第五章-海洋水色遥感---海洋遥感..

2020/3/23海洋遥感TheOceanicRemoteSensing2020/3/23第五章海洋水色遥感概述海洋水色遥感机理生物-光学算法的物理基础海洋水色要素浓度反演赤潮现象的遥感监测与反演2020/3/235.1概述1.海洋水色遥感传感器1970年，Clarke等成功的验证了利用航空光谱遥感水体表层叶绿素浓度的可行性。•CZCS（Nimbus-7）•SeaWifs（SeaStar）•MODIS（Terra-Aqua）•COCTS（HY-1A、HY-1B）2020/3/235.1概述1.海洋水色遥感传感器2020/3/235.1概述1.海洋水色遥感传感器波段设置2020/3/235.1概述2.与海洋水色遥感有关的应用和研究•全球气候变化（包括海洋碳通量研究）•海岸带管理与（工程）环境评价•海洋初级生产力与海洋渔业资源的开发、保护•海洋污染环境的监测•海洋动力环境研究•海洋生态系统与混合层物理性质的关系研究2020/3/235.1概述2.与海洋水色遥感有关的应用和研究2020/3/235.1概述3.海洋水色遥感中的关键技术•大气校正-从传感器接收到的信号中消除大气的影响，获得包含海水组分信息的海面离水辐射度。•生物光学算法-根据不同海水的光学特性与离水辐射度之间的关系，估算有关的海洋水色要素。2020/3/235.1概述4.海洋水色遥感的几个基本概念a.海洋水体分类根据Morel等提出的双向分类法，可分为：-Ⅰ类水体：光学特性主要由浮游植物及其分解物决定；-Ⅱ类水体：光学特性除了与浮游植物及其分解物有关外，还由悬浮物、黄色物质决定，其水色由水体的各成分以非线性方式来影响。2020/3/235.1概述4.海洋水色遥感的几个基本概念b.海水的光学特性海水的光学特性有：表观光学量和固有光学量。表观光学量由光场和水中的成分而定，包括向下辐照度、向上辐照度、离水辐亮度、遥感反射率、辐照度比等，以及这些量的衰减系数。固有光学量与光场无关，只与水中成分分布及其光学特性有关，直接反映媒介的散射和吸收特征，如：吸收系数；散射系数；体积散射函数等。2020/3/235.1概述4.海洋水色遥感的几个基本概念c.海水的色素叶绿素：反映海洋生产力的变化，最主要的为叶绿素a，在蓝光（420-500nm）和红光（600-700nm）波段具有两个强吸收谷。荧光：浮游植物吸收的太阳能在某波段上的辐射光，该值可作为植物健康状况的标志。色素浓度：叶绿素a和褐色素浓度之和，常用C表示。2020/3/235.1概述4.海洋水色遥感的几个基本概念d.黄色物质-在全球碳循环研究中比较重要海水中的融解有机物DOM包括颗粒状有机碳POC和融解的有机碳DOC。海水中的有色融解有机物（CDOM）被称为黄色物质。黄色物质在蓝色波段具有强烈的吸收。一般定义黄色物质浓度为：2020/3/235.1概述4.海洋水色遥感的几个基本概念d.黄色物质融解有机物DOM的光谱吸收曲线2020/3/235.1概述4.海洋水色遥感的几个基本概念e.海洋初级生产力初级生产力表示在单位海洋面积内，浮游植物通过光合作用固定碳的速率或能力，与平均叶绿素相关，单位为mg·m-2·d-1。反演算法有：经验算法、解析算法。2020/3/235.1概述4.海洋水色遥感的几个基本概念f.赤潮海水中的浮游生物过度繁殖或聚焦致使海水变色（多为红色）的一种生态环境恶化的现象。2020/3/235.2海洋水色遥感机理1.海洋水色遥感机理的简单描述海洋水色遥感是基于传感器接收的离水辐射（透射入水的辐射经过水体反射离开水面的辐射）所进行的。水中各重要成分浓度变化→水体吸收和散射光学性质变化→离水辐射度变化→传感器接收信号发生变化。