遥感课程设计

1、课 程 设 计 报 告课程名称： 海洋遥感技术 实习名称： 从TRMM/TMI卫星数据反演全球11GHZ风速 院 （系）： 海洋科学与工程学院 专业班级： 海洋技术 姓 名： 学 号： 指导教师： 2014年 7 月 5 日一、课程设计时间2014年6月30日至7月4日二、课程设计地点天津科技大学9-513海洋信息技术实验室三、课程设计目的 理论与实验课的综合运用，提高课堂与实践相结合的分析能力1、了解海洋卫星反演*的物理原理以及两种类型（热红外与微波辐射计）的卫星传感器；2、熟悉TRMM/TMI；3、掌握TMI反演*的算法；4、进一步熟悉IDL/matlab编程语言；5、了解TMI的数据结构

2、以及数据的输入与输出；6、学会数据的图形显示，创建图形输出；7、掌握数据的图象显示；8、熟悉*数据的读取，显示，输出，并注意colorbar的显示；9、了解*对全球气候的影响以及重要意义，着重说明*全球分布的特点。四、课程设计主要仪器设备，软件1、硬件准备：PC机；2、操作系统：Linux系统或Windows 2k以上系统；3、软件开发工具：IDL/matlab语言4、2012-2013年日、周、月均的TRMM/TMI二进制卫星数据五、微波辐射计反演的原理介绍吸收系数与电离层离子或大气层分子的吸收有关，我们使用（z）描述在这个路径位置z处的吸收系数。沿着电磁波辐射的传播路径对吸收的辐射通量积分

3、，可获得辐射的在一个总衰减量。假设传感器在一个吸收路径的远端测量一个具有表面辐亮度的光源。该光源辐射的电磁波在位置z处的辐亮度是L（z），经介质吸收而衰减，辐亮度L（z）在路径微分元上为 （6-39）上式只考虑吸收引起的衰减而未考虑散射引起的衰减，是布格-郎伯-比尔定律在散射可以忽略条件下的特例。根据基尔霍夫定律，给出吸收气体发射的辐亮度是：介质吸收率a和吸收系数的关系因此，辐射传输方程给出的辐亮度变化的净变化：卫星辐射计探测的辐亮度有三个组成部分。第一部分是达到卫星辐射计的海表面发射的辐亮度；第二部分是卫星辐射计探测到的大气自发辐射的辐亮度；第三部分是大气向下发射的、达到海表面后又经海表面反

4、射的辐亮度。我们得到辐射计探测到的辐亮度：微波频率低于300GHZ，满足瑞丽金斯定律的条件。因此，在微波辐射计对应的辐射传输工程中，我们可以使用亮温代替辐亮度。根据电磁辐射理论，辐射传输方程的微分形式是由于微波波长大于大气层中各种粒子的尺度，散射衰减对于微波影响一般可以忽略，而仅仅需要考虑吸收的衰减。得到方程的解将瑞丽金斯定律带入，我们得到考虑更多地辐射源，适合于微波辐射计的辐射传输方程可表示为平静海面的微波发射率：根据适合两介质界面处的基尔霍夫定律，海面发射率e与菲涅尔发射率关系是：粗糙海面的微波发射率：辐射计接收到的海面辐射用辐亮度L表示。根据瑞丽金斯定律，辐亮度在微波波段与温度成线性关系

5、。在不考虑大气校正时，辐射计探测到的海面亮温与海表面温度有下列关系：式中，代表粗糙卫星海面发射率，它是卫星观测角、微波频率f、辐射计极化状态、海表面温度T、海表面盐度、海面以上10m高出的风速和风向的函数。例如，基于小斜率近似六、TRMM/TMI卫星及传感器介绍1、写出三颗微波辐射计及所在卫星，并简单介绍；卫星TIROS-N 传感器 MSU 上世纪70 年代末至90 年代末，以TIROS-N 发射为标志，卫星性能相对稳定，形成了由大型计算机构成的地面资料接收处理系统，真正进入了实际业务应用阶段。1978 年发射的第一次用于大气探测业务的TIROS-N 卫星，装载有微波探测仪（MSU）。MSU

