第二章 海洋遙感原理與基礎(chǔ) - 海洋遙感.ppt

1、2020/9/4,海洋遙感,The Oceanic Remote Sensing,2020/9/4,第二章 海洋遙感原理與基礎(chǔ),與海洋遙感相關(guān)的基本概念 電磁波與海水相互作用機(jī)制 海洋水體波譜特征,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,海面狀況：海面粗糙度狀況，與最大的海面波動(dòng)高度有關(guān)； 深水波：水深大于波長(zhǎng)的1/2的波動(dòng)（水底對(duì)波的影響忽略）； 淺水波：水深小于波長(zhǎng)的1/20的波動(dòng)（長(zhǎng)波）； 波高（H）：從波峰到波谷之間的鉛直距離； 有效波高（H1/3)：波陣列中全部波段的1/3最高波的波峰到波谷之間高度的平均值； 均方根波高（hk）：波在平均海平面上的均方根高度（粗糙度）；,

2、1.海洋學(xué)上的專用名詞,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,1.海洋學(xué)上的專用名詞,長(zhǎng)度（L）：海洋波從一個(gè)波峰到另一個(gè)波峰的距離； 空間波數(shù)（N）：N=2/L； 周期（T）：兩個(gè)連續(xù)波峰通過(guò)一固定點(diǎn)的時(shí)間（m）； 時(shí)間波數(shù)（）： =2/T； 風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度：穩(wěn)定的風(fēng)吹過(guò)的水平距離； 持續(xù)時(shí)間：穩(wěn)定的風(fēng)所維持的時(shí)間間隔；,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,充分成長(zhǎng)的波浪：在一定的風(fēng)速、足夠的持續(xù)時(shí)間和風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度條件下，海面達(dá)到平衡狀況（即振幅不變）； 風(fēng)波：洋面上由局地風(fēng)激起的海洋波系統(tǒng)； 重力波：作用在擾動(dòng)水團(tuán)上的主要恢復(fù)力是重力的波動(dòng)（L1.73cm）； 表面張力

3、波：作用在擾動(dòng)水團(tuán)上的主要恢復(fù)力是表面張力的波動(dòng)（L1.73cm） ；,1.海洋學(xué)上的專用名詞,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,2.海洋遙感中常用的基本概念,（1）復(fù)折射率,Snell折射定律：,n表示電磁波在界面處傳播速度和方向的變化，在可見(jiàn)光范圍可用折射儀測(cè)得； n表示電磁波在介質(zhì)中傳播的衰減程度， n=k/4 。,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,2.海洋遙感中常用的基本概念,（1）復(fù)折射率,微波波段，復(fù)折射率為復(fù)介電常數(shù)的平方根。 在物理上， n與折射沒(méi)有任何關(guān)系，而且n n，因此有：,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,2.海洋遙

4、感中常用的基本概念,（1）復(fù)折射率,海水折射率隨溫度和鹽度的變化(波長(zhǎng)=0.5893m),一般的，復(fù)折射率隨溫度升高而下降；而隨鹽度增加有所上升。,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,2.海洋遙感中常用的基本概念,（2）菲涅耳反射率,菲涅耳反射系數(shù)：描述光滑介質(zhì)表面的反射與入射之間的關(guān)系，即反射電場(chǎng)與入射電場(chǎng)之比。,Fresnel 反射公式,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,2.海洋遙感中常用的基本概念,（2）菲涅耳反射率,菲涅耳反射率（反射率）：描述輻射度的界面反射比。,若入射角為0（即垂直入射），則：,可用于高度計(jì)、散射計(jì)鏡面反射的計(jì)算,注意菲涅耳反射率與

