《海洋科学导论》第十五章 卫星海洋遥感

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,,,D.Zhao,OUC,*,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第十,五,章 卫星海洋遥感,,D.Zhao,OUC,1,什么叫海洋遥感？,海洋遥感就是通过非接触方式获取海洋表面信息的科学D.Zhao,OUC,2,卫星海洋遥感及空间海洋观测史,1957,年，苏联发射第一颗卫星,,,1960,年，美国宇航局,(NASA),发射,TIROS-I,红外卫星,,,1970,年，,TIROS,改进型,,,72-76,年，,NOAA-1,2,3,4,5,红外和微波辐射卫星，测量海表温度、大气温度、湿度剖面,,,1975,年，,GEOS-3,卫星高度计,,,1978,年,NASA,发射了三颗卫星，喷气动力实验室（,JPL,） 研制的,Seasat, Goddard,空间飞行中心（,GSFC,）研制的,TIROS-N,和,Nimbus-7,卫星,D.Zhao,OUC,3,卫星遥感历史,SeasatA,卫星：,装载了微波辐射计,SMMR,、微波高度计,RA,、微波散射计,SASS,、合成孔径雷达,SAR,、可见红外辐射计,VIRR5,种传感器,,提供的海洋信息：,SST,、海面高度、海面风场、海浪、海冰、海底地形、风暴潮、水汽和降雨等。

寿命,108,天，被称为卫星海洋遥感的里程碑TIROS-N,上装载了,AVHRR(,高级甚高分辨率辐射计,),和,TIROS,业务化垂直探测器,TOVS.,奠定了卫星海表温度进入气象、海洋业务化预报的基础Nimbus-7,装载了,7,台传感器，其中多通道扫描微波辐射计,SMMR,和沿岸带海色扫描仪,CZCS,与海洋观测有关，奠定了海色卫星遥感的基础1978-86CZCS,提供了,8,年的全球海色图像以及海洋次表层叶绿素浓度参数D.Zhao,OUC,4,卫星遥感观测系统组成,空间平台：,装载传感器的空间运载工具，包括人造卫星、宇宙飞船、天空实验室；,,卫星传感器：,根据电磁辐射原理获取海洋信息数据传输系统：星载传感器通常产生测量电压或频率信号，大部分以数字信号形式传输到地面接收站地面接收站：,,数据处理系统：,对卫星轨道和仪器校正数据分发系统：,行政性组织机构，将数据分到科学家手里D.Zhao,OUC,5,卫星轨道,两种：,静止轨道,和,极轨轨道,静止轨道,：地球同步轨道离地面高度,36000km,，覆盖范围固定（事先设定），一般观测范围小于,45,,对某地扫描时间间隔短，可认为时间连续。

传感器主要是被动式分辨率低，主要为气象服务D.Zhao,OUC,6,极轨轨道卫星,极轨轨道,：,与太阳同步轨道，跨越南北两极绕地球运动每次过某个地方时间固定，一天两次离地面高度,600~1000km,，可变轨（在轨机动），技术上一段时间进行轨道修正运行周期,100,分钟左右其相邻轨道间隔由轨道倾角和轨道高度决定，在赤道上存在某些空白区，观测范围基本覆盖全球海洋卫星基本采用极轨轨道,,D.Zhao,OUC,7,传感器原理及海洋参数反演,,目前用于海洋观测的所有卫星传感器，均根据电磁辐射原理获取海洋信息遥感技术,采用的电磁波包括可见光、红外、微波,可见光谱范围在,0.4~0.7,,m,，红外波谱在,1~100,,m,，微波光谱在,1.8cm~6m,传感器按工作方式分为主动式和被动式被动式：,可见、红外扫描辐射计，微波辐射计主动式：,如微波高度计（垂直下视）、微波散射计（侧视）、合成孔径雷达（侧视合成）等一般采用微波波段作为其工作频率,D.Zhao,OUC,8,卫星传感器,红外传感器,：,海表温度,,海色传感器,：,叶绿素、悬浮物、初级生产力、漫射衰减系数,,微波辐射计,：,海面温度、海面风速、水汽含量、降雨,,,微波高度计,：,海面高度、大地水准面、有效波高、,,海面风速、表面流、重力异常、,,降雨指数,,微波散射计,：,海面风场,,合成孔径雷达,：,波浪方向谱、中尺度涡、,,海洋内波、浅海地形、海面污染,D.Zhao,OUC,9,卫星遥感对海洋科学研究的意义,,,大面积同步观测,,,长期监测,,,实时或准实时性,,,弥补现场观测的盲区,,D.Zhao,OUC,10,红外传感器测海表温度,利用海面热红外辐射提取海表温度（,SST,）,,SST,分为海表皮温和海表体温，前者指海表微米量级海水层的温度，后者指海表,0.5~1.0 m,海水层的温度,,辐射计工作原理（普朗克函数）,,,,D.Zhao,OUC,11,海表温度遥感,地球表面平均温度为,300K,左右，黑体辐射峰值波长在,8~14,μ,m,,,,,,,,D.Zhao,OUC,波长（,,m,）,12,海表温度遥感,,,,,,D.Zhao,OUC,在红外谱段，大气存在两个窗口，即,3,～,5,,m,和,8,～,13,,m,图中，,7 mm,、,29 mm,、,54mm,总可降水量（,total precipitable water,）分别对应极地、中纬度、热带。

