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1、卫星海洋学2021卫星海洋学 卫星海洋学-考试复习资料整理资料讲解 1 1.1 卫星海洋遥感的应用 p1 卫星海洋学涉及的详细内容有： 海洋遥感的远离和方法：包括遥感信息形成的机理、各种波段的电磁波在大气和海洋介质中传输的规律以及海洋的波谱特征； 海洋信息的提取：包括与海洋参数相关的物理模型、从遥感数据到海洋参数的反演算法、遥感图像处理和海洋学解释、卫星遥感数据与常规海洋数据在各类海洋模式中的同化和融合。 满足海洋学研究和应用的传感器的最佳设计和工作模式：包括光谱波段和微波频率的选择、光谱分辨率和空间分辨率的要求、观测周期和扫描方式的研究以及传感器噪声水平的要求。 反演的海洋参数在海洋学各领域

2、中的应用。 卫星遥感所获得的海洋数据特点： 1.观测区域大 2.时空同步 3.连续 *卫星遥感资料和卫星海洋学的研究成果在海洋天气和海况预报、海洋环境监测和保护、海洋资源的开发和利用、海岸带绘测、海洋工程建设、全牛气候变化以及厄尔尼诺现象检测等科学问题上有着广泛的应用。 1.2中国气象卫星的发展p6 我国气象卫星包括两个主要系统： 1.极轨卫星系统； 2.地球静止卫星系统。 第一代极轨气象卫星“风云一号”，第一代静止气象卫星“风云二号”，第二代太阳同步轨道气象卫星“风云三号”，第二代静止气象卫星“风云四号”。 1.3中国海洋遥感的进步p8 2021年5月15日，我国第一颗海洋探测卫星“海洋一号

3、A”与“风云一号”D气象卫星作为一箭双星同时发射升空； 2021年4月11日，“海洋一号”B卫星发射。 发射海洋一号卫星的主要目的是：观测海水光学特征、叶绿素浓度、海表面温度、悬浮泥沙含量、可溶有机物和海洋污染物质，并兼顾观测浅海地形、海流特征、海面上空气溶胶等要素，掌握海洋初级生产力分布、海洋渔业及养殖业资源状况和环境质量，了解重点河口港湾的悬浮泥沙分布规律，为海洋生物资源合理开发利用、沿岸海洋工程、河口港湾治理、海洋环境监测、环境保护和执法管理等提供科学依据和基础数据。 我国计划发展3个系列的海洋卫星： 1.以可见光、红外波段遥感探测海洋水色和水温为主的“海洋一号”系列卫星； 2.以微波遥

4、感探测可全天候获取海面风场、海面高度和海表面温度场为主的“海洋二号”系列卫星； 3.同时配备光学传感器和微波传感器的可对海洋环境进行综合监测的“海洋三号”系列卫星。 2 气象卫星与水色卫星 2.1 遥感和遥感技术p30 遥感形式分类p31 1.按照电磁波的光谱分为：可见光与红外反射遥感、热红外遥感、微波遥感； 2.按照目标能量来源分为：主动式遥感、被动式遥感； 3.按照空间尺度分为：全球遥感、区域遥感、城市遥感； 4.按照应用领域分为：资源遥感、环境遥感； 5.按照研究对象分为：气象遥感、海洋遥感、陆地遥感； 6.按照应用目的分为：陆地水资源遥感、土地资源遥感、植被资源遥感、海洋环境遥感、海洋

5、资源遥感、地质调查遥感、城市规划和管理遥感、绘测制图遥感、考古调查遥感、综合环境监测遥感、规划管理遥感等。 7.按照遥感器使用的平台分为：航天或卫星遥感、航空遥感、地面遥感 2.2 气象文星和主要传感器 NOAA/TIROS系列卫星载有改进型甚高分辨率辐射计，还载有用于探测大气层垂直空气柱的剖面温度和湿度等物理量的泰罗斯垂直探测装置。P33 2.4水色卫星和主要传感器p43 第一代水色扫描仪：海岸带水色扫描仪； 第二代水色扫描仪：宽视场海洋观测传感器和中国海洋水色和温度扫描仪； 第三代水色扫描仪：中等分辨率成像光谱仪。 水色传感器与陆地资源或气象传感器的主要不同点：p43-44 .信噪比极高，

