第四章海洋表面溫度遙感-海洋遙感

1、海洋遙感處理軟件海洋遙感處理軟件第四章第四章 海洋表面溫度遙感海洋表面溫度遙感u 概述概述u 微波輻射計海表溫度反演微波輻射計海表溫度反演u 熱紅外輻射計海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演4.1 概述概述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。幾乎所有的海洋動力過程都直接非常重要的基礎(chǔ)信息。幾乎所有的海洋動力過程都直接或間接與之有關(guān)?；蜷g接與之有關(guān)。 海表溫度被廣泛用于海洋動力學(xué)、海氣相互作用、海表溫度被廣泛用于海洋動力學(xué)、海氣相互作用、漁業(yè)經(jīng)濟(jì)研究、污染監(jiān)測和海溫預(yù)報等方面。漁業(yè)經(jīng)濟(jì)研究、污染監(jiān)測和海

2、溫預(yù)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。等）的重要參量。海表溫度用于尋找漁場海表溫度用于尋找漁場電廠熱水排放后的溫度分布電廠熱水排放后的溫度分布4.1 概述概述2.海表溫度的測量方法 現(xiàn)場船只測量（結(jié)合固定或移動浮標(biāo)）現(xiàn)場船只測量（結(jié)合固定或移動浮標(biāo)） 航空或衛(wèi)星遙感測量航空或衛(wèi)星遙感測量 - 優(yōu)勢較大，而且其精度已達(dá)業(yè)務(wù)化應(yīng)用水平優(yōu)勢較大，而且其精度已達(dá)業(yè)務(wù)化應(yīng)用水平; - 分為被動微波波段測量和熱紅外波段測量；分為被動微波波段測量和熱紅外波段測量；4.1 概述概述.微波和熱紅外波段海溫測量的優(yōu)缺點比較方法微波輻

3、射計測量熱紅外輻射計測量優(yōu)點 可全天時、全天可全天時、全天候進(jìn)行，受云影響候進(jìn)行，受云影響較小，大氣校正相較小，大氣校正相對容易；對容易； 分辨率較高，技術(shù)分辨率較高，技術(shù)發(fā)展成熟（已達(dá)業(yè)務(wù)發(fā)展成熟（已達(dá)業(yè)務(wù)化運行程度）；化運行程度）；缺點 測量精度與分辨測量精度與分辨率較低，對表面粗率較低，對表面粗糙度和降雨敏感；糙度和降雨敏感； 在無云區(qū)進(jìn)行，需在無云區(qū)進(jìn)行，需進(jìn)行精確的大氣校正。進(jìn)行精確的大氣校正。4.2 微波輻射計海表溫度反演微波輻射計海表溫度反演1.測量的原理基礎(chǔ)（1 1）海洋中各種參數(shù)的適合觀測頻段）海洋中各種參數(shù)的適合觀測頻段海表溫度：海表溫度：7GHz7GHz附近；附近；水汽影

4、響：水汽影響：21GHz21GHz附近；附近；粗糙度影響：粗糙度影響：11GHz11GHz附近；附近；降雨影響：降雨影響：18GHz18GHz附近；附近；云影響：云影響：37GHz37GHz附近附近4.2 微波輻射計海表溫度反演微波輻射計海表溫度反演1.測量的原理基礎(chǔ)（2 2）瑞利金斯公式與應(yīng)用）瑞利金斯公式與應(yīng)用特定波長處的輻射度：22)(kTTBfkTBb22)(某波段的輻射度：海表的發(fā)射率：sBiiTTe),(),(與極化方式、方向和頻率有關(guān)fkTBBii2),(),(由黑體的極化輻亮度可知，海表的極化輻亮度：Tb=e*Ts4.2 微波輻射計海表溫度反演微波輻射計海表溫度反演2.微波輻射

5、計海溫測量的原理（1 1）微波輻射計測量的亮度溫度）微波輻射計測量的亮度溫度TaTaSensorT0 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。0)1 (TTTaAAPATTTTa, 0區(qū)分幾個參數(shù)的不同意義4.2 微波輻射計海表溫度反演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 2）對微波輻射計測量結(jié)果產(chǎn)生影響的量及其計算）對微波輻射計測量結(jié)果產(chǎn)生影響的量及其計算 天線的視在溫度天線的視在溫度T TAPAP 也稱為表觀溫度，表示也稱為表觀溫度，表示入射到天線上的能量，不入射到天線上的能量，不僅包括地物的輻射，而且僅包括地物的輻射，而且包括大氣的影響。應(yīng)包括