可见，热带大气透射率最低,红外辐射计的光谱通道设在,3.7,,m,、,11,,m,、,12,,m,13,红外传感器测海表温度,,卫星海表温度反演,,,,,,卫星海表温度的应用,,,水文状况：,,海,-,气热交换和气体交换速率,,渔业,,污染,,,D.Zhao,OUC,,,,,,,读带,,CCTIB,,,,辐射量,,定标,,,,几何校正,,云检测,,,,SST,,反演,,,,海表,,温度,,14,海色卫星遥感,利用星载可见光、红外扫描辐射计接收海面向上光谱辐射,,I,类水域,：,以浮游植物及其伴生物为主，,,海水呈深蓝色，大洋水域,,II,类水域,：,含有较高的悬浮物、叶绿素和,DOM,,及营养物质，近岸水域,,,CZCS,和,SeaWiFS,海色传感器,,,433~453nm,叶绿素,,,510~530nm,叶绿素,,,540~560nm,悬移质、,DOM,,660~680nm,叶绿素、大气校正,,,700~800nm,地面植被,,,10.5~12.5,μ,m,海表温度,,,D.Zhao,OUC,15,海色反演原理,辐射,量定标,,,海,色传感器输出的计数,值并非,真正意义上的,物理量,，,必须,利用标准源将计数值换算成辐亮度，这一过程叫做辐射量定标,,,大气校正,,,消除,大气吸收和散射的影响，获取海面向上光谱辐亮度,,,生物光学反演,,,由,海面向上光谱,辐亮度反演,海中叶绿素浓度、悬移质,、,C,DOM,浓度的方法,,D.Zhao,OUC,16,海色卫星遥感资料的应用,海洋初级生产力与海洋渔业,,海洋通量和固碳能力,,海洋生态环境监测：赤潮,,河口海岸带泥沙浓度及其运移,D.Zhao,OUC,17,微波辐射计测海面风场,微波辐射计相对于可见光和红外传感器，可以穿透云层，具有全天候的特点,,微波辐射计可以观测到海面亮温,,,一般而言，低波段的亮温信号受降雨影响小，可用于反演高海况下的风场,,利用海面粗糙度与海面亮温之间的相关性来反演风场,,微波辐射计可测量大气层温度和湿度、海表温度和土壤湿度等,,Aqua/AMSR-E;,GCOM-W1/AMSR2,,,,,D.Zhao,OUC,,18,,,,D.Zhao,OUC,19,卫星高度计,开始于,1969,年的“固体地球和海洋物理大会”的卫星测高研究计划,,,搭载高度计的卫星有美国的,Skylab(1973),、,Geos-3(1975),、,Seasat,（,1978,）、,Geosat,（,1985,）,,,欧洲空间局的,ERS-1(1991),、,ERS-2(1992),、,Envisat (2002),,,美、法合作的,TOPEX/Poseidon(1992),、,Jason-1,（,2001,）、,Jason-2,（,2008,）、,Jasson-3(2016),,,中国的,HY-2,（,2011,）,D.Zhao,OUC,20,关于海平面高度的概念,参考椭球面,,,由于万有引力和惯性离心力的作用，在静止大气层覆盖下的水体表面，可近似视为一个长轴在赤道方向的椭球体，其几何形状由半长轴和偏心率两个参数确定。

