第八章 其它海洋参数的遥感反演 - 海洋遥感

2023/2/4海洋遥感TheOceanicRemoteSensing2023/2/4第八章其它海洋参数的遥感反演

卫星海洋盐度测量海冰与冰山现象的遥感探测海洋溢油污染的遥感监测2023/2/48.1卫星海洋盐度测量1.海洋盐度测量的重要性

海水盐度是监测和模拟海洋循环的一个重要变量，也是气候变化的重要指示器。海水盐度对渔业养殖、水质资源的调查发挥着重要作用，是研究大洋环流、海洋动力学、降雨量及季节气候预测、水声学的重要参数。2023/2/48.1卫星海洋盐度测量2.海洋盐度的测量方法

现场船测－使用盐度测量仪器（物理法和化学法）航空/卫星测量－使用被动微波辐射计进行测量，具有大范围、快速、定量测量的特点。但目前尚无专门的测量仪器（工作在L波段，1.4GHz左右），SMOS卫星等在计划中。

有关学者早在30多年前就开始进行盐度遥感的研究和实验，从海水介电常数的测定到微波辐射计的改进，从陆基的盐水池实验到航空飞行实验，甚至进行了卫星遥感的简单尝试。2023/2/48.1卫星海洋盐度测量3.海洋盐度的遥感测量原理

卫星测量海表盐度的原理是基于在微波频率上，盐度对海表亮温的敏感度进行的。海水盐度的增加会使海水导电能力上升，从而使海水的介电常数增大，最终使得海表发射率的亮温降低。（1）简单描述2023/2/48.1卫星海洋盐度测量3.海洋盐度的遥感测量原理a.无风浪的平静海面上，海水的亮度温度可以表示为：（2）海水盐度遥感的理论模型为入射角；为极化方式；为海表真实温度；为海水盐度；2023/2/48.1卫星海洋盐度测量3.海洋盐度的遥感测量原理b.极化发射率与复介电常数关系如下：（2）海水盐度遥感的理论模型

由基尔霍夫定律和Fresnel定律得

可由德拜方程得出，2023/2/48.1卫星海洋盐度测量3.海洋盐度的遥感测量原理c.亮温与极化发射率之间的关系：（2）海水盐度遥感的理论模型

可使用Klein-Swift（K-S）模型或Ellison模式求解复介电常数，进而得到盐度参量。

若其它参量已知，则可由亮温得到盐度：2023/2/48.1卫星海洋盐度测量3.海洋盐度的遥感测量原理（2）海水盐度遥感的理论模型当海表温度增加时，亮温对盐度的敏感度增大；盐浓度越低，亮温与海表温度之间的线性关系越强。2023/2/48.1卫星海洋盐度测量4.海洋盐度遥感测量的影响因素分析2023/2/48.1卫星海洋盐度测量4.海洋盐度遥感测量的影响因素分析

由上式可知，在给定辐射计相关参数的条件下，亮温是海表温度和盐度的函数。因此，在适用于盐度遥感的频率上，亮温随盐度的变化应该比其随温度的变化要显著得多。（1）盐度遥感使用的频率

研究表明：频率在1.4GHz的L波段是测量海水表面盐度的最佳波段，该波段对海表温度和风速的敏感度较低。同时可以采用S波段和C波段来修正海表盐度测量时海表温度和风速的影响。2023/2/48.1卫星海洋盐度测量4.海洋盐度遥感测量的影响因素分析（2）极化方式和入射角Ellison模型得到的入射角40度时，海表亮温对盐度的敏感度2023/2/48.1卫星海洋盐度测量4.海洋盐度遥感测量的影响因素分析

极化和入射角也影响亮温对盐度的敏感性。其规律为:

垂直极化时均优于水平极化时;

在垂直极化方式下，入射角越大越好;

在水平极化方式下，入射角越小越好。（2）极化方式和入射角2023/2/48.1卫星海洋盐度测量4.海洋盐度遥感测量的影响因素分析Ellison模型得到的海表亮温对盐度的敏感度随入射角的变化2023/2/48.1卫星海洋盐度测量4.海洋盐度遥感测量的影响因素分析