6、在一般传感器作为暗像元的水体目标上，要求SNR500以上，因此，如果不做自动增益调整，其在陆地目标上的信号将趋于饱和； .波段带宽较窄，水色传感器的可见光通道带宽大雨10nm，近红外通道带宽大约20nm，光谱范围一般在400900nm； .时间窗一般要求在当地时间10：3014：30之间过境，最好是中午12：00左右； .要求卫星平台具有倾斜功能，以避免太阳直射光在海面的反射进入视场； .再访问时间13天，空间集合分辨率5001100m； .有绝对的精度指标要求。 辐射计波段：p44 装载于Nimbus-7上的延岸带水色扫描仪是 6 波段辐射计； 装载于SeaStar上的SeaWiFS是 8

7、波段辐射计； 装载于EOS上的中等分辨率成像光谱仪是 36 波段辐射计。 中等分辨率成像光谱仪MODIS获取的数据的三个特点：p47-48 1.NASA对MODIS数据实行全世界免费接收的政策，这样的政策对于目前我国大多数科学家来说是不可多得的数据资源； 2.MODIS数据设计波段范围广，数据分辨率高，对陆地、大气和海洋的研究有较高的实用价值； 3.TERRA和AQUA卫星都是太阳同步极轨卫星，TERRA在地方时上午过境，AQUA将在地方时下午过境。TERRA和AQUA上的MODIS数据在监测时间上相配合，可以得到每天最少2次白天和2次黑夜监测数据。 3 海洋卫星与陆地卫星 3.2 欧洲卫星E

8、RS-1/2和ENVISAT 图见书P57 欧洲环境卫星ENVISAT装载的传感器。 *高级合成孔径雷达ASAR *中等分辨率成像光谱辐射计MERIS 3.3高度计卫星p59 1992年8月发射的TOPEX/Poseidon 和 2021年12月发射的Jason-1 是特别为高度计轨道设计的专用卫星。 3.4装载合成孔径雷达的卫星p59 加拿大的RADARSAT是1995年11加拿大空间局发射的合成孔径雷达专用卫星。 3.6陆地和海岸带观测卫星p63 HYPERION具有220个波段，地面分辨率可达30m，用于地物波谱测量和成像、海洋水色要素测量以及大气水汽/气溶胶/云参数测量等。*第四代 3

9、.7高分辨率商业和军事卫星p66 1.美国地球观测公司在 2021年发射了 QuickBird-2卫星； 2.美国太空成像公司在 1999年发射了高分辨商业卫星 IKONOS-2； 3.美国轨道成像公司在 2021年发射了 OrbView-3； 4.美国地球之眼公司在 2021年发射了最先进、分辨率最高商业卫星 GeoEye-1。 4 卫星轨道与分辨率 4.1 卫星轨道p73 卫星在地球表面的投影被称为星下点或者卫星的天底点，卫星星下点轨迹与赤道的焦点被称为节点。升轨：当卫星由南向北运动时； 降轨：当卫星由北向南运动时； 升轨点：卫星由南向北运动穿过赤道时，卫星星下点轨迹与赤道的交点； 降轨点

10、：卫星由北向南运动穿过赤道时，卫星星下点轨迹与赤道的交点； *升轨点和降轨点统称节点。 太阳同步轨道p73 用于地球观测的四个主要轨道类型包括：1.*太阳同步轨道； 2.地球同步轨道； 3.高度计轨道； 4.近赤道低轨角轨道。 重复周期p76 卫星的重复周期指：卫星从某地上空开始运行，经过若干时间的运行后回到原地上空时所需要的天数。卫星的重复周期也被成为卫星地面轨迹的重复周期。对于采用循环轨道的卫星，重复周期等于 循环周期。如：高度计卫星的重复周期和循环周期经常被等价使用。 传感器的重复周期是卫星装载的传感器对目标完成一次全部或全球覆盖的时间周期。 再访问时间指：地球上某一局部地点被传感器先后

11、两次观测的时间区间。再访问时间与观测地点的纬度有关。对赤道地区的再访问时间 长于 高纬度地区的再访问时间。 4.2 分辨率 电磁波的相干条件是：p77 .频率相同的两光波在相遇点有相同的振动方向和固定的相位差； .两光波在相遇点锁产生的振动的振幅相差不大； .两光波在相遇点的光程差不能太大。 *p78-79 5 电磁辐射 5.1 电磁波的波段p83 C 波段、X 波段和Ku 波段常常被用于卫星遥感，主要原因是：厘米量级波长的微波能与海面上风生毛细重力波发生布拉格共振，并通过共振带回海面信息。 5.3 辐射术语p86 极化状态是根据电场方向与参考平面的关系来定义的。 水平极化和垂直极化 设一个参