参考椭球面可作为实际海面的零级近似,,,大地水准面,,,,地球上重力位势相等的各点构成的等势面，与平均海平面最为接近的等势面称为大地水准面大地水准面可作为实际海面的,一,级近似,,大地水准面与参考椭球面上对应点的重力之差称为该点的重力异常,,瞬时海平面,,,,瞬时海平面即某一时刻的实际海面除地球重力场外，还受到海流、海浪、潮汐、降水、融冰、气压等海洋和大气过程影响D.Zhao,OUC,21,关于海平面高度的概念,平均海平面,,,,卫星高度计测得的瞬时海面经过海洋潮高、固体潮高和有效波高修正之后，得到所谓平均海平面,,,,在海洋学中，平均海平面定义为,18.67,年天文周期中每小时潮高值的算术平均值实际应用时存在困难,,,,实际应用中，通常选定沿岸某个验潮站的平均海平面作为全国的平均海平面基准,,,海面动力学高度,,,,将平均海平面相对于大地水准面的偏离，称为海面动力高度，其范围一般在,±1.5m,以内,,大地水准面起伏,,,,大地水准面相对于参考椭球面的偏离，其范围一般在,±100m,以内,,海平面起伏,,,,瞬时海平面相对于大地水准面的偏离，其范围一般在,±10m,以内,D.Zhao,OUC,22,SWOT (Surface water and ocean topography),高度计,Jason-2,于,2008,年发射，目前在轨，已超过其复议期限,,Jassen-3,于,2016,年,1,月发射,,,,,美法联合开发,SWOT,，预计,2020,年发射。

之前的高度计仅能分辨中尺度过程，,SWOT,的目的是要提高分辨率到亚中尺度的水平,D.Zhao,OUC,23,卫星高度计的测量原理,测量原理,,入射角小于,20,,时为,镜面反射,,由高度计得到的观测量,,海面高度,,有效波高,,海上风速,,,卫星高度计的应用,,由动力高度得到大洋环流,,厄尔尼诺监测,,海洋潮汐,,中尺度海洋现象：计算涡动动能,,大地水准面与重力异常,D.Zhao,OUC,24,微波散射计,散射计的测量原理,,散射计信号的入射角大于,20,,，海水表面波波长与入射波长可以比拟，回波散射主要是,Bragg,散射,,,何为,Bragg,反,射？,,如果入射雷达波长,,e,、入射角,,与海面波长,,满足如下关系时，反射波发生相干现象，会形成回波波峰,,,,,为何高度计不发生,Bragg,反射？,,,,,D.Zhao,OUC,25,微波散射计,,散射计风场反演,,经验方法，可以得到风速和风向,,,,,,,微波辐射计测风的原理,,,基于海面微波辐射率与海面粗糙度之间的相关，海面粗糙度增大，海面辐射率增加，极化特性变弱,,,D.Zhao,OUC,26,European Remote Sensing Satellites,(ERS)-,散射计,Spatial resolution,,>=45 km (along and across track),,Swath width,,>=500 km,,Swath stand-off,,200 km to right of sub-satellite track,,Localisation accuracy,+-5 km (along and across track),,Wind direction range/accuracy,,0 - 360deg. / +-20deg.,,Wind speed range/accuracy,,4 m/s - 24 m/s / 2 m/s or 10 %,D.Zhao,OUC,27,卫星散射计,卫星风场资料的应用,,,台风与热带气旋,,,海洋环境数值预报,D.Zhao,OUC,28,星载合成孔径雷达（,SAR,）,1978,年，美国发射,Seasat-A,,1991,年，欧空局发射,ERS-1,,1992,年，日本发射,JERS-1,,1995,年，欧空局发射,ERS-2,,1995,年，加拿大发射,RADARSAT-1,，,2007,年发射,RADARSAT-2,和,RADARSATConstellation,,2003,年，欧空局发射,Envisat-ASAR,,2006,年，日本发射,ALOS-PALSAR,,2007,年，德国发射,TerraSAR-X,,2010,年，德国发射,TanDEM-X,,D.Zhao,OUC,29,星载合成孔径雷达,SAR,成像原理,,,合成孔径的概念（散射计的组合）,,D.Zhao,OUC,30,European Remote Sensing Satellites,(ERS)-SAR,,Spatial resolution:,,along track <=30m,,across-track <=26.3 m,,,Swath width:,,102.5 km (telemetered),,80.4 km (full performance),,,,Incidence angle:,,near swath 20.1deg.,,mid swath 23deg.,,far swath 25.9deg,,,,Frequency:,,5.3 GHz (C-band),,Wave length: 5.6 cm,,Bandwidth: 15.55+-0.1 MHz,,Polarization: VV,D.Zhao,OUC,31,SAR,拍摄的美国国会大厦,D.Zhao,OUC,32,星载合成孔径雷达应用,利用,SAR,不同极化的雷达后向反射系数，通过地球物理函数模型来反演风场,,,为确定风向的模糊性，一般需要其它观测数据来配合完成反演,D.Zhao,OUC,33,星载合成孔径雷达应用,SAR,图像反演海浪,,,SAR,通过雷达波与海面短重力波发生,Bragg,共振对海浪进行成像，从而获取海浪方向谱,,SAR,反演海浪的两类方法,,1.,线性调制传递函数,（,MTF,）反演方法,,假定,SAR,谱与海浪谱之间满足以系统成像传递函数为系数的线性关系，无法识别,180,,模糊,问题,,2.,MPI,非线性,反演方法,,Hasselmann(1991),提出,SAR,图像反演海浪方向谱的非线性映射关系，通过引入第一猜测海浪谱和递归算法进行逼近，最终得到海浪方向谱。

