第十一章 海洋卫星遥感Word文档下载推荐.docx
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TIROS—N上装载高级甚高分辨率辐射计AVHRR和TIROS业务化垂直探测器TOVS。
NOAA于1981年推出MCSST卫星海表温度业务化反演算法。
因此,TIROS—N奠定了卫星海表温度进入气象、海洋业务化预报的基础。
它实际上是NOAA—6及其后发射的NOAA极轨系列卫星的样机。
Nimbus—7装载了7台传感器,其中多通道扫描微波辐射计SMMR和沿岸带海色扫描仪CZCS与海洋观测有关。
CZCS专用于海色测量,它奠定了海色卫星遥感的基础。
1978—1986年间CZCS提供了8年的全球海色图象以及海洋次表层叶绿素浓度参数。
上述三颗卫星构成了海洋卫星的三部曲,它标志着卫星海洋遥感新纪元的开始,并反映了可见光、红外、微波海洋遥感的概貌。
11.1.2卫星海洋遥感系统
一、空间平台及轨道
装载传感器的空间运载工具称为空间平台,它包括人造卫星、宇宙飞船、天空实验室等。
卫星作为海洋遥感的空间平台,除安装传感器外,还有如下设备:
电源、热控制器、方位控制器、数据处理系统等。
电源通常采用太阳能电池,并与蓄电池相连以提供夜间能源。
热控制器为保证传感器及其它电子装置正常工作。
方位控制器用于控制空间平台的方位,例如极轨卫星,必须控制其缓慢自转并使卫星的同一侧面保持朝下并指向地心。
假设地球是形状规则、密度均匀的正球体,仅考虑地球引力,则卫星按椭圆轨道运行,地球位于椭圆的一个焦点上。
卫星距地面的距离为
式中θ为卫星近地点(轨道离地球最近的点)与所处位置的半径矢量之间的夹角,e为卫星椭圆轨道的偏心距,a为椭圆的长半轴。
θ、a、e为表征卫星位置的三个轨道参数。
卫星沿轨道运行的周期为
式中G为重力常数,M为地球质量,GM=3.98603×
1014m3/s2。
如果轨道为圆形,则卫星的水平速度为
地球平均半径),则(11—3)式可用h和g表示为
二、卫星传感器
目前用于海洋观测的所有卫星传感器,均根据电磁辐射原理获取海洋信息。
遥感技术采用的电磁波包括可见光、红外、微波。
其中,可见光谱范围在0.4~0.7μm,红外波谱在1~100μm,微波波段在0.3~100GHz。
传感器按工作方式可分为主动式和被动式。
被动传感器如可见红外扫描辐射计,微波辐射计等;
主动式如微波高度计、微波散射计、合成孔径雷达等。
卫星传感器的种类很多,目前用于海洋研究的传感器主要有:
①海色传感器:
主要用于探测海洋表层叶绿素浓度、悬移质浓度、海洋初级生产力、漫射衰减系数以及其他海洋光学参数。
②红外传感器:
主要用于测量海表温度。
③微波高度计:
主要用于测量平均海平面高度、大地水准面、有效波高、海面风速、表层流、重力异常、降雨指数等。
④微波散射计:
主要用于测量海面10m处风场。
⑤合成孔径雷达:
主要用于探测波浪方向谱、中尺度涡旋、海洋内波、浅海地形、海面污染以及海表特征信息等。
⑥微波辐射计:
主要用于测量海面温度、海面风速以及海冰水汽含量、降雨、CO2海—气交换等。
三、数据传输
星载传感器通常产生测量电压或频率信号,然后进行数据编码。
大部分情况下以数字信号的形式传输到地面接收站。
在采用二进制编码中,一般用0~255或0~1023或0~2047对辐射扫描数据进行数字化处理,每个象元要求8bit、10bit或12bit。
由于海洋信息往往比陆地低许多,因此,对于专为海洋应用的传感器,可将数字化数据的最大值和最小值限制在一定范围内,在给定数据传输率的条件下,提高传感器的输出准确度。
对于非扫描式传感器,由于其测量频率较低,可以在提高数据传输率的同时,尽可能提高数据分辨率。
对于扫描式传感器,其数据几乎是连续产生,则须在采样率、数字化间隔及数据传输率之间求得平衡。
一般情况下传感器自身还产生少量校准信号,例如标准黑体信号,使传感器的输出能够精确的加以校正。
此外,卫星还提供相关的位置、方位、环境参数以及电源本身的辅助信息。
