《海洋科学导论》第十五章 卫星海洋遥感

1、第十五章 卫星海洋遥感D.Zhao,OUC1什么叫海洋遥感？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,OUC2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,OUC3卫星遥感

2、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

3、洋次表层叶绿素浓度参数。D.Zhao,OUC4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,OUC5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

4、气象服务。D.Zhao,OUC6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6001000km，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,OUC7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0.40.7m，红外波谱在1100m，微波光谱在1.8cm6m 。传感器按工作方式分为主

5、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,OUC8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,OUC9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

6、D.Zhao,OUC10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0.51.0 m海水层的温度辐射计工作原理（普朗克函数）D.Zhao,OUC11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814mD.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35m和813m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

7、m、11m、12m13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 433453nm 叶绿素 510530nm 叶绿素 540560nm 悬移质、DOM 660680nm 叶绿素、大气校正 700800nm 地面植被

8、10.512.5m 海表温度 D.Zhao,OUC15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、CDOM浓度的方法D.Zhao,OUC16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,OUC17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

9、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/AMSR2D.Zhao,OUC18D.Zhao,OUC19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)、

10、Jason-1（2001）、Jason-2（2008）、Jasson-3(2016)中国的HY-2（2011）D.Zhao,OUC20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

11、、海浪、潮汐、降水、融冰、气压等海洋和大气过程影响。D.Zhao,OUC21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.

12、Zhao,OUC22SWOT (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,OUC23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,OUC24微波散射计散射计的测量原理

13、 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,OUC25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,OUC26European Remote Sensing Satellites (ERS)-散射计Spatial resolution =45 km (along an

14、d across track)Swath width =500 kmSwath stand-off 200 km to right of sub-satellite trackLocalisation 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,OUC27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,OUC2

15、8星载合成孔径雷达（SAR）1978年，美国发射Seasat-A1991年，欧空局发射ERS-11992年，日本发射JERS-11995年，欧空局发射ERS-21995年，加拿大发射RADARSAT-1，2007年发射RADARSAT-2和RADARSATConstellation2003年，欧空局发射Envisat-ASAR2006年，日本发射ALOS-PALSAR2007年，德国发射TerraSAR-X2010年，德国发射TanDEM-XD.Zhao,OUC29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,OUC30European Remote Sensin

16、g Satellites (ERS)-SAR Spatial resolution: along track =30m across-track =26.3 mSwath width: 102.5 km (telemetered) 80.4 km (full performance)Incidence angle: near swath 20.1deg. mid swath 23deg. far swath 25.9degFrequency: 5.3 GHz (C-band) Wave length:5.6 cm Bandwidth:15.55+-0.1 MHz Polarization:VV

17、D.Zhao,OUC31SAR拍摄的美国国会大厦D.Zhao,OUC32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,OUC33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

18、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,OUC34SAR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,OUC35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,OUC36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