第二章海洋遥感原理与基础-海洋遥感选编课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2024/9/8,海洋遥感,The Oceanic Remote Sensing,2023/8/6海洋遥感The Oceanic Remote,2024/9/8,第二章 海洋遥感原理与基础,与海洋遥感相关的基本概念,电磁波与海水相互作用机制,海洋水体波谱特征,2023/8/6第二章 海洋遥感原理与基础 与海洋遥感相,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,海面状况,：,海面粗糙度状况，与最大的海面波动高度有关；,深水波,：水深大于波长的,1/2,的波动（水底对波的影响忽略）；,浅水波,：水深小于波长的,1/20,的波动（长波）；,波高,（,H,）,：,从波峰到波谷之间的铅直距离；,有效波高,（,H,1/3,),：,波阵列中全部波段的,1/3,最高波的波峰到波谷之间高度的平均值；,均方根波高,（,h,k,）：波在平均海平面上的均方根高度（粗糙度）；,1.,海洋学上的专用名词,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念海面状况：海,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,1.,海洋学上的专用名词,长度,（,L,）：,海洋波从一个波峰到另一个波峰的距离；,空间波数,（,N,）,：,N=2/L,；,周期,（,T,）,：,两个连续波峰通过一固定点的时间（,m,）；,时间波数,（,）,：,=2/T,；,风区长度,：稳定的风吹过的水平距离；,持续时间,：稳定的风所维持的时间间隔；,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念1.海洋学上,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,充分成长的波浪,：,在一定的风速、足够的持续时间和风区长度条件下，海面达到平衡状况（即振幅不变）；,风波,：,洋面上由局地风激起的海洋波系统；,重力波,：作用在扰动水团上的主要恢复力是重力的波动（,L1.73cm,）；,表面张力波,：作用在扰动水团上的主要恢复力是表面张力的波动（,L n,，因此有：,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,2.,海洋遥感中常用的基本概念,（,1,）复折射率,海水折射率随温度和盐度的变化,(,波长,=0.5893m),一般的，复折射率随温度升高而下降；而随盐度增加有所上升。,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,2.,海洋遥感中常用的基本概念,（,2,）菲涅耳反射率,菲涅耳反射系数,：描述光滑介质表面的反射与入射之间的关系，即反射电场与入射电场之比。,Fresnel,反射公式,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,2.,海洋遥感中常用的基本概念,（,2,）菲涅耳反射率,菲涅耳反射率（反射率）,：描述辐射度的,界面,反射比。,若入射角为,0,（即垂直入射），则：,可用于高度计、散射计镜面反射的计算,注意菲涅耳反射率与漫反射率的区别：前者定义了界面的反射比；而后者为辐照度的内部多个粒子的漫反射。,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,2.,海洋遥感中常用的基本概念,（,2,）菲涅耳反射率,适用情况,-,两均匀的各向同性介质之间有一个实际无限大的平滑边界；,-,入射到边界上的波为平面波（非球面波）；,-,单色或光谱的入射波适用（宽波段要进行平均或积分计算）；,-,在介质中不会发生多次反射。,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,2.,海洋遥感中常用的基本概念,（,3,）复介电常数,又称为,相对介电常数,或,相对电容率,，是描述海面发射率的一个关键参数，它是频率,，水温,T,和海水盐度,S,的函数。,复数定义,德拜公式表示,常用的介电常数模型较多，如,Klein,模型（,P37,）。,与物质特性有关,虚部表示能量消耗与衰减程度,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,2.,海洋遥感中常用的基本概念,（,3,）复介电常数,复介电常数反映水体的电学性质，影响物体对电磁能量的反射（如雷达图像上,越大，则色调越浅）。,宏观上可反映电磁波的辐射、散射、吸收、传输等特性；微观上表明介质的化学组成、物理结构。,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,2.,海洋遥感中常用的基本概念,（,3,）复介电常数,小于,20Ghz,时，海水的虚部大于纯水，说明海水中的能量消耗较快；,大于,20Ghz,时，虚部值超过了实部。,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,2.,海洋遥感中常用的基本概念,（,3,）复介电常数,小于,20Ghz,时，海水的虚部大于纯水，说明海水中的能量消耗较快；,大于,20Ghz,时，虚部值超过了实部。,不同温度下，纯水和海水介电常数的实部与虚部随频率的变化,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,2.,海洋遥感中常用的基本概念,（,4,）海面粗糙度, 判据与,波长和入射角,有关,判据,修改的瑞利准则,（,Peake & Oliver,，,1971,）,-,光滑表面满足：,-,中等粗糙表面满足：,-,粗糙表面满足：,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,2.,海洋遥感中常用的基本概念,（,4,）海面粗糙度,对海面后向散射系数的影响,随粗糙度的增加，雷达回波强度受入射角的影响程度减弱。,在接近垂直入射时，雷达回波强度非常强，随入射角变大，信号变弱。