6、包括大氣的影響。應(yīng)包括主瓣和旁瓣的貢獻(xiàn)之和。主瓣和旁瓣的貢獻(xiàn)之和。uskydsAPTTtetTeetTT2)1 ()1 (eTt傳感器大氣skyTdTuTsT海表4.2 微波輻射計海表溫度反演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 2）對微波輻射計測量結(jié)果產(chǎn)生影響的量及其計算）對微波輻射計測量結(jié)果產(chǎn)生影響的量及其計算SLmMLmATaTaT)1 ( 天線的亮度溫度天線的亮度溫度T TA A天線主瓣效率 即天線的輻射測量溫度，應(yīng)表示為主瓣貢獻(xiàn)的即天線的輻射測量溫度，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。有效視在溫度與旁瓣貢獻(xiàn)的有效視在溫度之和。4444)()

7、()()(dGdGTTdGdGTTnnsAPSLnnmAPML（3 3）微波輻射計測量計算過程）微波輻射計測量計算過程正演過程反演過程4.2 微波輻射計海表溫度反演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(yīng)用 從以上可知，微波輻射計測量海面溫度對技術(shù)要求從以上可知，微波輻射計測量海面溫度對技術(shù)要求較高，目前尚不能達(dá)到業(yè)務(wù)化應(yīng)用的要求。較高，目前尚不能達(dá)到業(yè)務(wù)化應(yīng)用的要求。 在實際應(yīng)用中，有學(xué)者利用統(tǒng)計方法得到了一些初在實際應(yīng)用中，有學(xué)者利用統(tǒng)計方法得到了一些初步結(jié)果。如采用下面模型，對于神州步結(jié)果。如采用下面模型，對于神州4 4號微波輻射計，建號微波輻射計，建立了如下模型。立了如下模

8、型。4.3 熱紅外輻射計海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演1.反演原理 TIRTIR波段水氣輻射傳輸模型波段水氣輻射傳輸模型, eLtasunasLttLtLeteLL)1 (傳感器探測到的輻射為：傳感器探測到的輻射為：太陽傳感器大氣海表sunLaLaL)(ssTBLasLtLLe1簡化.寬通道光譜響應(yīng)函數(shù)的考慮dRLLi)()(21nniRLRL)()()(（1 1）（2 2）4.3 熱紅外輻射計海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演2.反演方法a.a.單通道直接反演方法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

9、廓線），采用一定的大氣模式，計算得濕度和溫度垂直廓線），采用一定的大氣模式，計算得到有關(guān)的大氣參數(shù)。但精確的實測大氣垂直廓線比較困到有關(guān)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(yīng)用較少。難，因此該方法在實際中應(yīng)用較少。asLtLL4.3 熱紅外輻射計海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演2.反演方法b.b.單通道統(tǒng)計方法單通道統(tǒng)計方法 基本思想：從水基本思想：從水- -氣輻射傳輸方程出發(fā)，考慮大氣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)。溫度的經(jīng)

10、驗公式，通過同步實測資料回歸經(jīng)驗系數(shù)。b.b.單通道統(tǒng)計方法單通道統(tǒng)計方法- -舉例舉例GMSNOAA(5)4.3 熱紅外輻射計海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演2.反演方法c.c.分裂窗反演方法（）分裂窗反演方法（） 基本思想：根據(jù)大氣對不同分裂窗波段（如基本思想：根據(jù)大氣對不同分裂窗波段（如10.5-10.5-11.5um11.5um，11.5-12.5um11.5-12.5um）電磁輻射的影響不同，采用不）電磁輻射的影響不同，采用不同波段測量結(jié)果的組合關(guān)系來消除大氣的影響，從而得同波段測量結(jié)果的組合關(guān)系來消除大氣的影響，從而得到海表溫度。由到海表溫度。由McMillin1975McMi

11、llin1975年最早提出該法，其依據(jù)年最早提出該法，其依據(jù)是是AVHRRAVHRR在第在第4 4和和5 5相鄰?fù)ǖ纼?nèi)具有不同的吸收特性。相鄰?fù)ǖ纼?nèi)具有不同的吸收特性。 c.c.分裂窗反演方法（）原理分裂窗反演方法（）原理asLtLL用用TaylorTaylor級數(shù)展開級數(shù)展開PlanckPlanck函數(shù)：函數(shù)：)1(tTTTTsas555444bkTTbkTTss,1asiiiiTTwbwkt考慮水氣的吸收考慮水氣的吸收k k和和路徑長度路徑長度w w：常數(shù)5454kkTTTTssaT為大氣的加權(quán)平均氣溫4.3 熱紅外輻射計海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演2.反演方法d.d.多通道統(tǒng)計模

