《海洋科學導論》第十五章 衛(wèi)星海洋遙感

1、第十五章 衛(wèi)星海洋遙感D.Zhao,OUC1什么叫海洋遙感？海洋遙感就是通過非接觸方式獲取海洋表面信息的科學。D.Zhao,OUC2衛(wèi)星海洋遙感及空間海洋觀測史1957年，蘇聯發(fā)射第一顆衛(wèi)星1960年，美國宇航局(NASA)發(fā)射TIROS-I紅外衛(wèi)星1970年， TIROS改進型72-76年，NOAA-1,2,3,4,5紅外和微波輻射衛(wèi)星，測量海表溫度、大氣溫度、濕度剖面1975年，GEOS-3衛(wèi)星高度計1978年NASA發(fā)射了三顆衛(wèi)星，噴氣動力實驗室（JPL） 研制的Seasat, Goddard空間飛行中心（GSFC）研制的TIROS-N和Nimbus-7衛(wèi)星D.Zhao,OUC3衛(wèi)星遙感

2、歷史SeasatA衛(wèi)星：裝載了微波輻射計SMMR、微波高度計RA、微波散射計SASS、合成孔徑雷達SAR、可見紅外輻射計VIRR5種傳感器提供的海洋信息：SST、海面高度、海面風場、海浪、海冰、海底地形、風暴潮、水汽和降雨等。壽命108天，被稱為衛(wèi)星海洋遙感的里程碑。 TIROS-N上裝載了AVHRR(高級甚高分辨率輻射計)和TIROS業(yè)務化垂直探測器TOVS.奠定了衛(wèi)星海表溫度進入氣象、海洋業(yè)務化預報的基礎。Nimbus-7裝載了7臺傳感器，其中多通道掃描微波輻射計SMMR和沿岸帶海色掃描儀CZCS與海洋觀測有關，奠定了海色衛(wèi)星遙感的基礎。1978-86CZCS提供了8年的全球海色圖像以及海

3、洋次表層葉綠素濃度參數。D.Zhao,OUC4衛(wèi)星遙感觀測系統(tǒng)組成空間平臺：裝載傳感器的空間運載工具，包括人造衛(wèi)星、宇宙飛船、天空實驗室；衛(wèi)星傳感器：根據電磁輻射原理獲取海洋信息。數據傳輸系統(tǒng)：星載傳感器通常產生測量電壓或頻率信號，大部分以數字信號形式傳輸到地面接收站。地面接收站：數據處理系統(tǒng)：對衛(wèi)星軌道和儀器校正。數據分發(fā)系統(tǒng)：行政性組織機構，將數據分到科學家手里。D.Zhao,OUC5衛(wèi)星軌道 兩種：靜止軌道和極軌軌道。靜止軌道：地球同步軌道。離地面高度36000km，覆蓋范圍固定（事先設定），一般觀測范圍小于45。對某地掃描時間間隔短，可認為時間連續(xù)。傳感器主要是被動式。分辨率低，主要為

4、氣象服務。D.Zhao,OUC6極軌軌道衛(wèi)星極軌軌道：與太陽同步軌道，跨越南北兩極繞地球運動。每次過某個地方時間固定，一天兩次。離地面高度6001000km，可變軌（在軌機動），技術上一段時間進行軌道修正。運行周期100分鐘左右。其相鄰軌道間隔由軌道傾角和軌道高度決定，在赤道上存在某些空白區(qū)，觀測范圍基本覆蓋全球。海洋衛(wèi)星基本采用極軌軌道D.Zhao,OUC7傳感器原理及海洋參數反演 目前用于海洋觀測的所有衛(wèi)星傳感器，均根據電磁輻射原理獲取海洋信息。遙感技術采用的電磁波包括可見光、紅外、微波?？梢姽庾V范圍在0.40.7m，紅外波譜在1100m，微波光譜在1.8cm6m 。傳感器按工作方式分為主

5、動式和被動式。被動式：可見、紅外掃描輻射計，微波輻射計。主動式：如微波高度計（垂直下視）、微波散射計（側視）、合成孔徑雷達（側視合成）等。一般采用微波波段作為其工作頻率D.Zhao,OUC8衛(wèi)星傳感器紅外傳感器：海表溫度海色傳感器：葉綠素、懸浮物、初級生產力、漫射衰減系數微波輻射計：海面溫度、海面風速、水汽含量、降雨微波高度計：海面高度、大地水準面、有效波高、 海面風速、表面流、重力異常、 降雨指數微波散射計：海面風場合成孔徑雷達：波浪方向譜、中尺度渦、 海洋內波、淺海地形、海面污染D.Zhao,OUC9衛(wèi)星遙感對海洋科學研究的意義 大面積同步觀測 長期監(jiān)測 實時或準實時性 彌補現場觀測的盲區(qū)

