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1、,卫星海洋遥感导论An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing,第三章 海洋水色遥感,武汉大学 遥感信息工程学院,什么是海洋水色遥感？海洋水色遥感是利用机载或星载遥感器探测与海洋水色有关的参数（即海色要素，如叶绿素、悬浮物、可溶有机物、污染物等）的光谱辐射，经过大气校正，根据生物光学特性可求得海水中叶绿素浓度和悬浮物含量等海洋环境要素的一种方法，用于监测海洋环境和评估海洋生产力。,海洋水色遥感平台发展简史：第一代卫星水色传感器是1978年美国NASA发射的Nimbus-7卫星上搭载的沿岸水色扫描仪CZCS。德国和印度于1996年3月发射
2、了MOS；日本在1996年8月发射了海洋水色水温扫描仪OCTS；法国于1996年8月发射了POLDER；1997年9月发射的Seastar卫星上搭载有海洋宽视场水色扫描仪SeaWiFS。1999年NASA发射了EOS-Terra，其上搭载有中分辨率成像光谱仪MODIS。,我国海洋水色遥感发展及现状2002年发射了第一颗海洋实验卫星HY-1，其上搭载有COCTS水色扫描装置。海洋一号卫星的发射成功，大大地促进了我国海洋水色遥感的研究与应用。,2003年2月5日海洋一号卫星COCTS海冰遥感实况,海洋一号卫星,海洋一号卫星水色扫描仪2002年9月3日在长江口发现赤潮：左图为遥感合成实况、右图为遥感
3、反演得到的赤潮区。,3.1 浮游植物、颗粒和溶解物 的散射和吸收3.2 水色遥感机理3.3 水色要素反演方法,海洋水色重要的影响因素1.浮游植物及其色素 叶绿素浓度：从根本上反应海洋生产力的变化 荧光：浮游植物健康状况的指示器2.溶解有机物（黄色物质）陆源CDOM：溶解的腐殖酸和棕黄酸，来自携带腐烂植 被的陆基径流 海洋CDOM：通过降解浮游植物或浮游动物的食物残渣 而形成的,海洋水色重要的影响因素3.悬浮颗粒 有机颗粒：称为碎屑，包括浮游植物和浮游动物细胞碎 片以及浮游动物的球形排泄物 无机颗粒：包括砂石和灰尘，来自侵蚀的陆基岩石和土 壤。,海洋水体分类,类水体：大洋水体 光谱特性与浮游植物
4、相关 II类水体：近岸水体 光谱特性与浮游植物、无机悬浮物、溶解有机物相关,散 射,总的体散射函数 T(,）T(,）=W(,）+P(,）下标w指纯海水，p指有机和无机颗粒物,散 射,后向散射模型bbp(）=X-YX与颗粒物浓度成比例，Y则决定于颗粒的粒径分布。大颗粒和米散射：Y 0小颗粒：Y0,吸 收,总吸收系数 T()T()=w()+p()+()+CDOM()下标w、p、CDOM分别指的是纯海水、颗粒物、浮游植物色素和带颜色的溶解有机物。,吸 收 CDOM和颗粒物,在350nm 700nm区间i()=Ai(400)exp-qi(-400)下标i等于p和CDOM，Ai(400)是与浓度有关的参
5、考波长上的吸收系数，qi 是特定吸收体种类的常数。,吸 收 浮游植物,Chl a的吸收曲线存在两个主要的吸收峰：1.位于440nm附近的蓝光吸收峰，称为Soret波段 2.中心位于665nm的红光吸收峰类胡萝卜素的吸收峰最大值趋向500nm,次表面反射率R()与波长和叶绿素浓度Ca的关系,1.反射率表现出以下特征：当 550 nm,R随Ca的提高而提高;当=550 nm,R几乎与Ca的变化无关。2.荧光表现的特征和确定方法：在 683 nm 荧光峰激发的辐亮度随Ca的增加而增加。方法 用667nm、678nm及748nm为中心10nm宽 的3个波段辐亮度值，其中667nm测量确定 荧光值，而6
6、78nm和748nm测量用来消除背 景因素。,海洋遥感的光学路径,水色遥感过程：根据卫星接收的总辐射信号值，除去大气干扰信号的影响，得到离水辐射率值。然后根据各成分浓度与水体光学性质的关系，通过一系列反演算法得到水体中各成分的浓度。水色遥感器的波段设置：可见光(400700nm)：透射入水 近红外波段：修正卫星接收的总辐射信号值,仪器接收到的辐射量（Wm-2m-1sr-1）可由下式描述:,式中，Lr（）+La（）+Lra（）为大气程辐射的贡献；Lsr（）为海表面镜面反射的太阳直射光的贡献；Lwc（）为海表面上的个别浪端白泡沫反射的太阳光和天空光的贡献；Lw（）为我们想要得到的离水辐射的贡献。,