在相对高温和高盐的条件下，亮温对盐度更为敏感，盐度的反演效果较好（见图）。

较大的亮温误差造成较大的盐度反演误差；同样的盐度反演精度下，低温时需要更高的亮温精度；

在同样的亮温精度条件下，盐度越高则反演精度越高，但超过一定的盐度时，其影响不显著。（3）盐度反演精度与亮温的关系2023/2/48.1卫星海洋盐度测量4.海洋盐度遥感测量的影响因素分析大气干空气和水蒸气的影响

1.4GHz频段上，最主要的贡献来自干空气，需要考虑大气透过率、上行辐射和下行辐射的影响。（4）其它影响海表微波辐射测量误差的因素云的影响

1.4GHz频段上，云的辐射和散射可利用瑞利散射模式解释。2023/2/48.1卫星海洋盐度测量4.海洋盐度遥感测量的影响因素分析表面粗糙度的影响可利用雷达和辐射计的组合数据，降低其影响。（4）其它影响海表微波辐射测量误差的因素电离层的影响可利用基于微波被动偏振测定法的技术估计法拉第旋转。太阳系和宇宙辐射的影响最重要的是太阳辐射的影响。要精心设计天线，使进入天线侧部的来自太阳的辐射或反射最少。2023/2/48.1卫星海洋盐度测量5.海洋盐度遥感测量的发展目标

在利用微波辐射计亮温反演海面浓度时，需要其它资料的辅助，特别是与辐射计测量的时间和空间接近的风速或有效波高、海洋表面温度的信息。

海洋盐度遥感的三大主要科学目标为：（1）提高季度至年度的气象预报能力；（2）提高海洋降雨估计和全球水文预算能力；（3）监测大范围的海水盐浓度异常现象。

正在研制专门测量盐浓度的卫星，其精度将达0.2-0.3psu。2023/2/48.2海冰与冰山现象的遥感探测（1）海冰探测的意义

海冰几乎占全球海洋表面的1/9。海冰对海上交通运输、海洋资源开发和全球气候的变化等都具有重要的影响；海冰的消融会造成整个洋面的上升，因而造成某些沿海地区被淹没。1.概述2023/2/48.2海冰与冰山现象的遥感探测（2）海冰的一般分类新成冰（newice）【新冰】初期冰（youngice）【幼年冰】头年冰（firstyearice）多年冰（oldice）1.概述

依据海冰产生与持续时间2023/2/48.2海冰与冰山现象的遥感探测（3）海冰探测的主要内容冰的密度探测冰类分析浮冰跟踪冰块探测1.概述在海冰探测的基础上，可进行海冰与气候之间的关系分析。2023/2/48.2海冰与冰山现象的遥感探测（4）海冰的观测方法海岸站测量表面船只测量（如钻孔）航空器测量和卫星遥感（光学和微波传感器）潜水艇测量（声纳）

漂移冰站1.概述2023/2/48.2海冰与冰山现象的遥感探测（1）光学传感器的观测方法

利用海冰与海水在可见光与近红外波段的反射率差异和温度的差异对海冰及其密集度进行探测，可用于海冰活动和走向的研究，但云层的出现减少了资料的可利用率。2.海冰与冰山的遥感探测2023/2/48.2海冰与冰山现象的遥感探测（1）光学传感器的观测方法2.海冰与冰山的遥感探测NOAA-AVHRR海冰检测方法：利用海冰在可见光与近红外波段反射率高的特点利用冰面温度小于水域温度的方法：

IST=a+b×T11+c×T12+d×[(T11–T12)secθ]2023/2/48.2海冰与冰山现象的遥感探测NOAA-AVHRR海冰检测方法：2023/2/48.2海冰与冰山现象的遥感探测（1）光学传感器的观测方法2.海冰与冰山的遥感探测MODIS海冰的识别方法

一般情况下识别海冰的方法：位于海洋且同时满足以下条件的像元，可以定义为“海冰”：NDSI＝(RefMODIS4-RefMODIS6)/(RefMODIS4+RefMODIS6)>0.4；RefMODIS2>0.11；RefMODIS1>0.1归一化雪被指数2023/2/48.2海冰与冰山现象的遥感探测（1）光学传感器的观测方法2.海冰与冰山的遥感探测MODIS海冰的识别方法

一些特殊情况的考虑：对于较薄海冰（厚度小于10厘米，没有雪覆盖），其反照率较低，利用雪被指数不容易分辩，在这种情况下，利用冰表面和海表面的温度差异进行识别。MODIS计算冰表面温度的算法（MODIS31和32波段）：