,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,2.,海洋遥感中常用的基本概念,（,4,）海面粗糙度,示例,粗糙度与波长和入射角的关系,不同波长与入射角情况下，粗糙类型的判断依据不同,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,2.,海洋遥感中常用的基本概念,（,4,）海面粗糙度,示例,同一粗糙度在不同波段上的粗糙类型,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,2.,海洋遥感中常用的基本概念,（,5,）散射截面与散射系数,a.,散射截面：,指散射波的全功率与入射功率密度之比，表示目标截获并散射入射能量的能力。,.,后向散射截面,：指入射方向上的散射截面，其值大小为散射截面的,1/4,倍。,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,2.,海洋遥感中常用的基本概念,（,5,）散射截面与散射系数,b.,散射系数：,单位截面积上雷达的反射率或单位照射面积上的雷达散射截面。,-,后向散射系数,0,：,入射方向上的目标每单位面积上的平均雷达截面，与目标的复介电常数、表面粗糙度、雷达系统参数等有关。,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,2.,海洋遥感中常用的基本概念,（,5,）散射截面与散射系数 ,影响因素,垂直入射时，回波强度（左）和后向散射截面（右）最大,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感,2024/9/8,2.1,与海洋遥感相关的基本概念,2.,海洋遥感中常用的基本概念,（,5,）散射截面与散射系数 ,影响因素,斜坡较平或陡坡入射角较小，回波强度较大,2023/8/62.1 与海洋遥感相关的基本概念2.海洋遥感,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,（,1,）水气辐射传输模型,a.,简化模型,b. a,模型细化,c.,考虑多次散射和白浪引起的散射,水中物质,太阳,传感器,大气,海表,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,（,）海洋遥感反射波段非常重要的参量：,离水辐射率,：,即表层海水散射的太阳辐射，由朗伯余弦定律可知其与卫星天顶角无关,。,离水反射率,：海水的光谱反射率发生在,水次表面上,。,平均日地距离处的,大气层外的太阳辐照度,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,（,2,）海洋辐照度模型,太阳,大气,海表,直射辐照度,：太阳光经大气衰减后，直接到达水面的辐射；,漫射辐照度,：直射光经散射后到达水面的辐射；,不同因素对直射和漫射反射的影响不同。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,（,2,）海洋辐照度模型,太阳,大气,海表,海面上到达海面的下行辐照度模型,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,（,2,）海洋辐照度模型,a.,海面上到达海面的下行辐照度模型,到达海面的瑞利散射：,到达海面的气溶胶散射：,各种透过率的计算可参考课本,72-73.,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,（,2,）海洋辐照度模型,太阳,大气,海表,穿过海面的总下行辐照度模型,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,直射光谱反射率,对于平滑海面,对于零度角入射：,入射角与折射角之和为,90,度（入射角,53.1,度时出现）：,与折射率和入射角有关,（,2,）海洋辐照度模型, b.,穿过海面的总下行辐照度模型,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,直射光谱反射率,与风速和太阳天顶角有关（,Gregg,）,太阳天顶角小于,40,度或风速小于,2m/s,：,太阳天顶角大于,40,度,且风速大于,2m/s,：,（,2,）海洋辐照度模型, b.,穿过海面的总下行辐照度模型,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,漫射光谱反射率,它与太阳天顶角无关。假定海面比较平滑，且大气状况均匀，通常取值,6.6%,，对于风速大于,4m/s,的粗糙表面，则降为,5.7%,。,（,2,）海洋辐照度模型, b.,穿过海面的总下行辐照度模型,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,泡沫引起的反射率 （,Gregg,）,u4m/s,：,4m/s,u7m/s,：,与风速之间具有如下关系：,u7m/s,：,a,为空气密度，,C,D,为拖曳系数,（,2,）海洋辐照度模型, b.,穿过海面的总下行辐照度模型,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,（,2,）海洋辐照度模型, b.,穿过海面的总下行辐照度模型,总反射率,m,为漫射辐射与总辐射的比值,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,（,3,）大气校正,目的,从传感器接收到的辐射率（度）中，将离水辐射率 分离出来。,重要性,离水辐射率包含了海洋的许多信息，通过它几乎可以得到所有的海洋水色产品。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,（,3,）大气校正,-,过程,对水色遥感影响的辐射量分级,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,和 的计算 （,p74,）,要达到,5%,的离水辐射率的反演精度，要求瑞利散射计算精度达到,1%,。,（,3,）大气校正,-,过程,与到达海面的散射不同,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,和 的计算,瑞利散射的计算,（,3,）大气校正,-,过程,国际上对瑞利散射的精确计算目前均采用,查找表,方式，但是这些查找表是针对特定遥感器生成的，不能直接用于一个新的水色遥感器。,何贤强,提出了加倍法和通用的查找表。