12、型法（）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(jìn)行溫基本思想：采用多個通道之間的統(tǒng)計模型來進(jìn)行溫度反演。度反演。 注意：統(tǒng)計模型中的雙通道如果為分裂窗波段，則注意：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。該模型也可歸屬為分裂窗模型的范疇。常用多通道分裂窗模型（）常用多通道分裂窗模型（）NOAA非線性回歸法非線性回歸法NLSST（分裂窗方法分裂窗方法）：）：NOAA多通道法多通道法MCSST（分裂窗方法分裂窗方法）：）：常用多通道分裂窗模型（）常用多通道分裂窗模型（）-NOAA雙雙通通道道方方法法常用多通道分裂窗模型常用多通道分裂窗模型三通道

13、方法三通道方法常用多通道分裂窗模型（）常用多通道分裂窗模型（）MODISMODIS “邁阿密探路人邁阿密探路人”海表溫度算法海表溫度算法MPSSTMPSST：常用多通道分裂窗模型（）常用多通道分裂窗模型（）MODISMODIS 利用利用2222和和2323通道來進(jìn)行反演：通道來進(jìn)行反演： 這個方程只有一組系數(shù)。這個方程只有一組系數(shù)。 對對TERRA TERRA 衛(wèi)星上的衛(wèi)星上的MODISMODIS，C1C1、C2C2、C3C3和和C4 C4 分別為分別為-0.065-0.065，1.0341.034，0.723 0.723 和和0.9720.972。 針對我國海區(qū)的特點，可以利用浮標(biāo)、海上臺站

14、和船舶常規(guī)針對我國海區(qū)的特點，可以利用浮標(biāo)、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(jìn)行回歸，得到適合我國海區(qū)的監(jiān)測數(shù)據(jù)對上述公式系數(shù)進(jìn)行回歸，得到適合我國海區(qū)的MODIS MODIS 海溫反演算法。海溫反演算法。4.3 熱紅外輻射計海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演2.反演方法e.e.多角度反演方法多角度反演方法 基本思想：不同角度觀測目標(biāo)，所經(jīng)過的大氣吸收基本思想：不同角度觀測目標(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消除大氣的影響。紅外輻射的差異來消除大氣的影響。21021020/)()/ )(

15、1 (/)(aaaTTPaaaaaTTTTAfAnnfnnS ATSR采用錐形掃描技術(shù)可對同一地點從不同角度（采用錐形掃描技術(shù)可對同一地點從不同角度（0和和55）測量兩次，從而可利用多通道、多角度來提高大氣校正）測量兩次，從而可利用多通道、多角度來提高大氣校正精度。精度。4.3 熱紅外輻射計海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演2.反演方法f.f.多角度與多通道結(jié)合的反演方法多角度與多通道結(jié)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。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，使方法模型參數(shù)的

16、不確定性和難以計算性，使方法e e和和f f實際應(yīng)用較少。實際應(yīng)用較少。 4.3 熱紅外輻射計海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演3.反演過程幾何定位（投影處理）水陸分離4.3 熱紅外輻射計海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演3.反演過程（1 1）數(shù)據(jù)幾何與輻射預(yù)處理）數(shù)據(jù)幾何與輻射預(yù)處理 輻射定標(biāo)輻射定標(biāo) 熱紅外通道亮溫的計算熱紅外通道亮溫的計算a. a. 幾何預(yù)處理幾何預(yù)處理b. b. 輻射預(yù)處理輻射預(yù)處理 幾何投影幾何投影 幾何精校正幾何精校正 圖像鑲嵌圖像鑲嵌h地心Ore衛(wèi)星位置SABii+1掃描角與地心角之間的關(guān)系示意圖計算每條掃描線的地面距離計算每條掃描線的像元數(shù)目 新定位點在原掃