6、为4 通道微波辐射计（50.3, 53.7, 55.0, 57.9 GHz），采用双旋转镜面天线，刈幅为2 300 km，空间分辨率为110 km，用于从较低对流层到较低平流层的大气反演和大气垂直温度探测。从此，MSU 成为NOAA 系列卫星的主要载荷，其通道主要在50 GHz 至60 GHz 之间，用以探测大气温度廓线。 卫星 NOAA-15 传感器 AMSU 1998 年，NOAA-15 卫星上装载新研制的20 通道先进微波探测载荷AMSU，取代了原较低分辨率微波探测装置。自此，美国空间微波探测进入高速发展阶段。AMSU 采用圆周扫描方式，观测频率从23.8 至183.0GHz ，主要用于

7、大气垂直温度和湿度的探测。 卫星SZ-4 传感器 多频段微波辐射计（MFMR）2002 年12 月, 神舟4 号（SZ-4）飞船发射成功, 其主载荷为多模态微波遥感系统, 包括了多频段微波辐射计（MFMR）、雷达高度计和雷达散射计，实现了我国星载微波遥感器的突破。MFMR 微波辐射计主要用于探测土壤水分、降水、大气水汽含量、积雪分布、海面温度等，它是以功能性验证和应用试验为主要目的的空间对地观测微波遥感系统。MFMR 采用5 频段（频点包括6. 6, 13. 9, 19. 3, 23. 8 和37.0 GHz）、双极化（其中6.6，19.3 和37.0 GHz 为水平或垂直极化）、全功率辐射计

8、体制，以及集中供电与统一数据管理设计方案，探测数据通过数据管理单元传至卫星公用分系统，并下传至地面应用系统。其中，13. 9 GHz 辐射计与雷达散射计公用一个接收机前端和天馈系统，采用圆锥扫描成像；而6. 6、19. 3、23. 8 和37.0 GHz 采取多频共体馈源、公用偏置抛物面技术以及主反射器40°角斜入射和不扫描方案，频段共用孔径形成多频段同轴辐射, 偏置抛物面将辐射流信号聚焦到馈源口径上，再通过分波网络将不同频率、不同极化的信号分开, 最后馈入各自响应频段的接收机。2、 TRMM TRMM卫星是从1997年11月27日发射成功的。它是由美国NASA和日本NASDA共同研

9、制的试验卫星。自发射成功以来，它为气象工作者提供了大量热带海洋降水、云中液态水的含量、潜热释放等气象数据。TRMM卫星在2001年8月6日以前高度约为350km，轨道范围为35S-35S。2001年8月以后，为减少功耗将轨道高度提升到距地面403km。 TRMM卫星共搭载5种遥感仪器，分别为：可见光和红外扫描仪VIRS、TRMM微波图像仪TMI、降水雷达PR、闪电图像仪LIS及云和地球辐射能量系统CERES，其中VIRS、TMI和PR为TRMM卫星的基本降水测量仪器。74um光学探测仪，它被用来观测闪电分布形式及其变化。CERES是工作波长分别为0.3um-0.5um和8.0-12.0um的可

10、见光和红外探测器，它主要是用来探测地表及大气发射和反射的辐射能量及其分布形式。3、 TMI 微波成像仪TMI（TMRR microwave imager）在五个波段设有10个通道，这10个通道是10.7vh、19.4vh、21.3vh、37.0vh和89.0vh等。七、TMI反演11GHZ风速算法 表1.海洋产品的预计检索精度地球物理参数均方根精度海表温度Ts0.5 K近地表风速W1.0 m/s垂直整合（即，柱状）水蒸气V1.0 mm垂直整合的云中液态水的L0.02 mm 表2. 过去和未来的卫星辐射计系统的比较辐射计频率/偏振角度SeaSat SMMR 6.6VH10.7VH 18.0VH

11、21.0VH 37.0VH 49°Nimbus-7 SMMR6.6VH10.7VH 18.0VH 21.0VH 37.0VH 51°SSM/I19.3VH22.2V 37.0VH 85.5VH 53°TRMM TMI10.7VH19.3VH21.0VH 37.0VH 85.5VH53°PM AMSR6.9VH10.7VH18.7VH23.8VH36.5VH89.0VH55°校准辐射传输模型（RTM）使用SSM / I和SMMR观测卫星AMSR算法开发的第一个版本，通过RTM利用模拟TB的计算 版本1推出前的AMSR算法 利用TRMM结果指定10

