第四章 海洋表面温度遥感 - 海洋遥感分解

2020/1/23海洋遥感TheOceanicRemoteSensing2020/1/23海洋遥感处理软件2020/1/23第四章海洋表面温度遥感概述微波辐射计海表温度反演热红外辐射计海表温度反演2020/1/234.1概述1.海表温度的重要性海洋表面温度是重要的海洋环境参数，是海洋环境非常重要的基础信息。几乎所有的海洋动力过程都直接或间接与之有关。海表温度被广泛用于海洋动力学、海气相互作用、渔业经济研究、污染监测和海温预报等方面。另外，海表温度也是监测海洋现象（如海冰、涡流等）的重要参量。2020/1/23海表温度用于寻找渔场2020/1/23电厂热水排放后的温度分布2020/1/234.1概述2.海表温度的测量方法•现场船只测量（结合固定或移动浮标）•航空或卫星遥感测量-优势较大，而且其精度已达业务化应用水平;-分为被动微波波段测量和热红外波段测量；2020/1/234.1概述※.微波和热红外波段海温测量的优缺点比较方法微波辐射计测量热红外辐射计测量优点可全天时、全天候进行，受云影响较小，大气校正相对容易；分辨率较高，技术发展成熟（已达业务化运行程度）；缺点测量精度与分辨率较低，对表面粗糙度和降雨敏感；在无云区进行，需进行精确的大气校正。2020/1/234.2微波辐射计海表温度反演1.测量的原理基础（1）海洋中各种参数的适合观测频段海表温度：7GHz附近；水汽影响：21GHz附近；粗糙度影响：11GHz附近；降雨影响：18GHz附近；云影响：37GHz附近2020/1/234.2微波辐射计海表温度反演1.测量的原理基础（2）瑞利－金斯公式与应用特定波长处的辐射度：22)(kTTBfkTBb22)(某波段的辐射度：海表的发射率：sBiiTTe),(),(与极化方式、方向和频率有关fkTBBii2),(),(由黑体的极化辐亮度可知，海表的极化辐亮度：Tb=e*Ts2020/1/234.2微波辐射计海表温度反演2.微波辐射计海温测量的原理（1）微波辐射计测量的亮度温度TaSensorT0η为天线的辐射效率，TA为天线的亮度温度，T0为天线的物理温度。0)1(TTTaAAPATTTTa,,,0区分几个参数的不同意义2020/1/234.2微波辐射计海表温度反演2.微波辐射计海温测量的原理（2）对微波辐射计测量结果产生影响的量及其计算a.天线的视在温度TAP也称为表观温度，表示入射到天线上的能量，不仅包括地物的辐射，而且包括大气的影响。应包括主瓣和旁瓣的贡献之和。uskydsAPTTtetTeetTT2)1()1(eTt传感器大气skyTdTuTsT海表2020/1/234.2微波辐射计海表温度反演2.微波辐射计海温测量的原理（2）对微波辐射计测量结果产生影响的量及其计算SLmMLmATaTaT)1(b.天线的亮度温度TA天线主瓣效率即天线的辐射测量温度，应表示为主瓣贡献的有效视在温度与旁瓣贡献的有效视在温度之和。4444)()()()(dGdGTTdGdGTTnnsAPSLnnmAPML2020/1/23（3）微波辐射计测量计算过程正演过程反演过程2020/1/234.2微波辐射计海表温度反演3.微波辐射计海温测量的实际应用从以上可知，微波辐射计测量海面温度对技术要求较高，目前尚不能达到业务化应用的要求。在实际应用中，有学者利用统计方法得到了一些初步结果。如采用下面模型，对于神州4号微波辐射计，建立了如下模型。2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演1.反演原理－TIR波段水气辐射传输模型,eLtasunasLttLtLeteLL)1(传感器探测到的辐射为：太阳传感器大气海表sunLaLaL)(ssTBLasLtLLe＝1简化2020/1/23※.宽通道光谱响应函数的考虑dRLLi)()(21nniRLRL)()()(（1）（2）2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演2.反演方法a.单通道直接反演方法基本思想：根据成像时刻的大气状况数据（主要为湿度和温度垂直廓线），采用一定的大气模式，计算得到有关的大气参数。但精确的实测大气垂直廓线比较困难，因此该方法在实际中应用较少。asLtLL2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演2.反演方法b.单通道统计方法基本思想：从水-气辐射传输方程出发，考虑大气含水量和传感器视角的影响，建立遥感亮度温度与海面温度的经验公式，通过同步实测资料回归经验系数。2020/1/23b.单通道统计方法-举例GMSNOAA(5)2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演2.反演方法c.分裂窗反演方法（★）基本思想：根据大气对不同分裂窗波段（如10.5-11.5um，11.5-12.5um）电磁辐射的影响不同，采用不同波段测量结果的组合关系来消除大气的影响，从而得到海表温度。由McMillin1975年最早提出该法，其依据是AVHRR在第4和5相邻通道内具有不同的吸收特性。2020/1/23c.分裂窗反演方法（★）－原理asLtLL用Taylor级数展开Planck函数：)1]([tTTTTsas555444bkTTbkTTss][,1asiiiiTTwbwkt考虑水气的吸收k和路径长度w：常数5454kkTTTTssaT为大气的加权平均气温2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演2.反演方法d.多通道统计模型法（★）基本思想：采用多个通道之间的统计模型来进行温度反演。注意：统计模型中的双通道如果为分裂窗波段，则该模型也可归属为分裂窗模型的范畴。2020/1/23常用多通道分裂窗模型（★）NOAA非线性回归法NLSST（分裂窗方法）：2020/1/23NOAA多通道法MCSST（分裂窗方法）：常用多通道分裂窗模型（★）-2020/1/23NOAA双通道方法常用多通道分裂窗模型三通道方法2020/1/23常用多通道分裂窗模型（★）MODIS“迈阿密探路人”海表温度算法MPSST：2020/1/23常用多通道分裂窗模型（★）MODIS利用22和23通道来进行反演：这个方程只有一组系数。