7、Lsr()是太阳光在海面的菲涅尔反射辐射，也称为太阳耀光。它主要受风致海面波的斜率影响。如果某像元的Lsr()较大，说明太阳耀光的影响不可忽略，则此像元的数据要舍弃。检验方法：利用NIR辐亮度，若辐亮度值超过了预定的阈值，则认为该象元为太阳耀斑，并将其掩掉。,太阳耀斑,泡沫的覆盖范围也受到风速的影响，然而由于泡沫的反射更接近于朗伯体，因此太阳光的角度对其影响很小，以至于整个图像中的LWC()几乎无处不在。在处理过程中，LWC()被估算出来后，要么在总辐亮度中减去该值，若该值太大，则应弃用该幅图像。,泡沫（白帽）,在短波范围内，瑞利散射辐照度通常是接收的辐亮度中最大的一项。除了直接大气路径的瑞利
8、和气溶胶散射的辐亮度之外，对瑞利和气溶胶散射还存在另外两种较小的路径散射项。,瑞利散射辐亮度,由下行太阳辐照度散射产生进入传感器观测方向的主 路径辐亮度路径辐亮度顺着与传感器观测方向共轭的路径，经 过表面反射进入传感器方向反射太阳辐亮度产生的传感器观测方向的散射辐亮度 由于菲涅耳表面反射率比较小，因而第2和第3项远 小于第1项。,瑞利散射辐亮度,气溶胶辐亮度计算处理流程：对于单次散射和可见光波段，若从每个波段中消除臭氧吸收、太阳耀斑、泡沫反射和瑞利散射项的影响，则余项包括气溶胶路径辐亮度和离水辐亮度。在NIR波段，假设Lw()等于0，则余项只剩下单次散射气溶胶辐亮度LA()=A()A()FS(
9、)PA(,S)/4cos式中，S 为太阳天顶角，为观测角，A()为单次散射气溶胶反照度，PA(,S)为扩展气溶胶相位函数，包括反射散射辐照度的影响。,气溶胶散射辐亮度,气溶胶类型和浓度的估算 将765nm和865nm波段的LA()分别除以各自的FS()，然后求两者的比值。该比值为(,0)=LA()FS(0)/LA(0)FS()=A()A()PA(,S)/A(0)A(0)PA(0,S)式中，0=865nm，(,0)称为单次散射颜色比值。,对每一个像元计算其(765,865)，然后与由已知气溶胶模式计算的 值查找表相比较。通过比较查找表中的(765,865)，不仅可以将观测的NIR气溶胶辐亮度外推
10、至可见光区间，而且可以计算漫射透过率。,计算可见光波段的气溶胶散射辐亮度 一旦气溶胶类型或者 确定下来，就可以求得可见光区间的LA，以443nm为例，可得LA(443)=(443,865)LA(865)FS(443)/FS(865)将该式应用到每一个波段，从而消除 LT()中的气溶胶辐亮度。,处理tD()的过程中，需要考虑两个因素：邻近陆地象元的影响 由于接收的辐亮度不仅来自仪器FOV内的贡献，还有来自周围区域的影像。这种污染会出现在接近陆地、邻近冰面边缘或任何表面反射率突然变化的区域。计算方法 单次散射和假设表面辐亮度朗伯分布，见上章。多次散射：根据选择气溶胶模型而确定。,漫射透过率,两类业
11、务化的生物 光学算法:经验算法由船和卫星同步观测的LW()与船载观测的Ca进行回归 计算的。输入参数为几个波段的LW()的卫星观测值或等效的 Rrs；输出为叶绿素浓度。使用仅限于一类水体。Rrs()/Rrs(555)=w()N/w(555)N=Lw()N FS(555)/Lw(555)N FS()=R()/R(555)=bbT()T(555)/bbT(555)T(),经验算法使用基于443/555、490/555、510/555波长所对的归一化离水辐射率或Rrs的比值。随着Ca的增加，443-比值降低的最 快，490-比值和510-比值降低逐 渐减慢。对于小的Ca,443-比值最大，随Ca 增
12、大，490-比值变的最大，然后是 510-比值最大。,SeaWiFS最大波段比值经验算法 OC4,OC4算法：随Ca增加，利用Rrs比值（443/555、490/555、510/555）中最大的一个。RMAX=Maximum of Rrs ratio(443/555,490/555,510/555)RL=log10(RMAX)log10(Ca)=0.366 3.067RL+1.930RL2+0.649RL3 1.532RL4,R(670)、G(555)、B(410)合成的真彩色图像,SeaWiFS可见光通道的归一化离水辐亮度。色标的长度与辐亮度值的范围成比例；色标越短，仪器测量越灵敏。,图展示