在设计数模控制器时,产生一个与某一固定输入电压相对应的数字化数据作为测试扫描信号的校准数据。
在扫描传感器中,每个扫描数列都配有这种校准数据。
这些信号都随数据流一起传输到地面接收站。
四、卫星地面接收站
NOAA卫星地面接收站遍及各地和各部门,在中国和国际上有许多产品。
NOAA卫星地面接收站如图11—1所示。
相对来说,其价格较低。
值得一提的是,由于海洋是动态环境,原则上所有数据都应归档,因此,卫星海洋遥感的数据存档对数据库、图象库、海洋GIS的研究提出了新课题。
五、图象处理与数据处理
卫星海洋遥感图象处理与数据处理的程序框图如图11—2所示。
其中,从卫星数据反演海洋环境参数的细节将在下面各节涉及。
其它部分的细节需要参考有关计算机图象处理、信号处理、模式识别方面的书籍。
六、海洋卫星资料的反演
所谓卫星资料的反演,是指从卫星原始数据获得定量海洋环境参数的数学物理方法,即从电磁场到物质性质或地球物理性质的逆运算。
从卫星平台观测海洋,海洋信息经过复杂的海洋/大气系统而被星载传感器接收,然后再传输到卫星地面站。
被动遥感(可见、红外、微波)的反演问题,主要是消除信息传输过程中海洋/大气的影响。
主动遥感(微波为主)的反演问题,主要是从微波与海面相互作用中提取海洋信息。
海洋信息往往比陆地信息小2~3个量级,并且海洋属于动态环境,因此,海洋卫星资料的反演问题更为复杂和重要。
反演方法有准解析、数值模拟、统计回归或以上几种的结合。
反演方法和模式有适用于全球的,也有适用于区域的。
后者一般比前者有高的反演精度。
从通讯理论观点看,海洋卫星资料的反演可归结如图11—3所示。
一般来说,它是一个非线性系统。
海洋/大气传输过程由一个不可解的积微分方程描述。
电磁波与海洋相互作用的物理机制更为复杂。
七、GIS系统
地理信息系统(GIS)是一门介于信息科学、空间科学和地球科学之间的交叉学科和新技术学科,是空间数据处理与计算机技术相结合的产物。
地理信息指与研究对象空间地理分布有关的信息,它表示物体与环境固有的数量、质量、分布特性的联系和规律。
地理信息系统是采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间地理分布有关的数据的系统。
GIS按范围可分为全球的、区域的和局部的。
按内容可分为专题的、地区的和工具式的。
海洋GIS系统是基于海洋空间信息特点而建立的专题地理信息系统,是具有海洋空间数据输入、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出功能的软件工具。
目前,在海洋GIS领域尚未设计开发出一种完备的产品。
它的研制具有十分重要的意义和广泛的应用前景,其难点和关键技术在于动态数据库和图象库,以及足够好的模型库。
11.1.3卫星遥感对海洋科学研究的价值
卫星海洋遥感是海洋科学的一个新的分支学科。
它是物理学、信息科学和海洋科学三门学科交叉的产物,其理论基础为电磁波与海洋、大气的相互作用以及海洋/大气辐射传递。
卫星海洋遥感涉及广阔的电磁波范围,包括可见光、红外和微波。
可见光遥感利用太阳光源,红外遥感利用海面热辐射,微波遥感分为海面微波辐射被动源和星载微波雷达主动源。
将来,激光可能成为星载主动源。
卫星海洋遥感的研究内容包括物理机制、海洋卫星传感器方案、反演理论和模型、图象处理与信号处理、卫星数据海洋学应用、海洋GIS等。
值得注意的是,卫星海洋遥感对于海洋的观测和研究不仅限于船舶与浮标所测量的参数以及在此基础上所得出的海洋学规律,卫星海洋遥感还开辟了一个新的考虑问题的视角。
其次,卫星海洋遥感为海洋观测和研究提供了一个崭新的数据集。
这个数据集之大,超过百余年来船舶与浮标数据的总和。
这个数据集覆盖了相当部分海洋环境参数和信息,包括海表温度、大气水汽、叶绿素浓度、悬移质浓度、DOM浓度、海洋初级生产力、海洋光学参数、大气气溶胶、海平面高度、大地水准面、海流、重力异常、海洋降雨、有效波高、海浪方向谱、海面白帽、内波、浅海地形、海面风场、海面油膜、海面污染、CO2海/气交换等方面。