IST=a+b×T31+c×(T31–T32)+d×[(T31–T32)(secθ-1)]

a,b,c,d根据T31位于不同的温度范围：T31<240K，240K<T31<260K，T31>260K，取相应的系数。2023/2/48.2海冰与冰山现象的遥感探测MODIS海冰的识别方法2023/2/48.2海冰与冰山现象的遥感探测（2）微波探测方法2.海冰与冰山的遥感探测

海冰在雷达图像上表现出丰富的反射回波现象，而海水部分则呈现出强烈的衰减与吸收，这种差异使得海冰下表面的位置和轮廓可被完整的表现出来。

微波进行海冰监测的物理原理：在微波频率上，冰几乎是透明的，而水是一个良好的吸收体，由于它们在微波频率上的发射率和介电常数不同，可以进行区分。2023/2/48.2海冰与冰山现象的遥感探测（2）微波探测方法2.海冰与冰山的遥感探测不同类型海冰的比辐射率多年冰层内的结构和成分较复杂，导致了其比辐射率变化复杂。2023/2/48.2海冰与冰山现象的遥感探测（2）微波探测方法2.海冰与冰山的遥感探测海冰辐射亮温与海冰厚度的关系2023/2/48.3海洋溢油污染的遥感监测1.海洋溢油污染遥感监测的重要性

溢油现象不仅造成了海洋环境污染，而且对水产业、旅游业也造成了巨大损失。卫星遥感监测在海上溢油事故处理中发挥着多重作用。在溢油事故责任主体明确的情况下，可以为计算溢油面积、溢油量、己有的和未来可能的污染范围和污染程度提供依据，在责任主体不明的情况下，除了能发挥上述作用外，还可以结合气象、水文等资料推算出原始溢油地点，从而为确定责任主体或海底石油资源的位置提供依据。2023/2/48.3海洋溢油污染的遥感监测2.海洋溢油遥感监测的方法（1）可见光波段监测

在可见光波段垂直观测时，水面油膜的反射率比洁净海面的反射率相比较高，但油面的反射强度也与遥感器的观测角有关，在可见光内缺乏有效的区别于背景信息的特征光谱。总的来说，可见光波段探测能力是有限的，但它在提供溢油定性描述和相对位置等方面是一种较为经济和实用的手段。2023/2/48.3海洋溢油污染的遥感监测2.海洋溢油遥感监测的方法（2）热红外波段监测

水和油膜的热红外发射率具有一定的差别。实验表明，厚度大于0.3mm的油膜，发射率在0.95-0.98之间，海水的发射率为0.993。所以实际温度相同的海水与油膜，它们的热红外辐射强度也不同。热红外图像中，厚油层“热”，中等厚度“冷”，薄油层或油膜则难以探测。2023/2/48.3海洋溢油污染的遥感监测2.海洋溢油遥感监测的方法（3）紫外波段监测

紫外遥感器可以对甚薄油层进行探测，因为即使是甚薄油层(<0.05μm)也会有很高的紫外辐射反射。通过紫外与红外图像的叠加分析，可以得到溢油层的相对厚度。但紫外遥感易受外界环境因素的干扰而产生虚假信息。2023/2/48.3海洋溢油污染的遥感监测2.海洋溢油遥感监测的方法（4）激光荧光监测

激光荧光传感器是一种主动式遥感器，它的工作原理是：油类中的某些成分吸收紫外光，并激发内部电子，通过荧光（主要在可见光区）发射可以将激发能迅速释放。荧光可以作为油类的探测特征，而且因为不同油类产生的荧光强度和光谱信号强度都不相同，因此利用该特性进行油类的遥感识别是可能的。工作波长为300-355nm2023/2/48.3海洋溢油污染的遥感监测2.海洋溢油遥感监测的方法（5）SAR监测海面溢油

海面覆盖油膜时，会使海面张力波和短重力波受到阻尼，从而使海面变得略为光滑，引起雷达后向散射系数降低，从而导致雷达图像的灰度降低。2023/2/48.3海洋溢油污染的遥感监测2.海洋溢油遥感监测的方法（5）SAR监测海面溢油2023/2/48.3海洋溢油污染的遥感监测2.海洋溢油遥感监测的方法（