水色遥感过程：通过大气校正，得到离水辐射，再根据各成分浓度与离水辐射之间的相关关系，反演得到各水色要素浓度。2020/3/235.2海洋水色遥感机理※.海洋水色遥感的正演与反演2020/3/235.2海洋水色遥感机理※.大气校正前后的辐射度对水色要素的指示不同TOABOA2020/3/235.2海洋水色遥感机理2.具体的模型描述-水气辐射传输模型uLuwiwLntL)/(2winrt,,pathLtLpathawastLtLtrLLsLsdattt,,a.简化模型ardsswtLLtrLtLLb.a模型细化rLaLardsswtLLtrLtLLc.考虑多次散射和白浪引起的散射ruswcLtL水中物质太阳传感器海表srsLrLwcL2020/3/23※.利用水气辐射传输模型反演的主要过程（1）辐射定标（2）大气校正ruswcardsswtLtLLLtrLtLL采用近似法（如对模型进行合理的简化）和数值法（如采用一些同步的大气数据进行计算）；利用近红外两个波段的离水辐射度近似为0来进行校正。2020/3/23第8波段气溶胶散射计算n值其它波段气溶胶散射（3）水色要素反演-(生物光学算法、经验公式法）※.利用水气辐射传输模型反演的主要过程􀁯以SeaWIFS（SeaStar）对一类水体探测为例，设置了大气校正通道7（765nm）和8（865nm）。这二个波段的离水辐射度近似为0。生物-光学算法已经扩展到了水中其它组分及海水光学性质的研究。2020/3/235.3生物-光学算法的物理基础1.离水辐射度(1)水面上的下行辐照度)0,(dE（2）水面向下的辐照度)0,(dE)0,()0,()1()0,(uddrEEE)0,()0,()1(ddrREE)0,(1)1()0,(ddErRE)0,(dEwL)0,(uL)0,(dE)0,(uERr)0,(/)0,(duEER)/()(ababRscsc或2020/3/235.3生物-光学算法的物理基础1.离水辐射度(3)水次表面向上辐照度与辐射度的关系)0,()0,(uuLQE)0,(dEwL)0,(uL)0,(dE)0,(uERr体积散射相函数Q为散射光方向的辐射度与辐照度之比，它与介质对光子散射的空间分布有关。对于光学上各向同性的介质，Q等于π。在可见光和近红外光波段，海水的Q约等于4.55；当接近中午太阳天顶角较小时，Q约等于5.0。2020/3/235.3生物-光学算法的物理基础1.离水辐射度)0,(dEwL)0,(uL)0,(dE)0,(uERr(4)离水辐射度Lw的计算2)()0,()0,(),(wuiwvwnLtLL综合以上诸式可得：),(cos)()1()1()0,(),(022sswiwdivwtErRQnRtQnREtL)()()()1()1()0,()()(02WNWNwidwrsELrRQnRtELR单位：Sr-1※遥感反射率：)0,(/)0,(duEER)0,(1)1()0,(ddErRE)0,()0,(uuLQE2020/3/235.3生物-光学算法的物理基础2.归一化离水辐射度（1）物理意义：当太阳位于天顶处，且消除大气的影响时，海表离水辐射度的近似表达。（2）计算（Gordon）：)cos/))(2)((exp(cos)()(sozrsWNwLL2020/3/235.3生物-光学算法的物理基础3.离水反射率)()()()1()1()0,()()(02WNWNwidwrsELrRQnRtELR离水反射率：归一化离水反射率和归一化离水辐射度与入射光达到海面的辐照度无关，只与当时当地的海洋内部各种粒子的成分和浓度有关。单位：Sr-1归一化离水反射率：)()()(0ELWNWN)cos/))(2)((exp()(cos)()(0sozrWNswwEL※遥感反射率：2020/3/235.4海洋水色要素浓度反演1.