12、.7 GH参数 版本2推出前的AMSR算法 最后的发射前的测试 在EOS PM最后发射前的AMSR算法 在6.9 GHz的指定的海表面发射率 使用实际的在轨AMSR观测 版本1推出后的AMSR算法 图1.海洋算法的开发步骤 环境场景42195个无线电探空仪5个云模型SST的随机变化从0到30 C风速随机变化从0到20米/秒风方向的随机变化从0到360 真相：TS，W，V，L 完整的辐射传输模型 模拟 AMSR TB's 高斯噪声 保留的数据集衍生物系数的多次线性回归算法 算法的系数 运行算法 检索值为TS，W，V，L Evalulate 算法性能 性能和Cross Talk统计 图5.

13、求解和测试线性回归算法如今伴随着高精度的卫星微波辐射计的出现，使得我们长期获取一系列的地球物理参数变的可能，这对于研究全球水循环和地球辐射收支有着重要意义。环顾全球海洋，这些辐射计拥有空气温度的分布和三个阶段的大气水（蒸汽，液体，和冰）的能力。此外，如近地表风速、海面温度、海冰类型和浓度等地表参数也可以被纠正。各种各样的水文和辐射过程中可以对这些测量结果进行研究，包括空气和海水、空气和冰的相互作用（即潜热和感热通量、淡水通量和表面应力）和云对辐射通量的影响。微波辐射计是一个真正用于研究地球的独特、有价值的工具。 在本文中，我们着重于获取从特殊传感器微波成像仪(SSM/I) Hollinger

14、et al. 1987上所观测到的世界各地海洋中的地球物理参数的问题。SSM/I飞行于美国国防的极轨卫星计划（DMSP）的两个运算极地轨道平台间。7 SSM/I's系列中的第一个发射于1987年6月，并且SSM/ I系列可能将持续到2000年，到那时SSM/ I系列将会被一个称为SSM/ IS的联合成像仪/测深仪所替换。因此，我们将有机会获取一个可以使用SSM/ IS观察来进一步扩展的13年的全球时间系列的地球物理产品。 SSM / I的四个运行频率为19.35、22.235、37和85.5 GHz。通过这些渠道，让我们在海洋上获取三个重要的地球物理参数变得可能:近地面风速W（米/秒）

15、，柱状水蒸气V（毫米），以及柱状云中液态水L（mm）。降雨同样也可以被推算出，但是在本文中，我们的调查只考虑无雨的海洋场景。在无雨的情况下，由SSM / I测定的海洋亮度温度（TB）和W、V和 L之间有一种相对简单独特的关系。雨的出现增加了相当大的复杂性，就目前来看，我们要避免这个问题。 潜在的，由于TB和（W，V，L）之间的独特关系，W、V和L可以被纠正成一个很高的精度。这个关系是由一个非降雨气氛包围在由海面下方的辐射传递方程（RTE）给出。它已经表明， RTE可以通过一个相对简单的闭形表达式（即，没有积分），这就是所谓的TB模型函数Wentz, 1983。（W，V，L）的纠正是通过改变这些

16、参数，直到TB模型函数与SSM / I观测值相匹配来实现的。因此，（W，V，L）的准确度依赖于TB模型的准确性。为了获得尽可能高的纠正精度，TB模型必须包括RTE的所有相关参数的影响并且TB模型必须精确地校准。对TB模型的功能和它的后续精密校准的完全参数化是本文的主题。 本文用SSM / I传感器的描述作为开始。然后，我们将讨论TB模型的参数。总共有3个主要参数（W，V，L）和4次要参数：海面温度TS（K），有效的大气温度TE（K），水蒸气柱的有效大气压力P（MB），以及风向f。TB对这些次要参数的依赖性相对于主要参数来说要较弱。然而，这些二次依赖关系仍然显著并且必须要考虑到。第三节讨论了从气

