第六章 海面风场遥感 - 海洋遥感

2020/2/28海洋遥感TheOceanicRemoteSensing2020/2/28第六章海面风场遥感概述微波散射计测量海面风场SAR获取海面风场信息其它方法测量海面风速2020/2/286.1概述1.海面风场测量的意义海面风场测量对于海洋环境数值预报、海洋灾害监测、海气相互作用、气象预报、气候研究等都具有重要意义。常规资料主要通过船舶、海上浮标、沿岸和岛屿气象台站来测量获得，难以满足宏观、实时海洋监测的需要，卫星遥感技术起到了非常重要的补充作用。2020/2/286.1概述2.海面风场遥感测量的波段与传感器•可见光、红外遥感方法•微波散射计•微波辐射计•高度计•SAR2020/2/286.1概述3.海面风场微波遥感测量的原理•风速测量-微波传感器不能直接测量海面风矢量，微波测量海面风速是基于海面的后向散射或亮温与海面的粗糙度有关，而海面粗糙度与海面风速之间具有一定的经验关系而进行的。•风向测量-对同一海域不同入射角的资料进行分析，可获得风向分布信息。用于描述雷达后向散射系数与海面风矢量(风速和风向)之间的经验关系称为风场反演的地球物理模式函数。2020/2/286.2微波散射计测量海面风场1.发展历史•1966年Morre教授提出散射计测量海面风场的概念。•1973年Skylab卫星S-193散射计和1978年Seasat-A卫星SASS散射计的成功经验证实了该技术的有效性。•1991年ESA的ERS-1卫星上装载了主动微波探测仪，使卫星散射计风场测量进入业务化监测的新纪元。•1999年QuikSCAT卫星的SeaWinds散射计提高了测量精度。目前测量风速范围在4～24m/s，精度为±2m/s或10％，风向范围0～360°，精度±20°。2020/2/286.2微波散射计测量海面风场2.测风原理微波散射计（Ku波段和C波段的微波散射计）通过测量海面微波后向散射系数，根据它与海面风矢量的经验模式函数来反演海面风场。微波散射计的入射角一般大于20度，散射计测量海面风场以Bragg共振散射模型和双尺度模型为主。2020/2/286.2微波散射计测量海面风场2.测风原理（1）雷达后向散射系数的计算：)()4(0220430trwpPPAGR（2）单位面积后向散射系数的Bragg表达：2/112/142/12/10)()(cossincos22kuggij可见，后向散射系数随摩擦风速u线性增长。2020/2/286.2微波散射计测量海面风场2.测风原理（3）海面高度z处风速的计算：（Monin-Obukhow方程）)]()[ln()(00LzzzzkuuzUas可见，后向散射系数与海面风速具有较大相关性。us为海面风速，ka为Karman常数（常取0.4），z0可用经验关系式表达，ψ为考虑大气稳定性的修正值，L为M-O长度。2020/2/286.2微波散射计测量海面风场2.测风原理（4）后向散射系数与风向之间的关系：在风速固定的条件下，后向散射系数在逆风观测时最大，顺风其次，而横风最小。2020/2/286.2微波散射计测量海面风场3.海面风场反演过程（1）反演步骤•计算归一化后向散射系数，并获得不同视角天线对同一区域的观测；•利用风矢量与归一化后向散射系数之间的关系，进行风速和风向估计；•多个可能风矢量解模糊性的消除。2020/2/28海面风场微波散射计测量流程2020/2/286.2微波散射计测量海面风场3.海面风场反演过程（2）风矢量反演模式),,...,,(0iUf一般情况下，风矢量反演模式表达为：)2coscos1(baAUr试验基础上，已获得后向散射截面与风矢量之间具有如下关系：式中系数根据经验确定，取决于入射角θ。Φ为相对方位角，与风向和雷达观测方位角有关。2020/2/28※模式函数研究进展•SASS-1模式函数•SASS-2模式函数•NSCAT-1模式函数•NSCAT-2模式函数•QSCAT-1模式函数•Ku-2001模式函数•CMOD1-12模式函数•CMOD-IFR2模式函数Ku波段的模式函数C波段的模式函数6.2微波散射计测量海面风场模式函数一般采用统计的方法经验获得。2020/2/286.2微波散射计测量海面风场3.海面风场反演过程（2）风矢量反演模式-常用：4/20000cdua2/001dua4/20002cdua2cos,cos,,,,2100UaUaUaU下标0u、0d和0c分别表示逆风、顺风和横风时观测的后向散射系数。风速、入射角和极化方式的函数。Φ为相对方位角，为风向和雷达方位角之差。2020/2/286.2微波散射计测量海面风场3.海面风场反演过程（2）风矢量反演模式入射角和风向固定时，后向散射截面随风速的变化2020/2/286.2微波散射计测量海面风场3.海面风场反演过程（2）风矢量反演模式风速固定时，后向散射系数随相对方位角的变化2020/2/286.2微波散射计测量海面风场3.海面风场反演过程（3）实际应用的风矢量反演模式•Ku波段-Morre模式2coscos2100AAA000aUaA0111)log(AUaaA0222)log(AUaaA•Ku波段-Wentz（SASS-II模式）2coscos3213210UaUaUa2020/2/286.2微波散射计测量海面风场3.海面风场反演过程（3）实际应用的风矢量反演模式•C波段–本质是简化的Morre模型主要针对ERS系列卫星的模型，相继开发出了CMOD1-12模型。CMOD5-12：)2coscos1(1021010bbU6.10))2cos()2tan(3cos11(0bbbbCMOD-4（欧空局采用的标准算法）：2020/2/28后向散射系数随风速和风向的变化(CMOD4)2020/2/286.2微波散射计测量海面风场3.