6、D.Zhao,OUC10紅外傳感器測海表溫度利用海面熱紅外輻射提取海表溫度（SST）SST分為海表皮溫和海表體溫，前者指海表微米量級海水層的溫度，后者指海表0.51.0 m海水層的溫度輻射計工作原理（普朗克函數）D.Zhao,OUC11海表溫度遙感地球表面平均溫度為300K左右，黑體輻射峰值波長在814mD.Zhao,OUC波長（m）12海表溫度遙感D.Zhao,OUC在紅外譜段，大氣存在兩個窗口，即35m和813m圖中，7 mm、29 mm、54mm總可降水量（total precipitable water）分別對應極地、中緯度、熱帶?？梢?，熱帶大氣透射率最低紅外輻射計的光譜通道設在3.7

7、m、11m、12m13紅外傳感器測海表溫度衛(wèi)星海表溫度反演衛(wèi)星海表溫度的應用水文狀況：海-氣熱交換和氣體交換速率漁業(yè)污染D.Zhao,OUC 讀帶 CCTIB 輻射量 定標 幾何校正 云檢測 SST 反演 海表 溫度 14海色衛(wèi)星遙感利用星載可見光、紅外掃描輻射計接收海面向上光譜輻射I 類水域：以浮游植物及其伴生物為主， 海水呈深藍色，大洋水域II 類水域：含有較高的懸浮物、葉綠素和DOM 及營養(yǎng)物質，近岸水域CZCS和SeaWiFS海色傳感器 433453nm 葉綠素 510530nm 葉綠素 540560nm 懸移質、DOM 660680nm 葉綠素、大氣校正 700800nm 地面植被

8、10.512.5m 海表溫度 D.Zhao,OUC15海色反演原理輻射量定標 海色傳感器輸出的計數值并非真正意義上的物理量，必須利用標準源將計數值換算成輻亮度，這一過程叫做輻射量定標大氣校正 消除大氣吸收和散射的影響，獲取海面向上光譜輻亮度生物光學反演 由海面向上光譜輻亮度反演海中葉綠素濃度、懸移質、CDOM濃度的方法D.Zhao,OUC16海色衛(wèi)星遙感資料的應用海洋初級生產力與海洋漁業(yè)海洋通量和固碳能力海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測：赤潮河口海岸帶泥沙濃度及其運移D.Zhao,OUC17微波輻射計測海面風場微波輻射計相對于可見光和紅外傳感器，可以穿透云層，具有全天候的特點微波輻射計可以觀測到海面亮溫,一般

9、而言，低波段的亮溫信號受降雨影響小，可用于反演高海況下的風場利用海面粗糙度與海面亮溫之間的相關性來反演風場微波輻射計可測量大氣層溫度和濕度、海表溫度和土壤濕度等Aqua/AMSR-E; GCOM-W1/AMSR2D.Zhao,OUC18D.Zhao,OUC19衛(wèi)星高度計開始于1969年的“固體地球和海洋物理大會”的衛(wèi)星測高研究計劃搭載高度計的衛(wèi)星有美國的Skylab(1973)、Geos-3(1975)、Seasat（1978）、Geosat（1985）歐洲空間局的ERS-1(1991)、ERS-2(1992)、Envisat (2002)美、法合作的TOPEX/Poseidon(1992)、

10、Jason-1（2001）、Jason-2（2008）、Jasson-3(2016)中國的HY-2（2011）D.Zhao,OUC20關于海平面高度的概念參考橢球面 由于萬有引力和慣性離心力的作用，在靜止大氣層覆蓋下的水體表面，可近似視為一個長軸在赤道方向的橢球體，其幾何形狀由半長軸和偏心率兩個參數確定。 參考橢球面可作為實際海面的零級近似大地水準面 地球上重力位勢相等的各點構成的等勢面，與平均海平面最為接近的等勢面稱為大地水準面。 大地水準面可作為實際海面的一級近似大地水準面與參考橢球面上對應點的重力之差稱為該點的重力異常瞬時海平面 瞬時海平面即某一時刻的實際海面。除地球重力場外，還受到海流

11、、海浪、潮汐、降水、融冰、氣壓等海洋和大氣過程影響。D.Zhao,OUC21關于海平面高度的概念平均海平面 衛(wèi)星高度計測得的瞬時海面經過海洋潮高、固體潮高和有效波高修正之后，得到所謂平均海平面 在海洋學中，平均海平面定義為18.67年天文周期中每小時潮高值的算術平均值。實際應用時存在困難 實際應用中，通常選定沿岸某個驗潮站的平均海平面作為全國的平均海平面基準海面動力學高度 將平均海平面相對于大地水準面的偏離，稱為海面動力高度，其范圍一般在1.5m以內大地水準面起伏 大地水準面相對于參考橢球面的偏離，其范圍一般在100m以內海平面起伏 瞬時海平面相對于大地水準面的偏離，其范圍一般在10m以內D.