17、候学得到的用于指定TS和TE和P的统计关系。 风向太容易变以至于我们必须通过指定特定的气候，因此我们将其包括为除了W，V，L之外的第四个纠正参数。将风向带入到TB模型中分为视线的风分量WLS，其中风矢量是沿着SSM / I观测方向的分量。纳入WLS作为第四个纠正有两个好处，首先，对于其他参数（特别是W）它降低了纠正的错误，其次它还提供了海洋上空风向的新信息。 第四节讨论的是纠正算法。对于每个SSM / I象素，当他们被取代成TB模型后，该算法所产生的（W，V，L，WLS）的值等于SSM / I观测在19 GHz v-pol, 22 GHz v-pol, 37 GHz v-pol, 和 37 G

18、Hz h-pol的值。TB模型是准线性的四个参数的计算，因此纠正中涉及解决四个未知数四个方程。第五节则完整的阐述了TB模型。 第6、7节描述了非常大的浮标和用来校准模型和纠正算法的无线电探空仪的数据集。全球浮标和无线电探空仪观测是在1987年至1990年4年间收集的。现有66浮标站点和55探空站点。这些现场测量并置与SSM / I立交桥。搭配方法一共有37,650 SSM / I浮标天桥和35,108探空站点立交桥的产生。 第8节描述了TB模型中大气系数的推导。理论上的亮度温度由无线电探空仪观测使用RTE的完整的积分公式计算得出。在TB模型中这些理论的TB用于计算大气系数。由于TB模型的部分大

19、气近似导致的纠正错误是由RTE TB的数据作为输入输入到纠正算法中模拟从而确定的。第8节还讨论了纠正中空气压力变化的影响。 TB模型（及此后的纠正算法）的校准经由逆建模技术将会在第9节被讨论。在TB模型中校准是通过改变系数从而使得W和V匹配浮标和无线电探空仪观测。此外，L纠正的直方图需要满足一些统计学的约束。总之，W，V和L的纠正要求满足19个统计条件。这种类型的校准被称为逆模型，这种类型的校准被称为逆模型，因为该模型的系数的推导是基于模型的逆（即纠正算法）的输出。 第10节讨论了由于风向变化而导致的WLS和风速错误的纠正。我们总结了一个完整的误差分析。一个错误的预算表显示了TB建模误差、辐射

20、计的噪声、和SSM/ I原位时空抽样误差，这些都有助于在纠正中观察到的总RMS变化。基于这个误差分析，我们可以估计TB模型的准确性和地球物理反演。 通过有竞争力的同行评审，NASA已经选择了本文描述用于生产的SMMR，SSM / I探路者数据集的算法。该数据集将是一个20年的地球物理参数的时间序列，这将成为一个广泛分布的研究领域。在本文的分析是基于的1987-1990第一SSM / I的观察，即飞赴强奎DMSP F08飞船Hollinger等。 1987。航天器F08的轨道是近圆形太阳同步和近极地，具有98.8°的倾角。海拔高度为860±25公里，轨道周期为102分钟。在高

21、度的变化是由于轨道的偏心率和地球的扁率。本地时间的F08升序赤道横穿是上午6:15am。 该SSM / I传感器由7个独立的总功率辐射计共享一个共同的嗽叭。这7个辐射计取双偏振测量在19.35，37.0和85.5GHz，而仅仅一个垂直极化测量在22.235 GHz。该SSM / I使用尺寸61到66厘米的偏移抛物面反射镜收集微波辐射。反射聚焦辐射包括瓦楞纸，宽带，7端口馈源。反射器和喇叭天线旋转在最低点轴使用一个单位。旋转周期为1.9秒。将冷空间反射器和热参考负载连接到旋转轴，并且不旋转。每一次扫描旋转馈源观察固定的冷反射和热负荷。以这种方式，校准化观测采取每次扫描。地球观测在102.4

22、76;旋转段期间拍摄。在102.4°圆弧的中心位于飞船子轨迹，并对应于地球的一个1400公里的大片表面。 1400公里的表面和98.8°轨道倾角为地球提供两到三天的全覆盖，除了以南北两极2.4°为中心的两个小圆形的部分。对地球反射观看的最低点角为45°，从而导致地球入射角 在53.4°±0.25°。在频率较低的通道（19，22，和37 千兆赫）进行采样，使得像素间距为25公里，以一个12.5公里像素间距对85 GHz的通道进行采样。 SSM / I测量来自于地球景物发射的辐射强度。瑞利 - 金斯近似Eisberg，1961表