5、漫反射率的區(qū)別：前者定義了界面的反射比；而后者為輻照度的內(nèi)部多個(gè)粒子的漫反射。,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,2.海洋遙感中常用的基本概念,（2）菲涅耳反射率,適用情況 - 兩均勻的各向同性介質(zhì)之間有一個(gè)實(shí)際無(wú)限大的平滑邊界； - 入射到邊界上的波為平面波（非球面波）； - 單色或光譜的入射波適用（寬波段要進(jìn)行平均或積分計(jì)算）； - 在介質(zhì)中不會(huì)發(fā)生多次反射。,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,2.海洋遙感中常用的基本概念,（3）復(fù)介電常數(shù),又稱為相對(duì)介電常數(shù)或相對(duì)電容率，是描述海面發(fā)射率的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它是頻率 ，水溫T 和海水鹽度S 的函數(shù)。,復(fù)數(shù)定

6、義,德拜公式表示,常用的介電常數(shù)模型較多，如Klein模型（P37）。,與物質(zhì)特性有關(guān),虛部表示能量消耗與衰減程度,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,2.海洋遙感中常用的基本概念,（3）復(fù)介電常數(shù),復(fù)介電常數(shù)反映水體的電學(xué)性質(zhì)，影響物體對(duì)電磁能量的反射（如雷達(dá)圖像上越大，則色調(diào)越淺）。 宏觀上可反映電磁波的輻射、散射、吸收、傳輸?shù)忍匦?；微觀上表明介質(zhì)的化學(xué)組成、物理結(jié)構(gòu)。,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,2.海洋遙感中常用的基本概念,（3）復(fù)介電常數(shù),小于20Ghz時(shí)，海水的虛部大于純水，說(shuō)明海水中的能量消耗較快； 大于20Ghz時(shí)，虛部值超過(guò)了實(shí)部。,2

7、020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,2.海洋遙感中常用的基本概念,（3）復(fù)介電常數(shù),小于20Ghz時(shí)，海水的虛部大于純水，說(shuō)明海水中的能量消耗較快； 大于20Ghz時(shí)，虛部值超過(guò)了實(shí)部。,不同溫度下，純水和海水介電常數(shù)的實(shí)部與虛部隨頻率的變化,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,2.海洋遙感中常用的基本概念,（4）海面粗糙度 判據(jù)與波長(zhǎng)和入射角有關(guān),判據(jù) 修改的瑞利準(zhǔn)則（Peake & Oliver，1971） - 光滑表面滿足： - 中等粗糙表面滿足： - 粗糙表面滿足：,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,2.海洋遙感中常用的基本概念,（4）海

8、面粗糙度 對(duì)海面后向散射系數(shù)的影響,隨粗糙度的增加，雷達(dá)回波強(qiáng)度受入射角的影響程度減弱。,在接近垂直入射時(shí)，雷達(dá)回波強(qiáng)度非常強(qiáng)，隨入射角變大，信號(hào)變?nèi)酢?2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,2.海洋遙感中常用的基本概念,（4）海面粗糙度 示例,粗糙度與波長(zhǎng)和入射角的關(guān)系,不同波長(zhǎng)與入射角情況下，粗糙類型的判斷依據(jù)不同,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,2.海洋遙感中常用的基本概念,（4）海面粗糙度 示例,同一粗糙度在不同波段上的粗糙類型,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,2.海洋遙感中常用的基本概念,（5）散射截面與散射系數(shù),a. 散射截面：

9、指散射波的全功率與入射功率密度之比，表示目標(biāo)截獲并散射入射能量的能力。 .后向散射截面：指入射方向上的散射截面，其值大小為散射截面的1/4倍。,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,2.海洋遙感中常用的基本概念,（5）散射截面與散射系數(shù),b. 散射系數(shù)：?jiǎn)挝唤孛娣e上雷達(dá)的反射率或單位照射面積上的雷達(dá)散射截面。 - 后向散射系數(shù)0：入射方向上的目標(biāo)每單位面積上的平均雷達(dá)截面，與目標(biāo)的復(fù)介電常數(shù)、表面粗糙度、雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)等有關(guān)。,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,2.海洋遙感中常用的基本概念,（5）散射截面與散射系數(shù) 影響因素,垂直入射時(shí)，回波強(qiáng)度（左）和后向散射截