12、考平面由两条直线确定，一条是入射或离开海面的电磁波束所在的直线，另一条是海表面的垂线。对于线性极化的辐射，水平极化的电场与参考平面垂直，垂直极化的电场与参考平面平行。 辐亮度L ： 辐亮度有方向概念 表示沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量。它的定义是： ?cos ), + r + t=1 根据基尔霍夫定律，在当地热动态平衡条件下，介质洗手的能量全部被发射，发射率等于吸收率，因此，用发射率取代上式吸收率，得到： 1=+t r e 对于透明玻璃板，入射光被全部透射过去，故： t=1，r=0，e=0； 对于镜子，入射光被全部反射回去，故： r=1，t=0，e=0； 对于黑体，入射光被全部洗手，

13、然后又全部被发射，故： a=1，e=1，t=0，r=0. 菲涅尔反射率 两介质界面出的菲涅尔反射率?,被定义为反射的辐亮度与入射的辐亮度之比： ?,i r L L = 反照率：定义为地面反射的和空气中各种梨子后向散射的辐照度之和与入射的辐照度之比。 单次散射反照率：描述大气层中的分子和气溶胶粒子的光学效果。粒子对太阳辐射的单次散射反照率被定义为粒子的散射系数与衰减系数之比。 朗伯表面 使用L 代表一个物体表面自发辐射或者反射的电磁波的辐亮度。如果L 不是?和的函数，这样的表面被称为朗伯表面。朗伯定律表达的事实是：朗伯表面从不同方向看是一样亮的。 5.5黑体辐射 黑体 科学家将发射率e 等于1的

14、理想辐射体称为黑体，黑体发射的辐亮度只与温度有关。如果一个物体的发射率e 小于1，那么该物体就是灰体，它的发射率e 俗称灰度。 当微波频率f 固定以后，物体发射的辐亮度L 与该物体的温度呈现一个线性关系。 亮温 如果已知海面发射的辐亮度，那么直接代入普朗克辐射定律经过计算可以获得一个黑体等效辐射温度。这样获得的温度不是真实的海表面温度，它被称为海面亮温或称为黑体温度B T 。 6 散射和吸收 6.1 描述衰减的术语p117 如果在z=d 处的电场强度d E X ,衰减为初始值0,X E 的1/e ，那么我们定义从z=0到z=skin d 的 距离为皮层深度。 n f c n c k d e s

15、kin = = 21 其中 e k ：电场强度的衰减系数，n 复折射率的虚部。 因为只有接近海面非常薄的水层的水分子发射的电磁波辐射能够溢出水面，所以表面薄层水分子的平均温度决定了海表面的辐射强度，代表了热红外辐射计或者微波辐射计探测的海表面温度。该表面薄层的实际厚度是随辐射波长而变化的，一般的，人们称这一表面薄层为皮层。 在微波范围内，在海水中微波随波长减小而衰减加剧，微波的皮层深度随波长减小而减小。 如果在z= 90 z 处的辐照度 90,Z E 衰减为初始值0,E 的1/e ，那么我们定义从z=0到 90 z z =的 距离为穿透深度。 在穿透深度 90 z 以上海水层粒子的后向散射对离

16、水辐亮度L 的贡献占有90%的份额，所以人们使 用90作为穿透深度 90 z 的下角标。 一般的，490nm 蓝绿光的穿透深度最大，波长超过490nm 的可见光在海水中的穿透深度随可见光波长的增加而减小。 将电磁波在纯水中的穿透深度称为吸收深度或者衰减深度。 穿透深度一般用于描述可见光和近红外光在海水中的衰减，吸收深度多用于描述电磁波在纯水中的穿透深度。皮层深度描述电场强度的衰减，它比穿透深度和吸收深度大一倍。 衰减系数和光学厚度p121 衰减系数 a k 是 吸收系数 ab k 和 散射系数 sc k 的总和。 光学厚度 a 被定义为衰减系数沿传播路径上的积分。 *光学厚度 a 没有量纲 当

17、光学厚度 z ab ,等于0时，吸收率a 等于0； 当光学厚度z ab ,等于无穷大时， 吸收率 a 等于1。 体积散射函数 海水的散射主要集中在前向散射。前向散射一般占总散射的90%以上，后向散射只占小部分，通常小于10%。 米氏散射和瑞利散射p130-131 米氏散射理论用于描述：q 小于1的球形粒子对电磁波的散射现象。 瑞利散射理论是用于描述q 远小于1的球形粒子对电磁波的散射现象。 实际发生的大气对太阳关的散射主要是两种： 丁达尔散射和瑞利散射。 丁达尔散射属于米氏散射，它描述尺度小于100nm 的粒子对太阳光的散射现象。 6.2 辐射传输方程p135 在可见光波段，气溶胶的散射经常是

