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1、海洋遥感,The Oceanic Remote Sensing,第八章,其它海洋参数的遥感反演,?,卫星海洋盐度测量,?,海冰与冰山现象的遥感探测,?,海洋溢油污染的遥感监测,8.1,卫星海洋盐度测量,1.,海洋盐度测量的重要性,海水盐度是监测和模拟海洋循环的一个重要变量，,也是气候变化的重要指示器。,海水盐度对渔业养殖、水质资源的调查发挥着重要,作用，是研究大洋环流、,海洋动力学、降雨量及季节气,候预测、水声学的重要参数。,8.1,卫星海洋盐度测量,2.,海洋盐度的测量方法,?,现场船测,使用盐度测量仪器（物理法和化学法）,?,航空,/,卫星测量,使用被动微波辐射计进行测量，具有大范围、快速
2、、,定量测量的特点。,但目前尚无专门的测量仪器（工作在,L,波,段，,1.4GHz,左右），,SMOS,卫星等在计划中。,有关学者早在,30,多年前就开始进行盐度遥感的研究和实验，,从海水介电常数的测定到微波辐射计的改进，从陆基的盐水池实,验到航空飞行实验，甚至进行了卫星遥感的简单尝试。,8.1,卫星海洋盐度测量,3.,海洋盐度的遥感测量原理,卫星测量海表盐度的原理是基于在微波频率上，,盐度对海表亮温的敏感度进行的。海水盐度的增加会,使海水导电能力上升，从而使海水的介电常数增大，,最终使得海表发射率的亮温降低。,（,1,）简单描述,8.1,卫星海洋盐度测量,3.,海洋盐度的遥感测量原理,a.,
3、无风浪的平静海面上，海水的亮度温度可以表,示为：,（,2,）海水盐度遥感的理论模型,s,sss,s,i,B,T,S,T,e,i,T,?,?,),(,),(,?,?,?,?,?,为入射角；,i,为极化方式；,s,T,为海表真实温度；,sss,S,为海水盐度；,8.1,卫星海洋盐度测量,3.,海洋盐度的遥感测量原理,b.,极化发射率与复介电常数关系如下：,（,2,）海水盐度遥感的理论模型,2,),(,1,),(,1,),(,?,?,?,?,?,i,i,sss,s,i,R,S,T,e,?,?,?,?,由基尔霍夫,定律和,Fresnel,定律得,?,可由德拜方程得出，,0,1,),(,1,),(,?,
4、?,?,?,?,?,?,?,?,i,i,S,T,S,?,?,?,?,?,?,?,?,8.1,卫星海洋盐度测量,3.,海洋盐度的遥感测量原理,c.,亮温与极化发射率之间的关系：,（,2,）海水盐度遥感的理论模型,可使用,Klein-Swift,（,K-S,）模型或,Ellison,模式求解复介,电常数，进而得到盐度参量。,),(,s,sss,B,T,S,f,T,?,?,?,若其它参量已知，,则可由亮温得到盐度：,),(,1,s,B,sss,T,T,f,S,?,?,?,?,8.1,卫星海洋盐度测量,3.,海洋盐度的遥感测量原理,（,2,）海水盐度遥感的理论模型,),(,s,sss,B,T,S,f,
5、T,?,?,?,?,当海表温度增加时，,亮温对盐度的敏感,度增大；,?,盐浓度越低，亮温,与海表温度之间的,线性关系越强。,8.1,卫星海洋盐度测量,4.,海洋盐度遥感测量的影响因素分析,8.1,卫星海洋盐度测量,4.,海洋盐度遥感测量的影响因素分析,由上式可知，在给定辐射计相关参数的条件下，亮温是海表,温度和盐度的函数。,因此，在适用于盐度遥感的频率上，亮温随,盐度的变化应该比其随温度的变化要显著得多。,（,1,）盐度遥感使用的频率,),(,s,sss,B,T,S,f,T,?,?,?,研究表明：频率在,1.4GHz,的,L,波段是测量海水表面盐度,的最佳波段，该波段对海表温度和风速的敏感度较
