāo)數(shù)據(jù)等來配合風(fēng)向的確定。2023/9/302000/11/15UTC09:44RADARSATSAR反演的海面風(fēng)場

圖像譜圖像風(fēng)矢量2023/9/30（4）SAR反演海面風(fēng)速誤差分析

利用合成孔徑雷達(dá)SAR圖像反演高分辨率的海面風(fēng)矢量的誤差主要與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶瘮?shù)、風(fēng)向、入射角和后向散射系數(shù)有關(guān)。入射角可準(zhǔn)確計(jì)算，其影響較小；誤差隨風(fēng)速的增大而增大；圖像上的噪聲造成后向散射系數(shù)的誤差，從而影響風(fēng)速反演精度。2023/9/306.4其它方法測量海面風(fēng)速1.微波輻射計(jì)測量海面風(fēng)速（1）基本原理

基于海面微波輻射率與海面粗糙度之間具有高相關(guān)特征（粗糙度增