10、面（右）最大,2020/9/4,2.1 與海洋遙感相關(guān)的基本概念,2.海洋遙感中常用的基本概念,（5）散射截面與散射系數(shù) 影響因素,斜坡較平或陡坡入射角較小，回波強(qiáng)度較大,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機(jī)制,（1）水氣輻射傳輸模型,a. 簡(jiǎn)化模型,b. a模型細(xì)化,c. 考慮多次散射和白浪引起的散射,水中物質(zhì),太陽(yáng),傳感器,大氣,海表,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機(jī)制,（）海洋遙感反射波段非常重要的參量： 離水輻射率：即表層海水散射的太陽(yáng)輻射，由朗伯余弦定律可知其與

11、衛(wèi)星天頂角無(wú)關(guān)。 離水反射率：海水的光譜反射率發(fā)生在水次表面上。,平均日地距離處的 大氣層外的太陽(yáng)輻照度,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機(jī)制,（2）海洋輻照度模型,太陽(yáng),大氣,海表,直射輻照度：太陽(yáng)光經(jīng)大氣衰減后，直接到達(dá)水面的輻射； 漫射輻照度：直射光經(jīng)散射后到達(dá)水面的輻射；,不同因素對(duì)直射和漫射反射的影響不同。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機(jī)制,（2）海洋輻照度模型,太陽(yáng),大氣,海表,海面上到達(dá)海面的下行輻照度模型,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用

12、機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機(jī)制,（2）海洋輻照度模型 a.海面上到達(dá)海面的下行輻照度模型,到達(dá)海面的瑞利散射：,到達(dá)海面的氣溶膠散射：,各種透過(guò)率的計(jì)算可參考課本72-73.,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機(jī)制,（2）海洋輻照度模型,太陽(yáng),大氣,海表,穿過(guò)海面的總下行輻照度模型,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機(jī)制,直射光譜反射率 對(duì)于平滑海面,對(duì)于零度角入射：,入射角與折射角之和為90度（入射角53.1度時(shí)出現(xiàn)）：,與折射率和入射角有關(guān),（2）海

13、洋輻照度模型 b.穿過(guò)海面的總下行輻照度模型,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機(jī)制,直射光譜反射率 與風(fēng)速和太陽(yáng)天頂角有關(guān)（Gregg）,太陽(yáng)天頂角小于40度或風(fēng)速小于2m/s：,太陽(yáng)天頂角大于40度且風(fēng)速大于2m/s：,（2）海洋輻照度模型 b.穿過(guò)海面的總下行輻照度模型,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機(jī)制,漫射光譜反射率,它與太陽(yáng)天頂角無(wú)關(guān)。假定海面比較平滑，且大氣狀況均勻，通常取值6.6%，對(duì)于風(fēng)速大于4m/s的粗糙表面，則降為5.7%。,（2）海洋輻照度模型 b

14、.穿過(guò)海面的總下行輻照度模型,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機(jī)制,泡沫引起的反射率 （Gregg）,u4m/s：,4m/s u7m/s：,與風(fēng)速之間具有如下關(guān)系：,u7m/s：,a為空氣密度，CD為拖曳系數(shù),（2）海洋輻照度模型 b.穿過(guò)海面的總下行輻照度模型,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機(jī)制,（2）海洋輻照度模型 b.穿過(guò)海面的總下行輻照度模型,總反射率,m為漫射輻射與總輻射的比值,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR

15、)的相互作用機(jī)制,（3）大氣校正,目的 從傳感器接收到的輻射率（度）中，將離水輻射率 分離出來(lái)。,重要性離水輻射率包含了海洋的許多信息，通過(guò)它幾乎可以得到所有的海洋水色產(chǎn)品。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機(jī)制,（3）大氣校正 - 過(guò)程,對(duì)水色遙感影響的輻射量分級(jí),2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機(jī)制,和 的計(jì)算 （p74）,要達(dá)到5%的離水輻射率的反演精度，要求瑞利散射計(jì)算精度達(dá)到1%。,（3）大氣校正 - 過(guò)程, 與到達(dá)海面的散射不同,2020/9/4,2.2 電磁