海面风场反演过程（3）实际应用的风矢量反演模式由以上可见，模式函数是风速、风向、入射角、天线极化方式等参数的非线性函数，加上后向散射系数测量噪声的影响使得无法利用模式函数直接获得风矢量信息。所以，需要其它方法的配合进行风矢量求解。2cos,cos,,,,2100UaUaUaU2020/2/286.2微波散射计测量海面风场3.海面风场反演过程（4）实际求解中的最大似然反演法最大似然估计的目标函数：imNiimimoiVarVarwJln,12oi后向散射系数的测量值imw,后向散射系数的模式预测结果2020/2/286.2微波散射计测量海面风场3.海面风场反演过程（4）实际求解中的最大似然反演法•首先取风向为0度，给定一个起始风速(如7m/s)，在风速区间范围内(如0-50m/s)按一定间隔寻找使目标函数式取得最大值的风速，记录风速值和相应的目标函数值；•风向增加一个间隔，以上一个风向下找到的风速为起点，重复上步，直到整个风向区间(0-360°)搜索完毕为止；•将局部最大值按从大到小的顺序排列,取出前四个对应的风速、风向作为模糊解。2020/2/286.2微波散射计测量海面风场3.海面风场反演过程（4）实际求解中的最大似然反演法研究表明，在绝大数情况下，真实的海面风矢量就是最大似然意义上的第一或第二解，而且这两个解之间存在180度的方向差。一般情况下，有60%的最可能风矢量解接近真实风速和风向，大约30%的最可能解与实际真实风向相反。对此，技术上主要采用中值滤波方法进行多解消除处理。2020/2/286.2微波散射计测量海面风场3.海面风场反演过程（5）风向多解消除-矢量中值滤波对于每个窗口，计算中心点的滤波函数值，用最小值Uij所对应的风矢量代替方程中的Umn，重复计算滑动窗口，直到Uij=Umn。另外，还有一种场方式模型的多解消除方法。mnkijhihimhjhjnnmpkijkijUAWLE''1矢量中值滤波初始场的确定：最可能的风矢量解作为初始场、模式风场作为初始场。2020/2/286.3SAR获取海面风场信息1.SAR获取海面风场的意义尽管微波散射计具有全天候条件下获得全球海面风场的能力，但其分辨率不能满足近岸带观测的需要，高空间分辨率的合成孔径雷达可以弥补散射计测风的不足。2020/2/286.3SAR获取海面风场信息2.SAR获取海面风场的原理SAR在波束入射角20～70的情况下，所接收来自海面的后向散射主要为Bragg散射，其中风是影响后向散射的主要因素之一。根据风速与雷达后向散射系数之间的关系，可进行风速的反演；利用SAR图像上与风向有关的“风条纹”结合气象预报模式结果或者现场测量数据，可获得风向信息。2020/2/286.3SAR获取海面风场信息3.SAR获取海面风场的流程SAR图像校准SAR后向散射系数风向信息模式风场CMOD模式函数海面风矢量2020/2/28雷达后向散射系数与雷达亮度的关系：sin00后向散射系数与DN值之间的关系为：DN值与雷达亮度和后向散射系数的关系：0002)Costant(sinCostantCostant[DN]K为校准常数ref为参考入射角23°为入射角•ERSSAR数据（1）图像辐射定标ref20sinsinK]DN[2020/2/28]/)[(DNlog10212100AA雷达亮度与DN值的的关系为：)(sinlog101000雷达后向散射系数与雷达亮度的关系为：为雷达入射角；2A为输出定标增益；1A为偏移量•RadarSatSAR数据（1）图像辐射定标)22arccos(22rRrhRhh为卫星轨道高度；r为地球半径；R为斜距。2020/2/28（2）CMOD模式函数0-后向散射系数；VV-垂直极化；,-风向和雷达天线方位角；CMOD-IFR2模式函数较为常用-只适合于VV极化：)])(2cos)cos(1[10log(1021010bbUbaVV10U-海面上10米高度处风速；工作于HH极化的SAR，需要描述HH和VV极化关系的极化率模型。如：2020/2/28（3）风向的确定通常情况下，SAR图像上存在与海面局部风向平行的条纹，称为风条纹。由此，可通过SAR图像的低波数谱来确定风向。NjNkNkmjlkjmleX11/)(2,,通过该方法可直接利用SAR图像反演风向，不需要辅助信息。但得到的风向有180度的风向模糊，而且SAR图像上的线性特征不总是存在。可通过其它方式如模式风场、现场观测数据、浮标数据等来配合风向的确定。2020/2/282000/11/15UTC09:44RADARSATSAR反演的海面风场图像谱图像风矢量2020/2/28（4）SAR反演海面风速误差分析利用合成孔径雷达SAR图像反演高分辨率的海面风矢量的误差主要与经验模式函数、风向、入射角和后向散射系数有关。•入射角可准确计算，其影响较小；•误差随风速的增大而增大；•图像上的噪声造成后向散射系数的误差，从而影响风速反演精度。2020/2/286.4其它方法测量海面风速1.微波辐射计测量海面风速（1）基本原理基于海面微波辐射率与海面粗糙度之间具有高相关特征（粗糙度增加，海面辐射率增加，极化特征变弱），而海面粗糙度又与风速有关。（2）主要方法统计回归分析方法、基于辐射传递的物理算法。2020/2/286.4其它方法测量海面风速2.卫星高度计测量海面风速（1）基本原理海面在风的作用下产生波浪，从而引起海面粗糙度的变化。随着风速的增大，回波强度变小。即高度计后向散射截面与海面风速存在着反比关系。（2）主要方法利用海面风速与雷达后向散射截面之间的模式函数或查找表。p257-260介绍了13种模