6、低。同时,可以采用,S,波段和,C,波段来修正海表盐度测量时海表温度和风,速的影响。,8.1,卫星海洋盐度测量,4.,海洋盐度遥感测量的影响因素分析,（,2,）,极化,方式,和入,射角,Ellison,模,型得到的,入射角,40,度时，海,表亮温对,盐度的敏,感度,8.1,卫星海洋盐度测量,4.,海洋盐度遥感测量的影响因素分析,极化和入射角也影响亮温对盐度的敏感性。其,规律为,:,?,垂直极化时均优于水平极化时,;,?,在垂直极化方式下，入射角越大越好,;,?,在水平极化方式下，入射角越小越好。,（,2,）极化方式和入射角,8.1,卫星海洋盐度测量,4.,海洋盐度遥感测量的影响因素分析,Ell
7、ison,模型得,到的海表亮温,对盐度的敏感,度随入射角的,变化,8.1,卫星海洋盐度测量,4.,海洋盐度遥感测量的影响因素分析,在相对高温和高盐的条件下，亮温对盐度更为敏感，,盐度的反演效果较好（,见图,）。,?,较大的亮温误差造成较大的盐度反演误差；,?,同样的盐度反演精度下，低温时需要更高的亮温精度；,?,在同样的亮温精度条件下，盐度越高则反演精度越高，,但超过一定的盐度时，其影响不显著。,（,3,）盐度反演精度与亮温的关系,8.1,卫星海洋盐度测量,4.,海洋盐度遥感测量的影响因素分析,?,大气干空气和水蒸气的影响,1.4GHz,频段上，最主要的贡献来自干空气，需要考虑大气透,过率、上
8、行辐射和下行辐射的影响。,（,4,）其它影响海表微波辐射测量误差的因素,?,云的影响,1.4GHz,频段上，云的辐射和散射可利用瑞利散射模式解释。,8.1,卫星海洋盐度测量,4.,海洋盐度遥感测量的影响因素分析,?,表面粗糙度的影响,可利用雷达和辐射计的组合数据，降低其影响。,（,4,）其它影响海表微波辐射测量误差的因素,?,电离层的影响,可利用基于微波被动偏振测定法的技术估计法拉第旋转。,?,太阳系和宇宙辐射的影响,最重要的是太阳辐射的影响。要精心设计天线，使进入天线,侧部的来自太阳的辐射或反射最少。,8.1,卫星海洋盐度测量,5.,海洋盐度遥感测量的发展目标,在利用微波辐射计亮温反演海面浓
9、度时，需要其它,资料的辅助，特别是与辐射计测量的时间和空间接近的,风速或有效波高、海洋表面温度的信息。,海洋盐度遥感的三大主要科学目标为：（,1,）提高季度,至年度的气象预报能力；（,2,）提高海洋降雨估计和全球水文,预算能力；（,3,）监测大范围的海水盐浓度异常现象。,正在研制专门测量盐浓度的卫星，其精度将达,0.2-0.3psu,。,8.2,海冰与冰山现象的遥感探测,（,1,）海冰探测的意义,海冰几乎占全球海洋表面的,1/9,。,?,海冰对海上交通运输、海洋资源开发和全球气候的变,化等都具有重要的影响；,?,海冰的消融会造成整个洋面的上升，因而造成某些沿,海地区被淹没。,1.,概述,8.2
10、,海冰与冰山现象的遥感探测,（,2,）海冰的一般分类,?,新成冰（,new ice,）【新冰】,?,初期冰（,young ice,）【幼年冰】,?,头年冰（,first year ice,）,?,多年冰（,old ice,）,1.,概述,依据海冰产,生与持续时间,8.2,海冰与冰山现象的遥感探测,（,3,）海冰探测的主要内容,?,冰的密度探测,?,冰类分析,?,浮冰跟踪,?,冰块探测,1.,概述,在海冰探测的基础上，可进行海冰与气候之间的关系分析。,8.2,海冰与冰山现象的遥感探测,（,4,）海冰的观测方法,?,海岸站测量,?,表面船只测量（如钻孔）,?,航空器测量和卫星遥感（光学和微波传感器