16、波與海水相互作用機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機(jī)制,和 的計(jì)算 瑞利散射的計(jì)算,（3）大氣校正 - 過(guò)程,國(guó)際上對(duì)瑞利散射的精確計(jì)算目前均采用查找表方式，但是這些查找表是針對(duì)特定遙感器生成的，不能直接用于一個(gè)新的水色遙感器。何賢強(qiáng)提出了加倍法和通用的查找表。,何賢強(qiáng)等，海洋水色及水溫掃描儀精確瑞利散射計(jì)算，光學(xué)學(xué)報(bào)，2005.2 何賢強(qiáng)等，通用型海洋水色遙感精確瑞利散射查找表，海洋學(xué)報(bào)，2006.1,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機(jī)制,（3）大氣校正 - 過(guò)程,的計(jì)算,太陽(yáng),大氣,海表,2020/9/4,2.2

17、電磁波與海水相互作用機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機(jī)制,（3）大氣校正 - 過(guò)程,大氣透過(guò)率的計(jì)算（p70-73） - 總透過(guò)率等于直接透過(guò)率和漫射透過(guò)率之和。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機(jī)制,（3）大氣校正 - 實(shí)際應(yīng)用中的校正,實(shí)際應(yīng)用中的大氣校正過(guò)程常采用近似法（如對(duì)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化）和數(shù)值法（如采用一些同步的大氣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算）。 即使如此，有些參量還是無(wú)法精確測(cè)量或計(jì)算，還需采用別的方法。如：由于氣溶膠的組分和光學(xué)特性的易變性，無(wú)法精確測(cè)量其散射的影響。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作

18、用機(jī)制,1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機(jī)制,（3）大氣校正 - 實(shí)際應(yīng)用中的校正舉例, 以SeaWIFS（SeaStar）對(duì)一類水體探測(cè)為例， 設(shè)置了大氣校正通道7（765nm） 和8（865nm）。這二個(gè)波段的離水輻射度近似為0。,第8波段氣溶膠散射,計(jì)算n值,其它波段氣溶膠散射,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,2. 熱紅外波段(TIR)的相互作用機(jī)制,（1）水汽輻射傳輸模型,傳感器探測(cè)到的輻射為：,太陽(yáng),傳感器,大氣,海表,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,2. 熱紅外波段(TIR)的相互作用機(jī)制,（2）輻射傳輸過(guò)程的理解與具體計(jì)算,a.

19、熱紅外波段的大氣校正 - 傳感器的通道亮溫與海表溫度的差在15K。 - 校正過(guò)程是估算大氣上行輻射、下行輻射（路徑輻射）和大氣透過(guò)率。 - 實(shí)際校正方法：利用實(shí)測(cè)大氣數(shù)據(jù)；創(chuàng)建查找表；利用影像自身估計(jì)參數(shù)（如分裂窗方法和Gu提出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系）。,2020/9/4,. Gu提出的熱紅外波段大氣校正方法,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,2. 熱紅外波段(TIR)的相互作用機(jī)制,（2）輻射傳輸過(guò)程的理解與具體計(jì)算,b. 海表熱紅外輻射,- 海表熱紅外輻射與海表比輻射率和海表溫度有關(guān)；海表熱輻射發(fā)生在海表以下0.02mm厚的表層內(nèi)（紅外輻射計(jì)測(cè)量的并不是較深水層的溫度，但它與表層溫度

20、具有一定的關(guān)系）。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,2. 熱紅外波段(TIR)的相互作用機(jī)制,（2）輻射傳輸過(guò)程的理解與具體計(jì)算,. 海表溫度隨深度的變化,長(zhǎng)江口海水水溫隨深度的變化,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,2. 熱紅外波段(TIR)的相互作用機(jī)制,（2）輻射傳輸過(guò)程的理解與具體計(jì)算,. 海表溫度的影響因素- 是海水、太陽(yáng)和大氣相互作用的結(jié)果,太陽(yáng)照射 水汽和云的輻射 暖空氣的加熱 冷空氣的冷卻 海表蒸發(fā)冷卻 海表本身的熱輻射 風(fēng)對(duì)水平溫度的影響,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,2. 熱紅外波段(TIR)的相互作用機(jī)制,（2）