23、达了这种强度在温度方面，被称为天线温度TA。对于SSM / I，天线温度近似交配通过 T AIP= GIPVT BIV + G IPHT BIH+ G IPO TBC (1) 其中下标I和P表示频率和极化，TBIV和TBIH是V-pol和H-POL地球的亮度温度。 TBC是宇宙背景辐射相当于 2.7 K。在G因素是占了天线的天线方向图系数溢出 以上和交叉极化泄漏。近似（1）的推导和值 为G系数由华斯1991给出。 天线的温度的平均值，以一个共同的空间分辨率。在地球上19，22，和37 GHz的渠道的SSM / I足迹的半功率波束宽度为56，44和32公里，分别与这些脚印的中心重合。因

24、此，一个37GHz的观察只能看到由19 GHz的采样通道面积的33。为了获得准确的检索，有必要使所有信道看到相同的海洋区域。这是通过平均该22和37 GHz的观测下，以较低分辨率the19 GHz的信道的使用下面的公式： （2）其中TAIJ是在原始分辨率天线温度（无论是在22或37 GHz）和两个下标表示现在的沿轨扫描数量和整个轨道的单元格位置。一组权重wIJ（1组为22千兆赫，而另一组为37千兆赫）的发现，使得平均TA的有效天线图案19-GHz的天线图案相匹配。该权重依赖于跨细胞轨道的位置，因为相对于扫描带中心该细胞的相对位置是不同的扫描带边缘。相邻的扫描和相邻小区之间的距离约为25公里，我

25、们发现，这是足够做平均时，只包括直接相邻的小区。此后，我们画在TA上的横线，可以理解为所有的观察是在一个共同的空间分辨率。八、IDL/matlab读取TRMM/TMI全球11GHZ风速程序 1、IDL介绍IDL（Interactive Data Language）交互式数据语言是进行二维及多维数据可视化分析及应用开发的理想软件工具。作为面向矩阵、语法简单的第四代可视化语言，IDL致力于科学数据的可视化和分析。IDL在海洋领域具有广泛的应用，在各种海洋数据的可视化及与时间、空间相关的分析，对风、流、浪、温度以及水、粒子流等数据的生物学和化学参数的时间序列，不同格式的数据的读取，不同的机器和操作系

26、统的兼容都有很强的优势。Topex/Poseidon 数据时间上的动态模拟2、用到主要的IDL/matlab过程及函数命令：Openr, readu, congrid, contour, xrange, xstyle, xticks, xtickv, xtickname, tvscl, tv, tvrd(), write_png.3、编写的主程序pro colorbar,low,top,count,title nc=241 cb=bindgen(nc) cb = cb#replicate(1b, 20) cb=congrid(cb,nc,1*20) ; Drew the bundury of

27、the colobar cb(0,*) = 255 cb(*,0) = 255 cb(nc-1,*) = 255 cb(*,19) = 255 ; Plot the tick marks and labels on the colorbar xp = (!d.x_size - nc)/2 yp = 50 plot,low,top,low,top,position=xp,yp,xp+nc-1,yp,/device,/nodata,$ xticks=n,xtickv=tick,xrange=low,top,xminor=5,xstyle=1,xtitle=title, $ ystyle=4,xti

28、cklen=0.002,yticklen=0.002,/noerase,color=255 ; Display the colorbar tv,cb,xp,yp,/deviceENDpro testfilename='C:UsersgaojianfengiDesktoptmi_201301v4'binary data in filebinarydata= bytarr(1440,320,6);output products (lon,lat,asc/dsc)sst =fltarr(1440,320)w11 =fltarr(1440,320)w37 =fltarr(1440,32

29、0)vapor=fltarr(1440,320)cloud=fltarr(1440,320)rain =fltarr(1440,320)openr,lun,filename,/get_lunrecord=''readu,lun,binarydatafree_lun,lunprint,size(binarydata)w11=binarydata(*,*,1)w11=float(w11)print,w11(1,*)I=where(w11 gt 250,count)if(count gt 0) then w11(I)=0W=w11*0.2print,min(W),max(W)device,decompose=0W=congrid(W,800,300)window,1,xsize=1000,ysize=500tvlct,100,100,100erase,color=0loadct,39I=where(wind gt