12、Zhao,OUC22SWOT (Surface water and ocean topography)高度計Jason-2于2008年發(fā)射，目前在軌，已超過其復議期限Jassen-3于2016年1月發(fā)射美法聯合開發(fā)SWOT，預計2020年發(fā)射。之前的高度計僅能分辨中尺度過程，SWOT的目的是要提高分辨率到亞中尺度的水平D.Zhao,OUC23衛(wèi)星高度計的測量原理測量原理 入射角小于20時為鏡面反射由高度計得到的觀測量海面高度有效波高海上風速衛(wèi)星高度計的應用由動力高度得到大洋環(huán)流厄爾尼諾監(jiān)測海洋潮汐中尺度海洋現象：計算渦動動能大地水準面與重力異常D.Zhao,OUC24微波散射計散射計的測量原理

13、 散射計信號的入射角大于20，海水表面波波長與入射波長可以比擬，回波散射主要是Bragg散射何為Bragg反射？如果入射雷達波長e、入射角與海面波長滿足如下關系時，反射波發(fā)生相干現象，會形成回波波峰為何高度計不發(fā)生Bragg反射？ D.Zhao,OUC25微波散射計散射計風場反演 經驗方法，可以得到風速和風向微波輻射計測風的原理 基于海面微波輻射率與海面粗糙度之間的相關，海面粗糙度增大，海面輻射率增加，極化特性變弱D.Zhao,OUC26European Remote Sensing Satellites (ERS)-散射計Spatial resolution =45 km (along an

14、d across track)Swath width =500 kmSwath stand-off 200 km to right of sub-satellite trackLocalisation accuracy+-5 km (along and across track)Wind direction range/accuracy 0 - 360deg. / +-20deg.Wind speed range/accuracy 4 m/s - 24 m/s / 2 m/s or 10 %D.Zhao,OUC27衛(wèi)星散射計衛(wèi)星風場資料的應用臺風與熱帶氣旋海洋環(huán)境數值預報D.Zhao,OUC2

15、8星載合成孔徑雷達（SAR）1978年，美國發(fā)射Seasat-A1991年，歐空局發(fā)射ERS-11992年，日本發(fā)射JERS-11995年，歐空局發(fā)射ERS-21995年，加拿大發(fā)射RADARSAT-1，2007年發(fā)射RADARSAT-2和RADARSATConstellation2003年，歐空局發(fā)射Envisat-ASAR2006年，日本發(fā)射ALOS-PALSAR2007年，德國發(fā)射TerraSAR-X2010年，德國發(fā)射TanDEM-XD.Zhao,OUC29星載合成孔徑雷達SAR成像原理 合成孔徑的概念（散射計的組合）D.Zhao,OUC30European Remote Sensin

16、g Satellites (ERS)-SAR Spatial resolution: along track =30m across-track =26.3 mSwath width: 102.5 km (telemetered) 80.4 km (full performance)Incidence angle: near swath 20.1deg. mid swath 23deg. far swath 25.9degFrequency: 5.3 GHz (C-band) Wave length:5.6 cm Bandwidth:15.55+-0.1 MHz Polarization:VV

17、D.Zhao,OUC31SAR拍攝的美國國會大廈D.Zhao,OUC32星載合成孔徑雷達應用利用SAR不同極化的雷達后向反射系數，通過地球物理函數模型來反演風場為確定風向的模糊性，一般需要其它觀測數據來配合完成反演D.Zhao,OUC33星載合成孔徑雷達應用SAR圖像反演海浪 SAR通過雷達波與海面短重力波發(fā)生Bragg共振對海浪進行成像，從而獲取海浪方向譜SAR反演海浪的兩類方法1. 線性調制傳遞函數（MTF）反演方法假定SAR譜與海浪譜之間滿足以系統(tǒng)成像傳遞函數為系數的線性關系，無法識別180模糊問題2. MPI非線性反演方法Hasselmann(1991)提出SAR圖像反演海浪方向譜的非

18、線性映射關系，通過引入第一猜測海浪譜和遞歸算法進行逼近，最終得到海浪方向譜。之后又提出半參數化方法，可擺脫對第一初猜譜的限制D.Zhao,OUC34SAR圖像反演海浪方向譜的方法1. 線性調制傳遞函數（MTF）反演方法 假定SAR譜與海浪譜之間滿足以系統(tǒng)成像傳遞函數為系數的線性關系，無法識別180模糊問題2. Hasselmann非線性反演方法 Hasselmann(1991)提出SAR圖像反演海浪方向譜的非線性映射關系，通過引入第一猜測海浪譜和遞歸算法進行逼近，最終得到海浪方向譜D.Zhao,OUC35星載合成孔徑雷達應用SAR圖像反演內波 海洋內波可以引起海水表面的輻聚或輻散，使海面粗糙度增加或降低，在SAR圖像上形成亮或暗的區(qū)域SAR圖像反演海底地形 潮流與淺海地形的相互作用影響表面流速分布，進而影響海面粗糙度和SAR圖像海洋污染監(jiān)測 海面受到污染時，海面會變得更為光滑D.Zhao,OUC36我國的海洋衛(wèi)星遙感2002年5月15日，發(fā)射我國第一顆海洋衛(wèi)星-海洋1號A，是海洋水色衛(wèi)星，裝載有十波段海洋水色掃描儀和四