18、构成最主要衰减的因素。在热红外特别是微波波段，由于电磁波波长远大于大气所含粒子的粒径，大气所含粒子的散射已经不起明显作用，大气所含粒子的吸收变成了最主要的衰减因素。在红外波段，水汽、二氧化碳和臭氧是主要的吸收气体； 在微波波段，水汽、氧气和云中液态水是最主要的吸收物质。 6.3 大气层和大气窗 臭氧p137 如果在零摄氏的温度下，沿着垂直于地表的方向将大气中的臭氧全部压缩到一个标准大气压，那么臭氧层的总厚度只有3mm 左右。这种用从地面到高空垂直柱中臭氧的总厚度来反映大气中臭氧含量的方法叫做 柱浓度法，采用多布森单位来表示，正常大气中臭氧的柱浓度约为300D.U.。1.0 D.U.相当于在一个

19、标准大气压和0的温度下0.01mm 的臭氧层厚度。 气溶胶p138 气溶胶对辐射的影响有 2 种方式： 一、直接影响，指气溶胶直接散射和吸收电磁辐射； 二、间接影响，指气溶胶作为凝结核，在大气中改变云滴的浓度和云滴在大气中存在时间，通过云滴影响电磁辐射。 气溶胶对电磁辐射的影响是双向的。它可以把太阳辐射向太空中散射，造成衰减； 也可以吸收由地面而来的长波辐射，其作用与温室气体在作用相似，形成增益。 气溶胶是气体和在重力场中具有一定稳定性和较小沉降速度的物质颗粒组成的混合系统。一般地，气溶胶是指悬浮在空气中的、由固体和液体颗粒与气体载体共同组成的多相体系。 大气层空气分子、臭氧和气溶胶的光学厚度

20、p140 在可见光和近红外波段，空气分子衰减作用对应的光学厚度a 主要是由空气分子散射造成的，而与吸收关系不大。 在可见光和近红外波段，气溶胶的光学厚度主要是由气溶胶对电磁波的散射引起的。 臭氧的光学厚度 oz 是由臭氧吸收引起的。 水蒸气和氧气的吸收：在微波波段，因为大气吸收系数起主要作用，大气散射的贡献可以忽略，所以大气衰减系数a 近似地等于大气吸收系数ab 。在微波波段，大气吸收系数ab 饱含三个主要组 成部分： vap oxy liq ab += ， liq 是云中液态水和降雨吸收系数， oxy 是氧气的吸收系数， vap 是水汽的吸收系数。 大气窗P145-146 有 7 种大气成分

21、对电磁波吸收起大小不等的作用，他们是：二氧化碳2CO 、水蒸气O H 2、臭氧 3 O 、 一氧化二氮02N 、一氧化碳CO 、甲烷4CH 、氧气2O 。比较而言，二氧化碳和水蒸气对红外波段的大气透射率影响最大。 大气透射率依次按下列顺序递减：冬天亚北极区、冬天中纬度地区、夏天亚北极区、夏天 中纬度地区、热带地区。一般地说，大气对于太阳入射辐射是比较透明的，对于地球发出的红外辐射不太透明。 7 可见光和近红外辐射计与水色遥感 7.1 辐射计p152 可见光和近红外辐射计在水色卫星上用来遥感海水叶绿素浓度、悬浮泥沙浓度以及海水漫衰减系数等， 红外辐射计在气象卫星和陆地卫星上用来遥感雪、冰、气溶胶

22、和薄卷云等 热红外辐射计在气象卫星和海洋卫星上用来遥感海面上空水汽含量、大气剖面温度和湿度以及海表面温度等 微波辐射计在海洋卫星上用于遥感海表面温度、海面风速和风向、海面上空水汽含量、可降水量等，在飞机上用于遥感海表面温度和海表面盐度等 辐射计是一种根据被动遥感理论研制的传感器。 7.2 水色遥感简介 卫星和传感器p153 所谓水色或海色是太阳光经水体或海水散射后，可见光和近红外辐射计监测到的散射光的颜色。 水色三要素指：1.浮游植物的叶绿素； 2.无机的悬浮物； 3.有机的黄色物质。 水体类型p157 一类水体：浮游植物及其“伴生”腐殖质对水体的光学特性起主要作用的水体 二类水体：无机悬浮物