,何贤强等，海洋水色及水温扫描仪精确瑞利散射计算，光学学报，,2005.2,何贤强等，通用型海洋水色遥感精确瑞利散射查找表，海洋学报，,2006.1,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,（,3,）大气校正,-,过程,的计算,太阳,大气,海表,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,（,3,）大气校正,-,过程,大气透过率的计算（,p70-73,）,-,总透过率等于直接透过率和漫射透过率之和。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,（,3,）大气校正,-,实际应用中的校正,实际应用中的大气校正过程常采用近似法（,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,）。,即使如此，有些参量还是无法精确测量或计算，还需采用别的方法。如：由于气溶胶的组分和光学特性的易变性，无法精确测量其散射的影响。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,1.,反射波段,(VIS-VNIR),的相互作用机制,（,3,）大气校正,-,实际应用中的校正举例,􀁯 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,。,第,8,波段气溶胶散射,计算,n,值,其它波段气溶胶散射,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制1.反射波段,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,2.,热红外波段,(TIR),的相互作用机制,（,1,）水汽辐射传输模型,传感器探测到的辐射为：,太阳,传感器,大气,海表,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制2. 热红外,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,2.,热红外波段,(TIR),的相互作用机制,（,2,）辐射传输过程的理解与具体计算,a.,热红外波段的大气校正,-,传感器的通道亮温与海表温度的差在,1,5K,。,-,校正过程是估算大气上行辐射、下行辐射（路径辐射）和大气透过率。,-,实际校正方法：,利用实测大气数据；创建查找表；利用影像自身估计参数（如,分裂窗方法,和,Gu,提出的经验关系）。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制2. 热红外,2024/9/8,. Gu,提出的热红外波段大气校正方法,2,点成像的,NOAA-16,（,05-02-01,）,线性关系的斜率和截距可由成像时刻的大气参数计算得出；反之，根据斜率和截距可以反算出每个通道上的大气上行辐射和透过率。,2023/8/6. Gu提出的热红外波段大气校正方法2点成,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,2.,热红外波段,(TIR),的相互作用机制,（,2,）辐射传输过程的理解与具体计算,b.,海表热红外辐射,-,海表热红外辐射与海表比辐射率和海表温度有关；海表热辐射发生在海表以下,0.02mm,厚的表层内（,红外辐射计测量的并不是较深水层的温度，但它与表层温度具有一定的关系,）。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制2. 热红外,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,2.,热红外波段,(TIR),的相互作用机制,（,2,）辐射传输过程的理解与具体计算,.,海表温度随深度的变化,长江口海水水温随深度的变化,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制2. 热红外,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,2.,热红外波段,(TIR),的相互作用机制,（,2,）辐射传输过程的理解与具体计算,.,海表温度的影响因素,-,是海水、太阳和大气相互作用的结果,太阳照射,水汽和云的辐射,暖空气的加热,冷空气的冷却,海表蒸发冷却,海表本身的热辐射,风对水平温度的影响,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制2. 热红外,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,2.,热红外波段,(TIR),的相互作用机制,（,2,）辐射传输过程的理解与具体计算,.,水面的光谱发射率,e,、透过率,t,、反射率,与吸收率,a,-,根据基尔霍夫定律，在局部热平滑的条件下，透射进入海面的辐射全部被吸收，被吸收的能量又全部被发射出去，所以在海气界面，有如下关系：,雪、冰与海水在次表面的反射与散射差别较大，前者表现的比较强烈。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制2. 热红外,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,2.,热红外波段,(TIR),的相互作用机制,（,2,）辐射传输过程的理解与具体计算,c.,大气对热红外辐射传输的影响,-,热红外辐射在大气中的传输，是一种漫射辐射，是在无散射但有吸收又有发射的介质（大气）中传输。,-,大气对传输过程的影响主要发生在低对流层（,9km,以下），其中,大气的温度,和,水汽含量,是最重要的影响因子。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制2. 热红外,2024/9/8,大气温度垂直廓线,水汽垂直廓线,大气垂直廓线示例,2023/8/6大气温度垂直廓线 水汽垂直廓线 大气垂直廓线,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,2.,热红外波段,(TIR),的相互作用机制,（,2,）辐射传输过程的理解与具体计算,d.,长波辐射传输方程,可通过,分层计算,和,Pade,近似法,计算得到大气的上行、下行辐射。（,可参考,78,80,）,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制2. 