之后又提出半参数化方法，可摆脱对第一初猜谱的限制,,D.Zhao,OUC,34,SAR,图像反演海浪方向谱的方法,,1.,线性调制传递函数（,MTF,）反演方法,,,假定,SAR,谱与海浪谱之间满足以系统成像传递函数为系数的线性关系，无法识别,180,,模糊问题,,,2. Hasselmann,非线性反演方法,,Hasselmann(1991),提出,SAR,图像反演海浪方向谱的非线性映射关系，通过引入第一猜测海浪谱和递归算法进行逼近，最终得到海浪方向谱,D.Zhao,OUC,35,星载合成孔径雷达应用,SAR,图像反演内波,,,海洋内波可以引起海水表面的辐聚或辐散，使海面粗糙度增加或降低，在,SAR,图像上形成亮或暗的区域,,,SAR,图像反演海底地形,,,潮流与浅海地形的相互作用影响表面流速分布，进而影响海面粗糙度和,SAR,图像,,,海洋污染监测,,,海面受到污染时，海面会变得更为光滑,D.Zhao,OUC,36,我国的海洋卫星遥感,2002,年,5,月,15,日，发射我国第一颗海洋卫星,---,海洋,1,号,A,，是海洋水色卫星，,,装载有十波段海洋水色扫描仪和四波段,CCD,成像仪,2,个有效载荷，可探测海洋水色、水温、污染物以及浅海水深等环境要素探测叶绿素等信息,,,2007,年,4,月,11,日，发射海洋,1,号,B,海洋水色卫星,,,2011,年,8,月,16,日，发射海洋,2,号卫星，是海洋动力环境监测卫星，探测风、浪和流等信息,D.Zhao,OUC,37,海洋卫星遥感数据分发,美国宇航局（,NASA,）、喷气推进实验室（,JPL,）、美国国家海洋大气局（,NOAA,）、日本气象厅和国家航天发展厅、欧空局卫星地面站、某些组织和大学都建立饿了网页，可在全球范围内提供海洋观测数据的共享服务。

D.Zhao,OUC,38,海洋卫星遥感数据分发,,D.Zhao,OUC,39,海洋卫星遥感数据分发,,D.Zhao,OUC,40,。