21、輻射傳輸過(guò)程的理解與具體計(jì)算,. 水面的光譜發(fā)射率e、透過(guò)率t、反射率與吸收率a - 根據(jù)基爾霍夫定律，在局部熱平滑的條件下，透射進(jìn)入海面的輻射全部被吸收，被吸收的能量又全部被發(fā)射出去，所以在海氣界面，有如下關(guān)系：, 雪、冰與海水在次表面的反射與散射差別較大，前者表現(xiàn)的比較強(qiáng)烈。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,2. 熱紅外波段(TIR)的相互作用機(jī)制,（2）輻射傳輸過(guò)程的理解與具體計(jì)算,c. 大氣對(duì)熱紅外輻射傳輸?shù)挠绊?- 熱紅外輻射在大氣中的傳輸，是一種漫射輻射，是在無(wú)散射但有吸收又有發(fā)射的介質(zhì)（大氣）中傳輸。 - 大氣對(duì)傳輸過(guò)程的影響主要發(fā)生在低對(duì)流層（9km以下），

22、其中大氣的溫度和水汽含量是最重要的影響因子。,2020/9/4,大氣溫度垂直廓線,水汽垂直廓線,大氣垂直廓線示例,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,2. 熱紅外波段(TIR)的相互作用機(jī)制,（2）輻射傳輸過(guò)程的理解與具體計(jì)算,d. 長(zhǎng)波輻射傳輸方程 可通過(guò)分層計(jì)算和Pade近似法計(jì)算得到大氣的上行、下行輻射。（可參考7880）,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,（1）幾個(gè)重要概念回顧,a. 極化：即電磁波的電場(chǎng)振動(dòng)方向的變化趨勢(shì)。 - 水平極化：電場(chǎng)矢量與入射面垂直； - 垂直極化：電場(chǎng)矢量與入射面平行； 常用的4種極化方式：V

23、V、HH、VH、HV。,同向極化或參考極化,異向極化或正交極化,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,（1）幾個(gè)重要概念回顧,b. 散射截面：指散射波的全功率與入射功率密度之比，表示目標(biāo)截獲并散射入射能量的能力。 c. 散射系數(shù)：?jiǎn)挝唤孛娣e上雷達(dá)的反射率或單位照射面積上的雷達(dá)散射截面。 - 后向散射系數(shù)0：目標(biāo)在入射方向上單位面積的平均雷達(dá)截面，與目標(biāo)復(fù)介電常數(shù)、表面粗糙度、雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)等有關(guān)。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,（2）微波的特性,a. 在大氣中的衰減 由于大氣分子的吸收（水分子和氧分子

24、）和散射（主要為水滴，波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)可忽略）的影響，微波強(qiáng)度與傳輸距離成指數(shù)關(guān)系衰減。 衰減程度與大氣成分及其物理性質(zhì)、電磁波波長(zhǎng)有關(guān)。一般地，波長(zhǎng)越短，大氣衰減作用越顯著。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,. 吸收系數(shù)的計(jì)算,氧氣,水汽,云滴,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,（2）微波的特性,b. 微波的輻射- 遵循瑞利-金斯定律 海水微波發(fā)射率是觀測(cè)天頂角、輻射計(jì)頻率v（成正比），輻射計(jì)極化方式、海面真實(shí)溫度、海面鹽度（波長(zhǎng)小于8cm時(shí)與其成正比）、海面風(fēng)速和風(fēng)向的函數(shù)。,發(fā)射率與散射系數(shù)之間的

25、關(guān)系：,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,（2）微波的特性,c. 微波的表面散射- 發(fā)生在海-氣分界面上的散射，強(qiáng)度與介質(zhì)表面復(fù)介電常數(shù)成正比，散射角特性由粗糙度決定。,d. 微波的體散射 - 發(fā)生在介質(zhì)內(nèi)部的散射。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,（3） 微波（被動(dòng)）水汽輻射傳輸方程,天線,大氣,海表,為大氣頂部的微波輻射，由太陽(yáng)輻射、銀河噪聲、宇宙背景輻射組成。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,1. 傳輸方程的計(jì)算與校正,2020/9/4,2.