23、或黄色物质对水体的光学特性有不可忽视的明显作用的水体 大多数开阔海域的海水接近一类水体，二类水体位于与人类关系最密切、受人类活动影响最强烈的近岸、河口等海域，其中悬浮泥沙、叶绿素和黄色物质是影响海洋水色的三要素。 黄色物质 海水中的溶解有机物包括：POC-颗粒状有机碳； DOC 溶解的有机碳。 不能通过定量滤膜的颗粒状有机碳称为POC ； 能通过的称为DOC 。 有色溶解有机物是DOM 中的主要成分，它能吸收蓝色的光而散射黄色的光，从而使水呈浅黄色，故被人们通俗地称为黄色物质。 人们通常使用只含有黄色物质海水的吸收系数广义的代表它的浓度，其单位是m -1 。 7.3 大气校正和离水辐射 大气透

24、射率p161 水色卫星遥感的大气校正方程可表达为： W r A R i L t L T L L L ,+= 7.4 水色遥感的科学术语p175 *p175 图7-6 注意：反射峰的位置、高度、坐标轴大小、曲线形状 8 热红外辐射计 8.2 热红外辐射计 消除云的方法一般可采用：p194 最大温度法：海表面温度与云表面温度相比要高，海表面温度变化的时间梯度与云表面温度变化的时间梯度相比要低。若条件满足，则可认为是海表面温度值，否则可认为是云。这种方法对稳定薄云和不清晰云的情况不适用； 多波段方法：这种方法依赖于两种不同的红外波长上的亮度和温度之间的非线性关系。如果在温暖的海面上覆盖分散的不清晰的

25、云，则其图像在两个波段上将给出两种不同的亮温； 若是均匀的云块或海面，则其图像上将有相同的亮温； 图像目测判断法：雨云在可见光下的图像是明显的。 9 微波辐射计 9.1微波辐射计p202 微波辐射计可以全天候探测海表面温度、盐度、风速、大气垂直温度和湿度剖面、大气中水汽含量和可降水量。 10 散射计 10.1 卫星和散射计 散射计：一种专门监测全球海面风场的主动微波雷达。 10.3 电磁波在粗糙海面的散射 布拉格共振散射 雷达发射的电磁波与海表面毛细重力波之间产生布拉格共振条件是： 当 BC AB water 2sin 2sin 2= 等于 雷达波长radar 时，从海面上后向散射的电磁波有相

26、同的 相位，具有相同相位的电磁波相遇产生布拉格共振。 11 高度计 11.1 高度计和海表面地形几何学p253 卫星和高度计 高度计：测量地球表面相对高度的仪器。使用高度计可以实现对海表面高度SSH、有效波高SWH、海表面地形等动力参数的测量，同时可以获取海流、海浪、潮汐、海表面风等动力参数信息。此外，卫星高度计探测数据还可应用于地球结构和海洋重力场的研究。 目前有两种卫星高度计应用到遥感监测中： 一是，雷达高度计，发射微波并接收地球表面返回的微波； 二是，激光高度计，发射激光并接收地球表面返回的激光。 海表面地形p256 海表面地形或海洋地形：定义为海表面相对于大地水准面的距离。 海表面高度

27、、海表面异常p257 海表面高度表示：海表面相对于参考椭球面的距离。 高度计的应用p258 11.4 风速的观测 高度计虽然只能测量海面风速标量，但在应用中具有特殊意义： 高度计可以提供同步的风、浪数据； .高度计星下点测量风速的空间分辨率高于散射计； .在小于10m/s的风速范围内，高度计测量的风速误差小于1m/s，优于散射计； 可以将高度计、散射计、微波辐射计测量的风速进行数据融合和数据同化。 12 合成孔径雷达 12.3 合成孔径雷达的应用p295-296 合成孔径雷达SAR是一种主动式微波成像雷达，通过测量海面后向散射信号，并通过适当的处理后能产生标准化后向散射截面的图像。标准化后向散射截面携带着海面信息，它反映了雷达观测到的海面粗糙度 合成孔径雷达工作在微波阶段，它可以测量出海浪的方向谱、海面风场、内波，还可以监测海冰移动和海面油膜。根据布拉格共振散射理论，合成孔径雷达接收到的海面后向散射信号与海表面上满足布拉格共振散射条件的毛细重力波的谱成正比，所以能够观测海面由毛细重力波代表的海面粗糙度，并可反演产生毛细重力波的海面风速。