这个数据集的工作平台在离地球800~1000km的卫星上,与传统的船舶、浮标数据相比,具有以下无可比拟的优点:
(1)大面积同步测量,且具有很高或较高的空间分辨率。
可满足区域海洋学研究乃至全球变化研究的需求。
20世纪后期国际海洋界执行和参与的大型研究计划,如世界气候研究计划(WCRP),热带海洋与全球大气研究计划(TOGA),世界大洋环流实验(WOCE),全球海洋通量联合研究计划(JGOFS),海岸带海陆相互作用计划(LOICZ)等,都采用了卫星海洋遥感所提供的数据集。
(2)可满足动态观测和长期监测的需求。
90年代,各国海洋卫星计划已构成10~20年时间尺度的连续观测,以满足海洋环境业务化监测和气候研究的迫切要求。
(3)实时或准实时性。
可满足海洋动力学观测和海洋环境预报的需求。
目前,卫星对于同一海域的观测时间间隔为半小时至一个月。
(4)卫星资料不仅具有大面积同步测量的特点,同时具有自动求面积平均值的特点,尤其适用于数值模型的检验和改进。
卫星资料在海洋数值模式中的数据同化是当今的前沿研究课题之一。
(5)卫星观测可以涉及船舶、浮标不易抵达的海区。
第三,卫星海洋遥感多传感器资料可推动海洋科学交叉学科研究的发展。
卫星海洋遥感各种传感器所提供的海洋环境参数和信息,涉及海洋动力学、海洋生物学、海岸带、全球变化、海气相互作用、海洋通量、海洋生态学等。
90年代以来,国际上的海洋卫星计划提供了多传感器同步应用的条件。
这样,不仅推动了卫星海洋遥感自身的深入发展,同时,推动了卫星海洋遥感与各海洋学分支的交叉研究以及海洋学各分支学科的交叉研究。
11.1.490年代的海洋卫星计划
1991年ERS—1卫星发射成功,它被称为90年代海洋卫星计划的先驱。
其上装载了四个传感器,包括ATSR,SAR,SCAT,ALT。
下表列出90年代国际上主要用于海洋观测的卫星计划,从中看出,卫星海洋遥感技术已趋于成熟并进入业务化运行。
表11—190年代海洋卫星计划
11.2卫星海表温度遥感
11.2.1引言
卫星海表温度测量主要利用海面热红外辐射。
卫星海表温度(SeaSurfaceTemperature,SST)是最早从卫星上获取的海洋环境参数,是卫星海洋遥感中最为成熟且用户最为广泛的技术。
卫星海表温度测量已进入业务化,在大中尺度海洋现象和过程、海洋—大气热交换、全球气候变化以及渔业资源、污染监测等方面有重要应用。
卫星SST常分为海表皮温和海表体温。
前者指海表微米量级海水层的温度,后者指海表0.5~1.0m海水层的温度。
11.2.2红外辐射计工作原理
利用红外波段测温的物理基础是普朗克辐射定律。
温度为T(K)的黑体的辐射率由普朗克函数给出
其中,普朗克常数h=6.6262×
10-34J·
s,玻尔兹曼常数k=1.3806×
10-23J/K,光速c=3×
108m/s。
图11—4表示不同温度下的黑体辐射谱,地球表面平均温度为300K左右,其黑体辐射峰值波长在8~14μm。
实际物体的辐射还与比辐射率有关,在红外谱段,海洋的比辐射率ε≈0.98,随波长、海水温盐、海况的变化极小。
在红外谱段,大气存在两个窗口,即3~5μm和8~13μm,如图11—5所示。
图中,7mm、29mm、54mm总可降水量(totalprecipitablewater)分别对应极地、中纬度、热带。
可见,热带大气透射率最低,证明水汽是主要的吸收因子。
11μm、12μm为海水辐射峰值区。
3.7μm水汽吸收弱,透射率高。
因此,红外辐射计的光谱通道设在3.7μm、11μm、12μm。
与AVHRR相比,ATSR有重要改进:
采用锥形扫描技术,使地球表面同一地点从不同角度(0°
和55°
)测量两次(时间间隔约2.5min),利用多通道、多角度以改善大气校正;
采用两个稳定性很高的黑体作星上辐射量定标,以提高辐射定标精度,克服AVHRR测量中天空辐射不为零的影响;
利用新型的主动冷却装置使探测器的温度保持在90K左右,以降低探测器噪声;
近红外通道-1.6μm,用于在白天探测云。