热红外,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,（,1,）几个重要概念回顾,a.,极化：,即电磁波的电场振动方向的变化趋势。,-,水平极化：,电场矢量与入射面垂直；,-,垂直极化：,电场矢量与入射面平行；,常用的,4,种极化方式：,VV,、,HH,、,VH,、,HV,。,同向极化或参考极化,异向极化或正交极化,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,（,1,）几个重要概念回顾,b.,散射截面：,指散射波的全功率与入射功率密度之比，表示目标截获并散射入射能量的能力。,c.,散射系数：,单位截面积上雷达的反射率或单位照射面积上的雷达散射截面。,-,后向散射系数,0,：,目标在入射方向上单位面积的平均雷达截面，与目标复介电常数、表面粗糙度、雷达系统参数等有关。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,（,2,）微波的特性,a.,在大气中的衰减,由于大气分子的吸收（,水分子和氧分子,）和散射（,主要为水滴，波长较长时可忽略,）的影响，微波强度与传输距离成指数关系衰减。,衰减程度与大气成分及其物理性质、电磁波波长有关。一般地，波长越短，大气衰减作用越显著。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,.,吸收系数的计算,F,为普带型函数，吸收系数与频率、气压、温度有关。,前者为共振吸收（,在波段,22.235GHz,处的吸收,），后者为剩余吸收。对水汽吸收的影响除频率外，主要取决于水汽含量 。,非降水云（直径小于,100um,）可忽略散射,氧气,水汽,云滴,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,（,2,）微波的特性,b.,微波的辐射,-,遵循瑞利,-,金斯定律,海水微波发射率是观测天顶角、辐射计频率,v,（,成正比,），辐射计极化方式、海面真实温度、海面盐度（,波长小于,8cm,时与其成正比,）、海面风速和风向的函数。,发射率与散射系数之间的关系：,Tb=e*Ts,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,（,2,）微波的特性,c.,微波的表面散射,-,发生在海,-,气分界面上的散射，强度与介质表面复介电常数成正比，散射角特性由粗糙度决定。,d.,微波的体散射,-,发生在介质内部的散射。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,（,3,） 微波（被动）水汽辐射传输方程,天线,大气,海表,为大气顶部的微波辐射，由太阳辐射、银河噪声、宇宙背景辐射组成。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,1.,传输方程的计算与校正,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,2.,微分散射系数,的计算,单一表面模型,：把海面看作由一些小面组成，小面会产生镜面反射，而且海面的斜率近似高斯分布。,Stogryn,：,参数的具体计算方法可参考教材,52-53,。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,2.,微分散射系数,的计算,组合（粗糙）表面模型,：即把海表看成一种双尺度的随机粗糙面。海面的微分散射系数可分解为有泡沫和无泡沫覆盖两个部分。,参数的具体计算方法可参考教材,p53-56,。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,（,4,）雷达波的海面散射模型,对于雷达波与海面的相互作用机制，可采用组合模型（二尺度模型）来近似描述。,即入射角较小时，镜面散射占主导，即雷达接收的能量来自于海面上成一直线的镜面状小面散射的雷达波；入射角较大时，,Bragg,散射占主导，产生共振散射。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,（,4,）雷达波的海面散射模型,a.,镜面散射模型,-,适用于雷达波近似于垂直入射或海浪斜面垂直方向附近的小入射角范围的情况；,b. Bragg,共振模型,-,用于描述入射角较大时，海面的小扰动模型；,c.,组合表面模型（二尺度模型）,-,前两者模型的叠加，根据入射角的大小，决定哪种模型起主导作用。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,（,4,）雷达波的海面散射模型,-,a.,镜面散射模型,稍粗糙的海表可看作一系列的小平面元,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,（,4,）雷达波的海面散射模型,-,a.,镜面散射模型,可采用正切平面近似法来计算,0,（具体可采用物理光学和几何光学法） 。,是,x,方向斜率和,y,方向斜率的联合概率密度函数，与风向、波浪在逆风和测风方向的均方根斜率有关，具体计算方法可参考,p60-61,。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,（,4,）雷达波的海面散射模型,-,b. Bragg,共振模型,首先将随机表面分解成一系列傅立叶分量谱分量，然后假设后向散射回波主要由这些分量表面造成，它们构成了入射波的,Bragg,谐振 。,满足条件：,即两个连续波峰回波信号的相位差为,360,度，产生,Bragg,共振。,为海上波浪的波长。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,（,4,）雷达波的海面散射模型,-,b. Bragg,共振模型,一阶近似条件下的后向散射系数具体计算过程（,Wright,）,p62,：,Ke,为雷达波数,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,（,4,）雷达波的海面散射模型,-,c.,二尺度模型,二尺度粗糙表面：,小的不规则的短波长波纹叠加在较长、较大的波浪上（即大起伏波浪） 。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,（,4,）雷达波的海面散射模型,-,c.,二尺度模型,计算方法,1,：,小区域的,Bragg,散射利用局部的小波浪场和表面的局部定向进行计算；再根据表面斜率的,概率密度分布函数,，计算散射在整个区域上的积分。