13、的是OC4 Chla的浓度。陆地和云掩膜为黑色，海岸轮廓线为红色。,MODIS经验算法 OC3,MODIS缺少在OC4 SeaWiFS算法使用的510nm波段，因而是基于3个波段。RL=log10 max Rrs ratio(443/551,488/551)log10(Ca)=0.283 2.753RL+0.659RL2+0.649RL3 1.403RL4,两类业务化的生物 光学算法:2.半分析算法将理论模型(Rrs和后向散射/吸收比值的关系)和经验模型(吸收和后向散射与海水成分的依赖关系)联系起来，其中的经验联系随季节、地理位置和SST的变化而变化。使用于一类和两类水体。,通过分析方法人们发
14、现海水的固有光学量与漫反射率R的关系，而且可以结合经验方法发现海水的固有光学量与比值R/Q的关系。,式中Rrs为遥感反射率，g10.0949i，g20.0794i，这里i为辐散因子，它被定义为海-气透射比与海水折射率的比。a是总吸收系数，bb是后向散射系数，a+bb是衰减系数。,总吸收系数a和总后向散射系数bb的表达式分别是：,式中，aw和bbw分别为海水分子本身的吸收系数和后向散射系数，ag为黄色物质或可溶性有色有机物的吸收系数，ad为浮游植物碎屑的吸收系数，aph为浮游植物叶绿素的吸收系数，bbp为悬浮粒子的后向散射系数。,以生物浓度的形式量化衰减系数：,式中f1和f2是经验系数，该式把衰
15、减系数和浮游植物色素浓度C 联系在一起。,悬浮泥沙遥感定量研究的基础工作包括：探讨合理的大气校正方法 精确计算含沙水体的离水比辐射率 采用水槽光谱实验研究方法确定含沙水体不同浓度反射率与水体含沙量s,w之间的相关关系。,悬浮泥沙定量遥感的实验研究,含泥沙水体的光谱响应,=620nm左右是光谱响应对泥沙含量的敏感区域；随着泥沙含量的增大，峰值向红光波段移动，即所谓“红移现象”。当水体含沙量增加时，各波段的反射率都普遍增大，反射率增大幅度最大的波长与反射率波谱最大峰值位置相吻合，各段的反射率对含沙量的响应灵敏度实际上是含沙量的函数。,长江口随泥沙量变化的水体表面反射率光谱曲线,线性关系式：,=A+
16、Bs.w,对数关系式：,=A+Blns.w,多波段模式：水体含沙量与多个波段的反射率的关系,2.光谱反射率与含沙量的主要关系式A.经验模式,通过遥感数据与地面同步或准同步测量数据建立相关关系式。,（低含沙水域）,以大气物理和海洋光学的基本特性为依据，从理论上导出反射比随悬浮泥沙含量变化的基本关系。,水体是一种吸收、散射介质，可用经典的辐射传输方程描述辐射在水中的传输：,B.理论模式,辐射亮度,路程函数,常用的理论模式,（1）Gordon公式,泥沙漫反射辐射L的近似模型为:,式中:a为海水的总吸收系数；bb为海水的总后向散射系数；f为某种函数关系。,Gordon用Mont Carlo 方法解辐射
17、传输方程，得到类似于幂级数的关系式：,若假设辐射在水中是以漫入射形式向下传输的，即辐射亮度L与 无关，则可以只考虑向下辐射度Ed（z）与深度z的关系，用Ed（z）代替L，则在水深z处，有：,式中向下辐照度Ed、衰减系数、前向散射系数i都是水深z的函数。,（2）负指数关系式,经过计算可推求出反射率与含沙量s.w之间的定量关系:,进一步推导出含沙量与辐亮度之间的定量关系：,A，B，D是常系数，它们依次可以表示为：,式中A、B、C为相关式的待定系数，S 即为含沙量s.w，G，D是待定参数。S（G+S）和S（G+S）e-DS为相关项。,（3）黎夏（1999）提出了悬浮泥沙遥感定量的统一模式,以下为利用
18、我国海洋一号卫星资料反演的我国渤海、黄海（左）和东海（右）的悬浮泥沙分布图。,多因子的水色反演,其具体反演的过程如下：1.首先对卫星获取的遥感资料进行预处理，得到每个像元的离水辐射率Lw值；2.通过反演海区的历史调查资料或现场船测资料，预设各像元点的可能的叶绿素、悬浮泥沙和黄色物质等的浓度；3.用预设的各水色因子配方（Cc，Cs，Cg），通过公式计算得到理论的离水辐射率；,4.按下式计算理论离水辐射率Lw1和Lw两者的综合相对差Lw；,5.判断Lw是否在所设置的阈值内，若两者之差Lw超过阈值继续下一步；6.利用最佳多元逼近法重新改变叶绿素、悬浮泥沙和黄色物质浓度值的配方继续第三，四步骤；7.循环一直执行，直到Lw 输出该像元点的叶绿素、悬浮泥沙和黄色物质浓度的结果值。,