11、）,?,潜水艇测量（声纳）,?,漂移冰站,1.,概述,8.2,海冰与冰山现象的遥感探测,（,1,）光学传感器的观测方法,利用海冰与海水在可见光与近红外波段的反射,率差异和温度的差异对海冰及其密集度进行探测，,可用于海冰活动和走向的研究，但云层的出现减少,了资料的可利用率。,2.,海冰与冰山的遥感探测,8.2,海冰与冰山现象的遥感探测,（,1,）光学传感器的观测方法,2.,海冰与冰山的遥感探测,?,NOAA-A,VHRR,海冰检测方法：,?,利用海冰在可见光与近红外波段反射率高的特点,?,利用冰面温度小于水域温度的方法：,IST=a+b,T11+c,T12+d,(T11,T12)sec,8.2,
12、海冰与冰山现象的遥感探测,?,NOAA-,A,VHRR,海冰,检测方法：,8.2,海冰与冰山现象的遥感探测,（,1,）光学传感器的观测方法,2.,海冰与冰山的遥感探测,?,MODIS,海冰的识别方法,一般情况下识别海冰的方法：位于海洋且同时满足,以下条件的像元，可以定义为,“海冰”：,?,NDSI,(RefMODIS4-,RefMODIS6)/(RefMODIS4+RefMODIS6),0.4,；,?,RefMODIS2 0.11,；,?,RefMODIS1 0.1,归,一,化,雪,被,指,数,8.2,海冰与冰山现象的遥感探测,（,1,）光学传感器的观测方法,2.,海冰与冰山的遥感探测,?,M
13、ODIS,海冰的识别方法,一些特殊情况的考虑,：对于较薄海冰（厚度小于,10,厘米，没,有雪覆盖），其反照率较低，利用雪被指数不容易分辩，在这,种情况下，利用冰表面和海表面的温度差异进行识别。,MODIS,计算冰表面温度的算法（,MODIS 31,和,32,波段）：,IST=a+b,T31+c,(T31,T32)+d,(T31,T32)(sec,-1),a,b,c,d,根据,T31,位于不同的温度范围：,T31 240K,，,240K,T31 260K,，,T31 260K,，取相应的系数。,8.2,海冰与冰山现象的遥感探测,MODIS,海冰的识,别方法,8.2,海冰与冰山现象的遥感探测,（,
14、2,）微波探测方法,2.,海冰与冰山的遥感探测,海冰在雷达图像上表现出丰富的反射回波现象，而海水,部分则呈现出强烈的衰减与吸收，这种差异使得海冰下表,面的位置和轮廓可被完整的表现出来。,微波进行海冰监测的物理原理：在微波频率上，冰几乎,是透明的，而水是一个良好的吸收体，由于它们在微波频,率上的发射率和介电常数不同，可以进行区分。,8.2,海冰与冰山现象的遥感探测,（,2,）微波探测方法,2.,海冰与冰山的遥感探测,不同类,型海冰,的比辐,射率,多年冰层内的结构和成,分较复杂，导致了其比,辐射率变化复杂。,8.2,海冰与冰山现象的遥感探测,（,2,）微波探测方法,2.,海冰与冰山的遥感探测,海冰
15、辐射,亮温与海,冰厚度的,关系,8.3,海洋溢油污染的遥感监测,1.,海洋溢油污染遥感监测的重要性,溢油现象不仅造成了海洋环境污染，而且对水产业、旅游,业也造成了巨大损失。,卫星遥感监测在海上溢油事故处理中发挥着多重作用。在,溢油事故责任主体明确的情况下，可以为计算溢油面积、溢,油量、己有的和未来可能的污染范围和污染程度提供依据，,在责任主体不明的情况下，除了能发挥上述作用外，还可以,结合气象、水文等资料推算出原始溢油地点，从而为确定责,任主体或海底石油资源的位置提供依据。,8.3,海洋溢油污染的遥感监测,2.,海洋溢油遥感监测的方法,（,1,）可见光波段监测,在可见光波段垂直观测时，水面油膜