17、描線的位置 象素重采樣 掃描行展寬處理流程v 行分辨率歸一化（掃描行展寬）行分辨率歸一化（掃描行展寬） 幾何預(yù)處理幾何預(yù)處理- 極軌氣象衛(wèi)星為例極軌氣象衛(wèi)星為例v 行分辨率歸一化（掃描行展寬）行分辨率歸一化（掃描行展寬） 結(jié)果示例結(jié)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(yù)處理幾何預(yù)處理- 極軌氣象衛(wèi)星為例極軌氣象衛(wèi)星為例v 幾何投影變換粗校正幾何投影變換粗校正生成標(biāo)準(zhǔn)高斯平面網(wǎng)格生成標(biāo)準(zhǔn)高斯平面網(wǎng)格像元定位像元定位 象素重采樣象素重采樣投影變換幾何粗校正前后的圖像對比投影變換幾何粗校正前后的圖像對比 結(jié)果示例結(jié)果示例2005年4月7日8點獲取的FY1D圖

18、像 幾何預(yù)處理幾何預(yù)處理- 極軌氣象衛(wèi)星為例極軌氣象衛(wèi)星為例v 平移精校正平移精校正在定位準(zhǔn)確的圖像上確定一個窗口模板（在定位準(zhǔn)確的圖像上確定一個窗口模板（要求要求）；）；在待校正圖像上，以窗口模板的位置為中心，在一在待校正圖像上，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(guān)性最大的定范圍內(nèi)滑動窗口，找出與模板窗口相關(guān)性最大的窗口位置；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。關(guān)系定位。 幾何預(yù)處理幾何預(yù)處理- 極軌氣象衛(wèi)星為例極軌氣象衛(wèi)星為例v 平移精校正平移精校正幾何精校正前后的圖像對比 （50透明度疊

19、加）與地理底圖匹配結(jié)果示例結(jié)果示例以2005年4月7日8點獲取的FY1D圖像作為標(biāo)準(zhǔn)，校正4月8日10點獲取的NOAA-17圖像。 幾何預(yù)處理幾何預(yù)處理- 極軌氣象衛(wèi)星為例極軌氣象衛(wèi)星為例4.3 熱紅外輻射計海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演3.反演過程（2 2）云檢測方法）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(shè)定合理閾值，可進(jìn)行云的檢測。兩個波段設(shè)定合理閾值，可進(jìn)行云的檢測。 利用可見光波段除了可以檢測出部分高云

20、外，還可以檢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。較低的中、高云。 a. a. 單通道閾值法單通道閾值法4.3 熱紅外輻射計海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演3.反演過程a. a. 單通道閾值法單通道閾值法- -示例示例By visual band by TIR band by visual and TIR4.3 熱紅外輻射計海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演3.反演過程b. b. 多通道聯(lián)合方法多通道聯(lián)合方法（2 2）云檢測方法）云檢測方法4.3 熱紅外輻射計

21、海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演3.反演過程（2 2）云檢測方法）云檢測方法 利用熱紅外波段直方圖統(tǒng)計的結(jié)果判斷：若一高利用熱紅外波段直方圖統(tǒng)計的結(jié)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。高溫峰，則無云；若只有低溫峰，則全為云覆蓋。 c. c. 直方圖統(tǒng)計法直方圖統(tǒng)計法4.3 熱紅外輻射計海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演3.反演過程（2 2）云檢測方法）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利用常年的海面溫度平均值與每個像元點的溫度值進(jìn)行比較，當(dāng)探測值大于常年平

22、均值時，就認(rèn)為是值進(jìn)行比較，當(dāng)探測值大于常年平均值時，就認(rèn)為是晴空，否則認(rèn)為有云影響。晴空，否則認(rèn)為有云影響。 具體應(yīng)用時，應(yīng)對常年平均值進(jìn)行調(diào)整。具體應(yīng)用時，應(yīng)對常年平均值進(jìn)行調(diào)整。 d. d. 常年平均海平面溫度截斷法常年平均海平面溫度截斷法4.3 熱紅外輻射計海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演3.反演過程（2 2）云檢測方法）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(jìn)行根據(jù)云的動態(tài)變化特點，將多幅序列的圖像進(jìn)行綜合分析比較，檢測出云。該方法還常用于云區(qū)的替綜合分析比較，檢測出云。該方法還常用于云區(qū)的替補處理。補處理。 e. e. 時間序列分析法時間序列分析法4.3 熱紅外輻射計海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演3.反演過程（3 3）云替補方法）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(jìn)行不同軌道和不同時相的云替補工作?，F(xiàn)象，需進(jìn)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)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)模替補方方法；數(shù)