另外,根据1.6μm通道观测的辐亮度,1.6μm与3.7μm自动交替工作。
11.2.3卫星海表温度的反演
这里,仅介绍从AVHRR原始数据反演海表温度,包括读带、辐射量定标、几何校正、云检测、海表温度反演,流程如图11—6所示。
NOAA采用的业务化海表温度反演算法有MCSST、CPSS和NLSST三类,其中MCSST包括劈通道算法和三通道算法。
劈通道算法:
SST=a1T11+a2(T11-T12)+a3(T11-T12)(secθ-1)-a4
(11—6)
三通道算法:
SST=a1T11+a2(T3.7-T12)+a3(T3.7-T12)(secθ-1)-a4
(11—7)
图11—7为从AVHRR获取的SST图象,它显示了东海黑潮与冷涡。
11.2.4卫星海表温度的应用
卫星海表温度广泛应用于海洋动力学、海气相互作用、渔业经济研究和污染监测等方面。
给出了西太平洋暖池的温度和位置,这是常规测量难以实现的。
利用海表温度研究了黑潮和湾流的特征,赤道海域Kelvin波、Rossby波的传播过程。
利用卫星海表温度发现了诸多中尺度涡旋,并研究了中尺度涡旋、上升流、锋面的变化。
小尺度海洋动力特征方面,研究了湍动的精细结构。
海气相互作用方面,利用卫星海表温度结合其它数据研究全球气候变化,计算海洋热收支、CO2气体交换系数等。
特别值得一提的是,卫星海表温度已进入天气、海洋数值预报业务。
渔业方面,卫星海表温度可为渔业部门提供鱼类的洄游路线和渔场的有关信息。
污染监测方面,利用卫星海表温度可以监测油污染、大型核电站附近的热污染
11.3海色卫星遥感
11.3.1引言
海色遥感是唯一可穿透海水一定深度的卫星海洋遥感技术。
它利用星载可见红外扫描辐射计接收海面向上光谱辐射,经过大气校正,根据生物光学特性,获取海中叶绿素浓度及悬浮物含量等海洋环境要素。
因而,它对海洋初级生产力、海洋生态环境、海洋通量、渔业资源等具有重要意义。
在海色遥感研究中,海水划分为Ⅰ类水域和Ⅱ类水域:
前者以浮游植物及其伴生物为主,海水呈现深蓝色,大洋属于这一类。
后者含有较高的悬浮物、叶绿素和DOM以及各种营养物质,海水往往呈现蓝绿色甚至黄褐色。
中国近海就是典型的Ⅱ类水域。
继1978年NimbuS—7/CZCS卫星资料的成功应用之后,卫星海色遥感逐渐成为一些著名的国际海洋研究计划的技术关键和重要内容。
11.3.2SeaWiFS与CZCS海色传感器
装载于Nimbus—7上的海色传感器CZCS(CoastalZoneColorScanner)是一个以可见光通道为主的多通道扫描辐射计。
前4个通道的中心波长分别为443nm,520nm,550nm,670nm,位于可见光范围。
第5个通道位于近红外,中心波长为750nm。
第6个通道位于热红外,波长范围10.5~12.5μm。
CZCS可见光波段的光谱带较窄,仅为20nm,地面分辨率0.825km,观测角沿轨迹方向倾角可达到20°
,用以减少太阳耀斑的影响。
刈幅宽度1636km,8bit量化。
表11—2给出CZCS传感器的技术参数。
表11—2CZCS传感器技术指标及波段设计
*270K处噪声等效温度误差
SeaWiFS(Sea—ViewingWideField—Of—ViewSensor)是装载在美国SEASTAR卫星上的第二代海色遥感传感器,1997年8月发射成功,运行状况良好。
SeaWiFS共有8个通道,前6个通道位于可见光范围,中心波长分别为412nm、443nm、490nm、510nm、555nm、670nm。
7、8通道位于近红外,中心波长分别为765nm和865nm。
SeaWiFS地面分辨率为1.1km,刈幅宽度1502~2801km,观测角沿轨迹方向倾角为20°
,0°
,-20°
。
10bit量化。
表11—3给出了SeaWiFS的技术参数。
表11—3SeaWiFS传感器主要技术指标及波段设计
SeaWiFS在CZCS基础上进行了改进和提高:
1)增加了光谱通道,即412nm、490nm、865nm。
412nm针对于Ⅱ类水域DOM的提取,490nm与漫衰减系数相对应,865nm用于精确的大气校正。