26、2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,2. 微分散射系數(shù)的計(jì)算,單一表面模型：把海面看作由一些小面組成，小面會(huì)產(chǎn)生鏡面反射，而且海面的斜率近似高斯分布。,Stogryn：,參數(shù)的具體計(jì)算方法可參考教材52-53。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,2. 微分散射系數(shù)的計(jì)算,組合（粗糙）表面模型：即把海表看成一種雙尺度的隨機(jī)粗糙面。海面的微分散射系數(shù)可分解為有泡沫和無(wú)泡沫覆蓋兩個(gè)部分。,參數(shù)的具體計(jì)算方法可參考教材p53-56。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,（4）雷達(dá)波的海

27、面散射模型,對(duì)于雷達(dá)波與海面的相互作用機(jī)制，可采用組合模型（二尺度模型）來(lái)近似描述。 即入射角較小時(shí)，鏡面散射占主導(dǎo)，即雷達(dá)接收的能量來(lái)自于海面上成一直線的鏡面狀小面散射的雷達(dá)波；入射角較大時(shí)，Bragg散射占主導(dǎo)，產(chǎn)生共振散射。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,（4）雷達(dá)波的海面散射模型,a. 鏡面散射模型- 適用于雷達(dá)波近似于垂直入射或海浪斜面垂直方向附近的小入射角范圍的情況； b. Bragg共振模型- 用于描述入射角較大時(shí)，海面的小擾動(dòng)模型； c.組合表面模型（二尺度模型）- 前兩者模型的疊加，根據(jù)入射角的大小，決定哪種模型起主導(dǎo)作用。

28、,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,（4）雷達(dá)波的海面散射模型- a. 鏡面散射模型,稍粗糙的海表可看作一系列的小平面元,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,（4）雷達(dá)波的海面散射模型- a. 鏡面散射模型,可采用正切平面近似法來(lái)計(jì)算0（具體可采用物理光學(xué)和幾何光學(xué)法） 。,是x方向斜率和y方向斜率的聯(lián)合概率密度函數(shù)，與風(fēng)向、波浪在逆風(fēng)和測(cè)風(fēng)方向的均方根斜率有關(guān)，具體計(jì)算方法可參考p60-61。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,（4）雷達(dá)波的海面散射模

29、型- b. Bragg共振模型,首先將隨機(jī)表面分解成一系列傅立葉分量譜分量，然后假設(shè)后向散射回波主要由這些分量表面造成，它們構(gòu)成了入射波的Bragg諧振 。 滿足條件： 即兩個(gè)連續(xù)波峰回波信號(hào)的相位差為360度，產(chǎn)生Bragg共振。,為海上波浪的波長(zhǎng)。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,（4）雷達(dá)波的海面散射模型- b. Bragg共振模型,一階近似條件下的后向散射系數(shù)具體計(jì)算過(guò)程（Wright）p62：,Ke為雷達(dá)波數(shù),2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,（4）雷達(dá)波的海面散射模型- c.二尺度模型

30、,二尺度粗糙表面：小的不規(guī)則的短波長(zhǎng)波紋疊加在較長(zhǎng)、較大的波浪上（即大起伏波浪） 。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,（4）雷達(dá)波的海面散射模型- c.二尺度模型,計(jì)算方法1：小區(qū)域的Bragg散射利用局部的小波浪場(chǎng)和表面的局部定向進(jìn)行計(jì)算；再根據(jù)表面斜率的概率密度分布函數(shù)，計(jì)算散射在整個(gè)區(qū)域上的積分。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,3. 微波波段的相互作用機(jī)制,（4）雷達(dá)波的海面散射模型- c.二尺度模型,計(jì)算方法2：對(duì)二尺度模型進(jìn)行分解，即總的雷達(dá)散射截面由傾斜的Bragg散射貢獻(xiàn)和鏡面散射貢獻(xiàn)組成。此時(shí)，根據(jù)入射角度

