海洋内波的光学遥感探测

龙源期刊网海洋内波的光学遥感探测作者：李旭光高国兴来源：《数字技术与应用》2012年第09期摘要：海洋内波是当今海洋遥感探测的热点。星载可见光传感器已成为海洋内波研究的重要手段之一。本文回顾了光学遥感海洋内波的研究进展。利用Cox-Munk模型初步探讨了光学遥感利用太阳耀斑探测海洋内波的可见光成像机理。关键词：遥感探测海洋内波光学遥感太阳耀斑中图分类号：P714文献标识码：A文章编号：1007-9416（2012）09-0225-021、引言海洋内波是海洋中的一种普遍现象，是界面水体波动的现象。这种波动现象发生在海面表现为波浪，在海洋内部则为内波。其最大振幅出现在海洋内部，对自由海面没有多大影响。波动频率介于惯性频率和频率之间，其恢复力在频率较高时主要是重力与浮力的合力，当频率低至接近惯性频率时主要是地转科氏惯性力，所以内波也成为内重力波或内惯性-重力波。本文主要论述了海洋内波的可见光遥感探测及成像机理研究。海洋内波[1]发生具有很强的随机性，直接观测海洋内波不仅花费昂贵，且只能局部观测。随着遥感技术的发展，可见光、高度计和SAR遥感逐步成为探测海洋内波的主要方法。相对于传统的观测海洋内波的方法，遥感探测的方法具有空间覆盖范围广，分辨率相对较高，资料获取费用相对较低且信息记录在影像上比较直观等优点。目前，机载和星载雷达或光学传感器都可以在大空间内观测到海洋内波。2、国内外研究现状最早就是利用遥感技术光学手段观测到内波的，Shand1953年利用航空摄影的方式记录了内波引起海面明暗的条带现象。此后就不断地有这方面的研究报告。Apel（1975）利用陆地卫星LandSat可见光遥感图像观测到了内波，并指出卫星遥感是探测研究海洋内波的新技术。Hennings等（1994）证明了内波的太阳耀斑成像机制的一阶理论。Weidemannetal.（2000）利用光学方法研究内波发现内波在海洋底部深层浑浊水的扰动可以利用离水辐射率探测到。ShanCHEN和A.J.CHEN[2]（2000）分别利用ERS-1/2上SAR图像和SPOT1-3可见光图像资料来调查南中国海和苏禄海内孤立波在海面的特征，比较了海洋内波的特征在SAR和可见光图像上相似和不同，同时给出了内波可见光图像特征在耀斑区和非耀斑区域的差异。Msheimer（2001）进一步论述了可见光内波遥感的机理，在Cox—Munk模型理论的基础上，研究了海表面的太阳耀斑在内波可见光成像中起着重要的作用，内波的波流作用导致海洋表面发生辐聚辐散的变化，该过程改变了海面小面元的起伏程度，即改变了海面的粗糙度，进而影响了光学龙源期刊网传感器接收到海面适当倾斜小面元对太阳耀斑镜面反射的辐亮度，影响了可见光遥感图像上明暗条纹的光亮成度。Jackson利用2002年8月到2004年5月收集的3581幅MODIS内波图像数据对全球范围的海洋内波进行了总结，得到了全球范围的高频非线性内波的分布图。观测表明，内波不仅在大陆架和大陆坡处常见，而且在各个大洋也观测到了大量内波的存在。Yangding-tian（2009）利用中巴资源卫星（CBERS）的可见光遥感数据探测和计算了海南岛东部的内波分布、传播方向、波长和振幅等信息，结果表明此区域内波的传播方向是背离海岸的。Matthews等（2010）利用太阳耀斑信息，从全色遥感立体测绘仪影像中观测到了Lombok海峡附近的内波。这些研究表明，内波引起的光学图像的变化可以由可见光遥感探测到。3、海洋内波可见光遥感成像机理Cox和Munk[3]1954年利用航空拍摄的照片中的太阳耀斑信息测量了海表面小斜坡的分布，通过试验得到了太阳耀斑区域辐亮度与海面小坡度概率分布的关系，并且得到了不同风速下海表面小坡度的概率分布函数的经验关系式，同时假设海表面波都是由许多类似于镜面的小平面组成，每一个小平面具有特定的斜率，海表面波中的大部分可以为水平风向函数被描述为统计斜率分布的平均。假设在海表面存在确定的坐标系如图1所示。轴正向指向逆风方向，轴的正向指向为轴正向逆时针旋转，即侧风方向，Z轴指向天顶，单位向量和分别指向太阳和卫星传感器如图1所示。内波在光学遥感影像中的成像机理与SAR成像非常相似，在内波传播区域形成辐聚辐散作用改变了海表面的粗糙度，进而调制了海表面的小面元的倾斜程度，使得可见光遥感图像中太阳耀斑增加或消失，因而可以在光学遥感图像中成像。决定太阳耀斑区辐亮度的是那些适合角度海表面小面元的反射，太阳耀斑反映了那些小面元的累积效应。合适坡度值的小面元越多，卫星传感器接受到的太阳耀斑辐亮度越强。通过综合分析我们得到太阳耀斑的辐亮度为[4]式中：为风速。从（1）～（4）式可以看出，太阳耀斑的辐亮度和海面粗糙度是有关系的。海洋内波流调制的辐聚辐散效应使得海面的粗糙度增加或减小，从而影响了海面斜坡的概率分布函数的变化，影响了太阳耀斑的辐亮度，在可见光图像上表现为或明或暗的条纹。把（2）和（3）式带入（1）式，我们得到关于海面粗糙度为参数的太阳耀斑相对辐亮度，即（5）若已知太阳的入射角和传感器的反射角，我们可以通过（5）式计算太阳耀斑的辐亮度。4、遥感传感器的比较随着遥感技术的进步和各类传感器精度的提高，利用光学遥感海洋内波逐渐增多，相比SAR和红外辐射计而言可见光仪器可以弥补其较低的空间分辨率，利于观测。但可见光遥感龙源期刊网同时收到天气和昼夜交换的制约。红外辐射计、合成孔径雷达、可见光传感器的比较如表1所示。5、结论与展望本文初步探讨了光学遥感利用太阳耀斑探测海洋内波的可见光成像机理。光学遥感具有探测范围广、成像分辨率高和所获信息记录在影像上比较直观，分析解译也比较容易的优点。作为内波探测的一种方法可与SAR和红外遥感探测内波方法相结合，提高探测概率，获得更宽的探测条件。目前，海洋内波可见光遥感探测研究有一定的认识但尚处于探索阶段。虽然现阶段获得了大量的可见光探测内波图像，但关于内波调制下的光学成像机理还需进一步研究。参考文献[1]林辉.星载SAR海洋内波遥感进展研究[J].地球物理学进展.2004第25卷（3）：1081-1091.[2]FETTRW，RABEK.SatellitebservationofinternalwaverefractionintheSouthChinaSea[J].GeophysResLett.，1977，4（5）：189-191.[3]CoxMunkSlopesoftheseasurfacededucedfromphotographsofsunglitter[J].UCSanDiego，1956，6：418-439.[4]MeishmerC.Sunglitterinspotimagesandthevisibilityofoceanicphenomena[A].Proceed.22ndAsianconferenceonRemoteSensing.Singapore，2001.870-875.