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,3.,微波波段的相互作用机制,（,4,）雷达波的海面散射模型,-,c.,二尺度模型,计算方法,2,：,对二尺度模型进行分解，即总的雷达散射截面由,倾斜的,Bragg,散射,贡献和,镜面散射,贡献组成。此时，根据入射角度的大小，即可判断哪种模型起主导作用。,具体见教材,p64,。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制3. 微波波,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,.,总结,可见光与近红外（反射）波段的相互作用机制,（,1,）理解并掌握反射波段的水气辐射传输模型，通过模型了解离水辐射率的重要性；,（,2,）理解海洋辐照度模型；,（,3,）了解并掌握实际应用中采用近红外波段进行大气校正的方法过程。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制. 总结,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,.,总结,热红外（辐射）波段的相互作用机制,（,1,）了解并掌握辐射波段的水气辐射传输模型；,（,2,）了解大气对热红外辐射传输的影响和基于图像的大气校正方法；,（,3,）了解对海表温度产生影响的因素。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制. 总结,2024/9/8,2.2,电磁波与海水相互作用机制,.,总结,微波波段的相互作用机制,（,1,）掌握几个重要的概念；,（,2,）理解（被动）微波波段的水气辐射传输模型，并,了解微分散射系数（单一表面和组合表面）的计算,。,（,3,）了解雷达波的海面散射模型（镜面散射模型、,Bragg,共振散射模型和二尺度模型。,2023/8/62.2 电磁波与海水相互作用机制. 总结,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,海水的光学特性有：表观光学性质和固有光学性质。,表观光学性质由光场和水中的成分而定，而固有光学性质与光场无关，只与水中成分分布及其光学特性有关。,表征海水表观光学性质的表观光学量包括：向下辐照度、向上辐照度、辐亮度、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。,表征海水固有光学性质的固有光学量包括：吸收系数；散射系数；体积散射函数等。,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征 海水的,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,1.,正常海水的反射波谱特征,正常海水的反射光谱曲线,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征1. 正常海水的反射,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,1.,正常海水的反射波谱特征,对于清洁的海水样本，即低,TSS,和低叶绿素,a,，而且低浮游植物生物量，则遥感反射率光谱曲线仅有,1,个位于,560nm,左右的反射峰，该反射峰坐落在绿光区域。,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征1.正常海水的反射波,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,1,.,不同因素对海水反射波谱特征的影响,-TSS,当,TSS,浓度增加，叶绿素,a,浓度仍保持低水平时，光谱曲线的形状是一致的，但是遥感反射率在红光和近红外区域有所增加。,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征1.不同因素对海水,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,对于叶绿素,a,浓度高的水体，位于,560nm,的反射峰变窄，但在,667nm,处产生吸收峰，而且吸收深度随叶绿素浓度的增加而递增。,2,.,不同因素对海水反射波谱特征的影响,-,叶绿素,a,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征 对于叶绿素a,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,2,.,不同因素对海水反射波谱特征的影响,-,叶绿素,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征2.不同因素对海水,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,3,.,不同因素对海水反射波谱特征的影响,-,悬浮泥沙,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征3.不同因素对海水,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,3,.,不同因素对海水反射波谱特征的影响,-,悬浮泥沙,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征3.不同因素对海水,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,归一化的高光谱反射率,4,.,不同因素对海水反射波谱特征的影响,-,赤潮,两条曲线形状的根本不同在于赤潮水体的光谱曲线在,700nm,左右存在反射峰。,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征归一化的高光谱反射率,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,5,.,不同因素对海水反射波谱特征的影响,-,赤潮,赤潮水体具有两个反射峰，而正常海水则表现为单峰，同时，赤潮水体的反射率都在,2%,以下，而正常海水的反射率最高达,6.40%,。