反演海洋水色要素需考虑的因素（1）水色遥感图像的大气校正；（2）多种水色要素对离水辐射度的共同贡献；（3）运动的海水对水色要素反演的影响。2020/3/235.4海洋水色要素浓度反演2.海洋水色要素的反演方法•经验公式法－通过测量水体表面的光谱辐射特征和水中各水色要素的浓度，建立二者之间的定量关系。•基于模型的解析算法－利用生物-光学模型描述水体要素与水体光谱辐射特征之间的相关性，建立二者之间的关系。2020/3/235.4海洋水色要素浓度反演（1）叶绿素浓度反演a.代数法（基于模型的解析算法）－也称为半分析型生物光学算法。21)()0,()()(ibbidwrsbabgELRigig0794.0,0949.021bpbwbphdgwbbbaaaaa,辐射因子i为海气透射比与海水折射率之比；总吸收系数和后向散射系数：以上这些吸收系数和后向散射系数对应着各物质的浓度。Carder，1996；固有光学量与遥感反射率的关系2020/3/235.4海洋水色要素浓度反演（1）叶绿素浓度反演a.代数法（基于模型的解析算法）浮游植物色素浓度C的反演：Cffaaw))(exp()()()(2162.03.0)500(Cnmb利用吸收系数：利用衰减系数：])400(4.3[32.0)(YbwrsXbaiRLee等进行了改进：2020/3/235.4海洋水色要素浓度反演（1）叶绿素浓度反演b.经验算法（★）对于I类水体：Cbbbaaabpbwbpw)()()(,)()())()(log(loglogjwiwLLBAC常用的经验关系：蓝绿比值经验算法BjwiwLLAC))()((利用水体随着叶绿素浓度的增大，离水辐射度光谱峰从蓝波段向绿波段偏移的机理而提出蓝绿比值经验算法。2020/3/235.4海洋水色要素浓度反演（1）叶绿素浓度反演b.经验算法（★）-最早针对CZCS设计的•Gordon双通道算法•Clack三通道算法252.2321)(56.5))550()443((13.1wwLLC44.2))550()520((33.3wwLLCC1.5mg/m3：其它情况：※.NASA的另一种方法：BuuLLAC))0,550()0,443((或BRRAC))0,550()0,443((2020/3/235.4海洋水色要素浓度反演（1）叶绿素浓度反演b.经验算法（★）•基于蓝绿比值的MODIS算法（Esaias，1998）反演模型：2020/3/235.4海洋水色要素浓度反演（1）叶绿素浓度反演c.经验算法（Tassan模型）预先定义：针对HY-1COCTS和SeaWiFS：反演公式：其中λi,λj分别为接近叶绿素吸收最大值和最小值的波段；λm,λn分别位于叶绿素吸收峰的两边，是次级波段。2020/3/235.4海洋水色要素浓度反演（1）叶绿素浓度反演c.经验算法（NSOAS模型）预先定义：反演公式：该模型与Tassan模型类似，但采用的波段510nm和后者的490nm略有差异。2020/3/235.4海洋水色要素浓度反演（2）悬浮泥沙浓度反演I.悬浮泥沙定量遥感的试验研究采用水槽光谱实验研究方法，确定不同浓度泥沙含量水体的反射率与水体含沙量之间的相关关系。包括槽体、循环系统和测量平台。试验中测试水体的固有光学量和表观光学量（归一化）、水体成分。2020/3/235.4海洋水色要素浓度反演（2）悬浮泥沙浓度反演I.悬浮泥沙定量遥感的试验研究2020/3/235.4海洋水色要素浓度反演I.悬浮泥沙定量遥感的试验研究•450～900nm波段反射率与悬浮泥沙含量存在固定的关系；•随着泥沙含量的增加，光谱反射率增大，但其增幅随着含沙量的增加而减小，峰值向红光波段移动，即“红移现象”；•当含沙量较大时，光谱反射率随含