16、的反射率比,洁净海面的反射率相比较高，但油面的反射强度也与,遥感器的观测角有关，在可见光内缺乏有效的区别于,背景信息的特征光谱。,总的来说，可见光波段探测能力是有限的，但它,在提供溢油定性描述和相对位置等方面是一种较为经,济和实用的手段。,8.3,海洋溢油污染的遥感监测,2.,海洋溢油遥感监测的方法,（,2,）热红外波段监测,水和油膜的热红外发射率具有一定的差别。实验,表明，厚度大于,0.3mm,的油膜，发射率在,0.95-0.98,之,间，海水的发射率为,0.993,。所以实际温度相同的海,水与油膜，它们的热红外辐射强度也不同。,热红外图像中，厚油层“热”，中等厚度“冷”，,薄油层或油膜则难
17、以探测。,8.3,海洋溢油污染的遥感监测,2.,海洋溢油遥感监测的方法,（,3,）紫外波段监测,紫外遥感器可以对甚薄油层进行探测，因为即使,是甚薄油层,(0.05m),也会有很高的紫外辐射反射。,通过紫外与红外图像的叠加分析，可以得到溢油层的,相对厚度。但紫外遥感易受外界环境因素的干扰而产,生虚假信息。,8.3,海洋溢油污染的遥感监测,2.,海洋溢油遥感监测的方法,（,4,）激光荧光监测,激光荧光传感器是一种主动式遥感器，它的工作,原理是：油类中的某些成分吸收紫外光，并激发内部,电子，通过荧光（主要在可见光区）发射可以将激发,能迅速释放。荧光可以作为油类的探测特征，而且因,为不同油类产生的荧光
18、强度和光谱信号强度都不相同，,因此利用该特性进行油类的遥感识别是可能的。,工作波长为,300-355nm,8.3,海洋溢油污染的遥感监测,2.,海洋溢油遥感监测的方法,（,5,）,SAR,监测海面溢油,海面覆盖油膜时，会使海面张力波和短重力波,受到阻尼，从而使海面变得略为光滑，引起雷达后向,散射系数降低，从而导致雷达图像的灰度降低。,8.3,海洋溢油污染的遥感监测,2.,海洋溢油遥感监测的方法,（,5,）,SAR,监测海面溢油,8.3,海洋溢油污染的遥感监测,2.,海洋溢油遥感监测的方法,（,6,）微波辐射计监测海面溢油,在微波辐射计使用的频率上，油膜的微波辐射率,要比海水高，同时油膜辐射率还
19、随其厚度发生变化，,即表现在微波辐射计影像上灰度的变化，因此可监测,油膜的厚度，进而估算溢油量。,（,7,）其它方法监测海面溢油,如教材中提及的激光扫描成像、湿度测定、声学遥感,技术等。利用激光,-,声学遥感器可探测油膜的绝对厚度。,8.3,海洋溢油污染的遥感监测,3.,海洋溢油遥感监测的现状与发展,（,1,）从目前状况分析，航空遥感仍是重要的溢油监测手,段。从性能和成本等方面综合考虑，红外遥感将在今后一,段时间内仍居航空溢油探测的主导地位。,（,2,）激光遥感器是惟一能够区别溢油污染和水生植物及,海岸，并可以辨别出溢油的种类和油层厚度的仪器。它的,业务化应用将极大地推进溢油监测水平。,8.3,海洋溢油污染的遥感监测,3.,海洋溢油遥感监测的现状与发展,（,3,）星载雷达,SAR,是惟一可以提供大范围全天候溢油监测,的遥感器，将是重要的业务化发展方向。目前,SAR,的应用限,制是卫星的地面覆盖周期长，且分辨率偏低，因而监测的实,时性差，对小范围溢油难以监测。,（,4,）未来的发展趋势是充分利用传感器和计算机技术，形,成多遥感器实时数据的收集与融合，并将与,GIS,和数值模型,等技术相结合，建立数据综合处理与分析预测的应急反应集,成系统，为溢油事故的分析、应急反应方案的制定、以及损,害评估等提供依据和技术支持。,