31、的大小，即可判斷哪種模型起主導(dǎo)作用。具體見(jiàn)教材p64。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,. 總結(jié),可見(jiàn)光與近紅外（反射）波段的相互作用機(jī)制 （1）理解并掌握反射波段的水氣輻射傳輸模型，通過(guò)模型了解離水輻射率的重要性； （2）理解海洋輻照度模型； （3）了解并掌握實(shí)際應(yīng)用中采用近紅外波段進(jìn)行大氣校正的方法過(guò)程。,2020/9/4,2.2 電磁波與海水相互作用機(jī)制,. 總結(jié),熱紅外（輻射）波段的相互作用機(jī)制 （1）了解并掌握輻射波段的水氣輻射傳輸模型； （2）了解大氣對(duì)熱紅外輻射傳輸?shù)挠绊懞突趫D像的大氣校正方法； （3）了解對(duì)海表溫度產(chǎn)生影響的因素。,2020/9/4,2.2

32、 電磁波與海水相互作用機(jī)制,. 總結(jié),微波波段的相互作用機(jī)制 （1）掌握幾個(gè)重要的概念； （2）理解（被動(dòng)）微波波段的水氣輻射傳輸模型，并了解微分散射系數(shù)（單一表面和組合表面）的計(jì)算。 （3）了解雷達(dá)波的海面散射模型（鏡面散射模型、Bragg共振散射模型和二尺度模型。,2020/9/4,2.3 海洋水體波譜特征,海水的光學(xué)特性有：表觀光學(xué)性質(zhì)和固有光學(xué)性質(zhì)。 表觀光學(xué)性質(zhì)由光場(chǎng)和水中的成分而定，而固有光學(xué)性質(zhì)與光場(chǎng)無(wú)關(guān)，只與水中成分分布及其光學(xué)特性有關(guān)。 表征海水表觀光學(xué)性質(zhì)的表觀光學(xué)量包括：向下輻照度、向上輻照度、輻亮度、離水輻亮度、遙感反射率、輻照度比等，以及這些量的衰減系數(shù)。 表征海水固

33、有光學(xué)性質(zhì)的固有光學(xué)量包括：吸收系數(shù)；散射系數(shù)；體積散射函數(shù)等。,2020/9/4,2.3 海洋水體波譜特征,1. 正常海水的反射波譜特征,正常海水的反射光譜曲線,2020/9/4,2.3 海洋水體波譜特征,1.正常海水的反射波譜特征,對(duì)于清潔的海水樣本，即低TSS和低葉綠素a，而且低浮游植物生物量，則遙感反射率光譜曲線僅有1個(gè)位于560nm左右的反射峰，該反射峰坐落在綠光區(qū)域。,2020/9/4,2.3 海洋水體波譜特征,1.不同因素對(duì)海水反射波譜特征的影響-TSS,當(dāng)TSS 濃度增加，葉綠素a濃度仍保持低水平時(shí)，光譜曲線的形狀是一致的，但是遙感反射率在紅光和近紅外區(qū)域有所增加。,2020/

34、9/4,2.3 海洋水體波譜特征,對(duì)于葉綠素a濃度高的水體，位于560nm的反射峰變窄，但在667nm處產(chǎn)生吸收峰，而且吸收深度隨葉綠素濃度的增加而遞增。,2.不同因素對(duì)海水反射波譜特征的影響-葉綠素a,2020/9/4,2.3 海洋水體波譜特征,2.不同因素對(duì)海水反射波譜特征的影響-葉綠素,2020/9/4,2.3 海洋水體波譜特征,3.不同因素對(duì)海水反射波譜特征的影響-懸浮泥沙,2020/9/4,2.3 海洋水體波譜特征,3.不同因素對(duì)海水反射波譜特征的影響-懸浮泥沙,2020/9/4,2.3 海洋水體波譜特征,歸一化的高光譜反射率,4.不同因素對(duì)海水反射波譜特征的影響-赤潮,兩條曲線形狀的根本不同在于赤潮水體的光譜曲線在700nm左右存在反射峰。,2020/9/4,2.3 海洋水體波譜特征,5.不同因素對(duì)海水反射波譜特征