,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征5.不同因素对海水,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,5,.,不同因素对海水反射波谱特征的影响,-,赤潮,不同浓度的蓝绿藻的影响,不同浓度的绿藻的影响,不同优势种类赤潮水体光谱曲线，其反射峰位置亦有差别。,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征5.不同因素对海水,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,6,.,不同因素对海水反射波谱特征的影响,-,油污,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征6.不同因素对海水,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,7,.,不同因素对海水反射波谱特征的影响,-,表面粗糙度（包括泡沫和白浪）和太阳天顶角,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征7.不同因素对海水,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,7,.,不同因素对海水反射波谱特征的影响,-,入射角和风速,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征7.不同因素对海水,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,8,.,不同因素对海水反射波谱特征的影响,-,融解的有机物,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征8.不同因素对海水,2024/9/8,9,.,不同因素对海水反射波谱特征的影响,-,季节,2023/8/69.,2024/9/8,10,.,不同因素对海水反射波谱特征的影响,-,水中物质组合,2023/8/610.不同因素对海水反射波谱特征的影响-水,2024/9/8,10,.,不同因素对海水反射波谱特征的影响,-,水中物质组合,2023/8/610.不同因素对海水反射波谱特征的影响-水,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,2.,正常海水的发射波谱特征,From Modis UCSB library,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征2. 正常海水的发射,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,.,海水与蒸馏水、冰、海面泡沫的发射光谱曲线对比,From ASTER spectral library,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征.海水与蒸馏水、冰,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,水体与其它地物的温度日变化比较,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征 水体与其它地物的,2024/9/8,海水微波发射率是观测天顶角、辐射计频率,v,（,成正比,），辐射计极化方式、海面真实温度、海面盐度（,波长小于,8cm,时与其成正比,）、海面风速和风向的函数。,Tb=e*Ts,2.3,海洋水体波谱特征,3.,微波波谱特征,-,发射率,2023/8/6 海水微波发射率是观测天,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,入射角对反射率和发射率的影响,海水在两种不同波长下的反射率和发射率随入射角的变化,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征 入射角对反射率和,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,.,俯角与极化方式对海面微波特性的影响,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征. 俯角与极化方式,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,随入射角的增加，回波变小；不同极化方式下的散射系数差别较大（如,HH,与,VV,可差,5db,，同向与交叉极化可相差,10-15db,）。,3.,微波波谱特征,-,散射系数,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征 随,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,.,风对海面微波特性的影响,一般，风浪大的情况下，同极化的散射系数近似相等，当海面平静时，,VV,极化散射系数要大些。,海面的散射特性受风向与风速的影响。,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征. 风对海面微波特,2024/9/8,2.3,海洋水体波谱特征,.,水体微波特性与其它地物的比较,RadarSat,精细模式得到的后向散射系数,RadarSat,标准模式得到的后向散射系数,2023/8/62.3 海洋水体波谱特征. 水体微波特性与,人有了知识，就会具备各种分析能力，,明辨是非的能力。,所以我们要勤恳读书，广泛阅读，,古人说“书中自有黄金屋。,”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，,培养逻辑思维能力；,通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，,培养文学情趣；,通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。,有许多书籍还能培养我们的道德情操，,给我们巨大的精神力量，,鼓舞我们前进,。,人有了知识，就会具备各种分析能力，,第二章海洋遥感原理与基础-海洋遥感选编课件,