对TERRA卫星上的MODIS，C1、C2、C3和C4分别为-0.065，1.034，0.723和0.972。针对我国海区的特点，可以利用浮标、海上台站和船舶常规监测数据对上述公式系数进行回归，得到适合我国海区的MODIS海温反演算法。2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演2.反演方法e.多角度反演方法基本思想：不同角度观测目标，所经过的大气吸收路径不同，因而受大气的影响不同，即利用目标吸收热红外辐射的差异来消除大气的影响。21021020/)()/)(1(/)(aaaTTPaaaaaTTTTAfAnnfnnSATSR采用锥形扫描技术可对同一地点从不同角度（0°和55°）测量两次，从而可利用多通道、多角度来提高大气校正精度。2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演2.反演方法f.多角度与多通道结合的反演方法基本思想：同时利用多通道和多角度数据中所包含的大气信息来消除大气的影响。模型参数的不确定性和难以计算性，使方法e和f实际应用较少。2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演3.反演过程几何定位（投影处理）水陆分离2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演3.反演过程（1）数据几何与辐射预处理•辐射定标•热红外通道亮温的计算a.几何预处理b.辐射预处理•几何投影•几何精校正•图像镶嵌2020/1/23h地心Ore卫星位置SABii+1ησ扫描角σ与地心角η之间的关系示意图计算每条扫描线的地面距离计算每条扫描线的像元数目新定位点在原扫描线的位置象素重采样扫描行展宽处理流程行分辨率归一化（扫描行展宽）※几何预处理-极轨气象卫星为例2020/1/23行分辨率归一化（扫描行展宽）结果示例－2005年4月1日7点获取的FY1D图像扫描行展宽前后的图像对比※几何预处理-极轨气象卫星为例2020/1/23几何投影变换粗校正•生成标准高斯平面网格•像元定位•象素重采样投影变换几何粗校正前后的图像对比结果示例－2005年4月7日8点获取的FY1D图像※几何预处理-极轨气象卫星为例2020/1/23平移精校正•在定位准确的图像上确定一个窗口模板（要求）；•在待校正图像上，以窗口模板的位置为中心，在一定范围内滑动窗口，找出与模板窗口相关性最大的窗口位置；•根据待校正图像的窗口位置和参考图像窗口位置的关系定位。※几何预处理-极轨气象卫星为例2020/1/23平移精校正几何精校正前后的图像对比（50％透明度叠加）与地理底图匹配结果示例－以2005年4月7日8点获取的FY1D图像作为标准，校正4月8日10点获取的NOAA-17图像。※几何预处理-极轨气象卫星为例2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演3.反演过程（2）云检测方法在可见光通道上，云的反射率要比晴空下的地物高的多；而热红外通道上，云的温度要比地物温度低的多。对这两个波段设定合理阈值，可进行云的检测。利用可见光波段除了可以检测出部分高云外，还可以检测出具有较高温度的低云；而热红外波段则可以检测出温度较低的中、高云。a.单通道阈值法2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演3.反演过程a.单通道阈值法-示例ByvisualbandbyTIRbandbyvisualandTIR2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演3.反演过程b.多通道联合方法（2）云检测方法2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演3.反演过程（2）云检测方法利用热红外波段直方图统计的结果判断：若一高温峰和一低温峰同时出现，则说明部分有云；若只有高温峰，则无云；若只有低温峰，则全为云覆盖。c.直方图统计法2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演3.反演过程（2）云检测方法利用常年的海面温度平均值与每个像元点的温度值进行比较，当探测值大于常年平均值时，就认为是晴空，否则认为有云影响。具体应用时，应对常年平均值进行调整。d.常年平均海平面温度截断法2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演3.反演过程（2）云检测方法根据云的动态变化特点，将多幅序列的图像进行综合分析比较，检测出云。该方法还常用于云区的替补处理。e.时间序列分析法2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演3.反演过程（3）云替补方法单一遥感图像会因为云的出现产生大量资料空缺现象，需进行不同轨道和不同时相的云替补工作。云替补方法有资料插值、平滑、匹配修正等常规方法；数值内插、曲面拟合和动力方程的数模替补方法，利用历史同期标准温度图进行时间域的替补等。2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演3.反演过程（3）云替补方法–举例一般要对陆域和水域进行分离处理2020/1/232006-6-22MODIS反演海温4.结果输出2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演5.反演精度的影响分析产生遥感SST误差的因素很多，卫星遥感和SST反演的许多环节都会产生误差。（1）热红外传感器本身的精度和辐射定标精度可产生0.15℃左右的误差，在遥感SST图像上可发现许多由遥感仪器造成的噪音；（2）相同模型在不同区域的精度相差很大（包括模型本身对水汽校正误差的影响）；2020/1/234.3热红外辐射计海表温度反演（3）用相同资料采用不同SST反演模式所产生的差值为0.5-0.7℃左右；（4）遥感测量的是海表辐射温度，与实测的水体温度（实测温度本身误差统计的RMS值在0.5℃左右）可差±1℃，这种差异受风速、温度、云量、海况、昼夜等因素的影响。5.反演精度的影响分析