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

概述微波輻射計海表溫度反演熱紅外輻射計海表溫度反演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)境非常重要的基礎信息。幾乎所有的海洋動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力學、海氣相互作用、漁業(yè)經(jīng)濟研究、污染監(jiān)測和海溫預報等方面。另外，海表溫度也是監(jiān)測海洋現(xiàn)象（如海冰、渦流等）的重要參量。2023/2/2海表溫度用于尋找漁場2023/2/2電廠熱水排放后的溫度分布2023/2/24.1概述2.海表溫度的測量方法

現(xiàn)場船只測量（結(jié)合固定或移動浮標）航空或衛(wèi)星遙感測量

-優(yōu)勢較大，而且其精度已達業(yè)務化應用水平;-分為被動微波波段測量和熱紅外波段測量；2023/2/24.1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射計測量熱紅外輻射計測量優(yōu)點

可全天時、全天候進行，受云影響較小，大氣校正相對容易；

分辨率較高，技術(shù)發(fā)展成熟（已達業(yè)務化運行程度）；缺點

測量精度與分辨率較低，對表面粗糙度和降雨敏感；

在無云區(qū)進行，需進行精確的大氣校正。2023/2/24.2微波輻射計海表溫度反演1.測量的原理基礎（1）海洋中各種參數(shù)的適合觀測頻段海表溫度：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微波輻射計海表溫度反演1.測量的原理基礎（2）瑞利－金斯公式與應用特定波長處的輻射度：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微波輻射計海表溫度反演2.微波輻射計海溫測量的原理（1）微波輻射計測量的亮度溫度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)分幾個參數(shù)的不同意義2023/2/24.2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）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。應包括主瓣和旁瓣的貢獻之和。傳感器大氣海表2023/2/24.2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）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亮度溫度TA天線主瓣效率

即天線的輻射測量溫度，應表示為主瓣貢獻的有效視在溫度與旁瓣貢獻的有效視在溫度之和。2023/2/2（3）微波輻射計測量計算過程正演過程反演過程2023/2/24.2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用

從以上可知，微波輻射計測量海面溫度對技術(shù)要求較高，目前尚不能達到業(yè)務化應用的要求。

在實際應用中，有學者利用統(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4號微波輻射計，建立了如下模型。2023/2/24.3熱紅外輻射計海表溫度反演1.反演原理

－TIR波段水氣輻射傳輸模型傳感器探測到的輻射為：太陽傳感器大氣海表e＝1簡化2023/2/2※.寬通道光譜響應函數(shù)的考慮（1）（2）2023/2/24.3熱紅外輻射計海表溫度反演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難，因此該方法在實際中應用較少。2023/2/24.3熱紅外輻射計海表溫度反演2.反演方法b.單通道統(tǒng)計方法

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)驗公式，通過同步實測資料回歸經(jīng)驗系數(shù)。2023/2/2b.單通道統(tǒng)計方法-舉例GMSNOAA(5)2023/2/24.3熱紅外輻射計海表溫度反演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McMillin1975年最早提出該法，其依據(jù)是AVHRR在第4和5相鄰通道內(nèi)具有不同的吸收特性。

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

基本思想：采用多個通道之間的統(tǒng)計模型來進行溫度反演。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。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通道來進行反演：

這個方程只有一組系數(shù)。對TERRA衛(wèi)星上的MODIS，C1、C2、C3和C4分別為-0.065，1.034，0.723和0.972。

針對我國海區(qū)的特點，可以利用浮標、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)進行回歸，得到適合我國海區(qū)的MODIS海溫反演算法。2023/2/24.3熱紅外輻射計海表溫度反演2.反演方法e.多角度反演方法

基本思想：不同角度觀測目標，所經(jīng)過的大氣吸收路徑不同，因而受大氣的影響不同，即利用目標吸收熱紅外輻射的差異來消除大氣的影響。ATSR采用錐形掃描技術(shù)可對同一地點從不同角度（0°和55°）測量兩次，從而可利用多通道、多角度來提高大氣校正精度。2023/2/24.3熱紅外輻射計海表溫度反演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。

模型參數(shù)的不確定性和難以計算性，使方法e和f實際應用較少。2023/2/24.3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2023/2/24.3熱紅外輻射計海表溫度反演3.反演過程（1）數(shù)據(jù)幾何與輻射預處理

輻射定標熱紅外通道亮溫的計算a.幾何預處理b.輻射預處理

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點獲取的FY1D圖像

掃描行展寬前后的圖像對比※幾何預處理-極軌氣象衛(wèi)星為例2023/2/2幾何投影變換粗校正生成標準高斯平面網(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比

結(jié)果示例－2005年4月7日8點獲取的FY1D圖像※幾何預處理-極軌氣象衛(wèi)星為例2023/2/2平移精校正在定位準確的圖像上確定一個窗口模板（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點獲取的FY1D圖像作為標準，校正4月8日10點獲取的NOAA-17圖像?！鶐缀晤A處理-極軌氣象衛(wèi)星為例2023/2/24.3熱紅外輻射計海表溫度反演3.反演過程（2）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。對這兩個波段設定合理閾值，可進行云的檢測。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較低的中、高云。a.單通道閾值法2023/2/24.3熱紅外輻射計海表溫度反演3.反演過程a.單通道閾值法-示例ByvisualbandbyTIRbandbyvisualandTIR2023/2/24.3熱紅外輻射計海表溫度反演3.反演過程b.多通道聯(lián)合方法（2）云檢測方法2023/2/24.3熱紅外輻射計海表溫度反演3.反演過程（2）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。c.直方圖統(tǒng)計法2023/2/24.3熱紅外輻射計海表溫度反演3.反演過程（2）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值進行比較，當探測值大于常年平均值時，就認為是晴空，否則認為有云影響。具體應用時，應對常年平均值進行調(diào)整。d.常年平均海平面溫度截斷法2023/2/24.3熱紅外輻射計海表溫度反演3.反演過程（2）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行綜合分析比較，檢測出云。該方法還常用于云區(qū)的替補處理。e.時間序列分析法2023/2/24.3熱紅外輻射計海表溫度反演3.反演過程（3）云替補方法

單一遙感圖像會因為云的出現(xiàn)產(chǎn)生大量資料空缺現(xiàn)象，需進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)方法；數(shù)值內(nèi)插、曲面擬合和動力方程的數(shù)模替補方法，利用歷史同期標準溫度圖進行時間域的替補等。2023/2/24.3熱紅外輻射計海表溫度反演3.反演過程（3）云替補方法–

舉例一般要對陸域和水域進行分離處理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)都會產(chǎn)生誤差。（1）熱紅外傳感器本身的精度和輻射定標精度可產(chǎn)生0.15℃