2)提高了辐射灵敏度,Sea-WiFS灵敏度约为CZCS的两倍。
在CZCS反演算法中被忽略因子的影响,如多次散射、粗糙海面、臭氧层浓度变化、海表面大气压变化、海面白帽等,都在Sea-WiFS反演算法中作了考虑。
11.3.3与海色卫星遥感有关的海洋光学特性
海洋光学理论是海色卫星遥感的基础。
首先,海色传感器可见光通道是按照海洋中主要组分的光学特性设置的,每个通道对应于海洋中各种组分吸收光谱中的强吸收带和最小吸收带。
443nm通道位于叶绿素强吸收带,520nm通道叶绿素的吸收比水明显大,可以补充叶绿素信息。
550nm通道则接近叶绿素吸收的最小值,在强透射带内,同时,对应较小的海水吸收。
图11—8至11—9是叶绿素和DOM的光谱吸收曲线。
在讨论海色反演算法之前,需要介绍以下海洋光学关系式
其中Lw(λ)是海面后向散射光谱辐射,称为离水辐亮度。
ρ为海气界面的菲涅尔反射系数,nw是水的折射率,Q为光谱辐照度与光谱辐亮度之比,与太阳角有关,完全漫辐射时Q=π。
R=Eu(0-)/Ed(0-),是海面下的向上辐照度Eu(0-)和向下辐照度Ed(0-)的比。
R与水体的固有光学特性有关
R≈0.33bb/a(11-9)
bb是水体的总后向散射系数,a为水体总体积吸收系数。
定义辐照度衰减系数为
K(λ)=-d(lnE)/dz(11-10)
它是表征海中辐照度随深度而衰减的因子。
K(490)是由遥感数据得到光学性质的一个典型例子,它的反演算法为
11.3.4海色反演原理
一、辐射量定标
海色传感器输出的计数值DC(DigitalCount),并非真正意义上的物理量。
因此,必须利用标准源将计数值换算成辐亮度,这一过程叫做辐射量定标。
一般说来,传感器接收的辐亮度由下式确定:
Lt(λ)=S(λ)DC+I(λ)(11-12)
其中,S、I为斜率和截距,对于CZCS,在实验室中用直径为76cm的积分球对辐射计预先进行校准。
卫星发射后用机内白炽灯光源和涂黑仪器箱进行星上定标。
另外深空也作为一个定标源。
传感器按固定的程序测量目标和定标源,测量的数据传送回地面通过公式(11—12)来校正S和I。
二、大气校正算法
大气校正的目的是消除大气吸收和散射的影响,获取海面向上光谱辐亮度。
CZCS大气校正算法采用单次散射模型,其本质是一种对洁净大气中良好传播的线性近似。
传感器接收到的辐亮度Lt(λ)由四部分组成,即
Lt(λ)=Lr(λ)+La(λ)+t(λ)Lw(λ)+Lra(λ)(11-13)
其中,Lr(λ)为大气分子瑞利散射引起的光辐射,可由大气传输理论精确计算得出。
Lw(λ)是离水辐亮度,是大气校正所得的结果。
t(λ)是大气透射率,t(λ)=tr(λ)t02(λ)ta(λ),其中下标r、o2、a分别代表分子散射、臭氧、气溶胶。
Lra(λ)为瑞利散射和气溶胶散射相互作用引起的光辐射,单次散射情况下可以忽略。
La(λ)为气溶胶散射引起的光辐射,由于气溶胶不断变化的特性,通常需要两个波段来确定气溶胶贡献的大小和气溶胶贡献对波长的依赖关系。
CZCS只有670nm波段用于大气校正,因此必须假设气溶胶的分布均匀,通过寻找图象的清水区,即Lw(670)=0,得到La(670),利用La(λ)与波长之间的关系外推得到La(λ),然后由式(11—13)计算Lw(λ)。
三、生物光学算法
由海面向上光谱辐亮度Lw反演海中叶绿素浓度、悬移质、DOM浓度的方法,称为生物光学算法。
由式(11-8)、(11-9)计算可得出,海表层叶绿素浓度与海洋光学参数之间的关系为
数,aw,ai分别为海水及第i组分的吸收系数,bbw,bbi分别为海水及第i组分的后向散射系数。
现场观测已证实了该公式的合理性。
鉴于海水组分浓度及其引起的后向散射特性与吸收特性之间关系的复杂性,由上述解析式很难求出fi的解,必须利用经验算法。
目前比较常用的计算色素浓度的方法为比值法,即利用两个或
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