卫星海洋学官文江(版)

卫星海洋学官文江(版) 1、遥感在渔业上的应用 ? 用于鱼群的直接侦察 鱼群的直接侦察需要高空间分辨率数据，常采用航空遥感方式。通过眼睛观察或航空摄影、激光雷达、航空侧视雷达等传感器，获得由鱼群引起的各种层信息，得到鱼群分布、种群大小、鱼群洄游等信息。卫星遥感通常不直接用于鱼群侦察，可通过卫星上的数据收集系统DCS来获得被标志放流的鱼群分布。 ? 遥感在海洋环境要素与海洋鱼类地理分布关系研究中的应用 海洋环境是海洋鱼类生存和活动的必要条件，每一环境参数的变化，对海洋鱼类及其它海产动物的分布、洄游、移动、集群等都会产生重要的影响，海洋环境要素与海洋鱼类的地理分布存在响应关系。海洋渔业应用遥感探索这种响应关系，并利用这种关系对实时的遥感数据进行分析，可预报鱼类的地理分布，了解其种群特点，这对渔业生产与管理具有现实意义。 a利用海洋渔业捕捞或调查数据，研究与海洋鱼类地理分布相关的遥感要素的特征 b 利用遥感资料预测或模拟鱼类的地理分布。应用鱼类生态行为学理论及海洋鱼类地理分 布相关的遥感要素特征的关系，结合相关模型，可用于预测或模拟鱼类的地理分布。 C 利用遥感资料，探讨鱼类不同地理分布的组成特点。 ? 遥感在渔业资源变动及评估中的应用 海洋鱼类的产卵数量及其早期阶段的存活率、空间分布等对其种群资源量及变动的影响非 常显著。遥感在估算鱼卵丰度，研究鱼类早期阶段的存活与分布变动对种群补充影响等方 面。渔业资源评估通常采用CPUE作为资源丰度指数，但需进行标准化;海表温度、叶绿 素浓度等可应用于对CPUE的标准化，或直接加入到资源评估模型中，用于渔业资源的评 估。利用遥感估算的初级生产力数据结合营养级间的能量传递关系，可以估算渔业资源量; 通过航空遥感调查估测某些鱼种资源量。现有许多在空间上覆盖全球的长时间的系列遥感 数据，为研究渔业资源的年际、年代际变动及其同全球气候变化之间的关系提供了条件。 ? 遥感在渔业管理与安全中的应用 通过遥感调查，可获取渔船分布、渔船类型、捕捞强度、栖息地环境等信息，从而为渔业 的管理、资源的保护提供决策依据。遥感数据可提高天气预报的准确率，为渔业提供气象 保障。云图、风、海浪、海冰等遥感数据的及时获取，可提高海洋捕捞作业的安全，避免 损失;通过对海洋污染、赤潮的有效监测，为海洋养殖业的安全提供了保障。 1、海洋遥感卫星的简单分类，各类有些什么代表性的卫星。 海洋地形卫星: Geosat、Geosat-FO、TOPEX/POSEIDON; 海洋动力环境卫星: ERS-1、ERS-2、Quickscat、Radarsat 海洋水色卫星:Seastar 、IRS-P3、 ROCSAT-1、HY-1。 2、当前利用海洋水色卫星遥感开展的主要工作。 ?海洋碳通量研究 ?海洋生态系统与上层海洋过程的关系研究包括 ?海岸带生态系统的 监测与管理: 3、水色传感器的特点(海洋水色传感器属于可见光和红外波段的辐射计) ?信噪比极高 ?波段带宽较窄 ?时间窗一般要求在当地时间10:30—14:30之间过境，最 好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 ?在访问时间1~3天，空间几何分辨率500~1100m ?有绝对精度指标要求 4、水色产品:悬浮泥沙:航道疏浚、港口治理、海岸过程、近岸工程、岸线演变 叶绿素(浮游植物浓度):反映了海洋中的初级生产力(opp)、藻华、赤潮、环境因素;海 洋生物生存环境研究、全球气候变化和全球变化研究、特定海域营养程度洋酒、 赤潮检测与预防。 黄色物质:指陆源有机物通过江河入海，经生化过程生成黄色有机可溶物。 与碳通量密切相关;有色溶解有机物(CDOM)是DOM中的主要成分，它能吸收蓝色的光而散射黄色光，从而使水呈浅黄色，故被称为黄色物质。(海水中的额溶解有机物(DOM)包括:POC颗粒状有机碳和DOC溶解的有机碳)。 一类水体:浮游植物及其“伴生”腐殖质对水体的光学特性其主要作用。 二类水体:无机悬浮物或黄色物质对水体光学特性有不可忽视的明显作用。 水色遥感的卫星和传感器 卫星 资助者 传感器 运行轨道资料 传感器CZCS NIMBUS-7 太阳同步近极地圆轨道 美国宇航局 5个可见近红外波段(443-750 nm) (1978/10-1986/06) 高度约955 km，倾角99.3? (NASA) 1个热红外波段(11.5μm) 雨云卫星7号 节点,当地时:12:00am 星下点分辨率0.825km，刈幅1566km 太阳同步近极地圆轨道 SeaStar 传感器SeaWiFS 美国宇航局 高度约705 km，倾角98.2? (1997/09-2002/09) 8个可见和近红外波段(402~885 nm) 轨道周期99分， 别名:OrbView-2 星下点分辨率1.1 km，刈幅2 800 km 节点,当地时:12:00am，降轨 EOS-AM 别名:TERRA 太阳同步近极地圆轨道 传感器MODIS [拉丁语:地球] 高度约705 km，倾角98.2? 36个波段(620~14385 nm) (1999/12- ) 轨道周期96.5/98.8 分， 美国宇航局 星下点分辨率1.0km/波段8—36 节点,当地时: EOS-PM 别名:AQUA 500m/波段3—7 250m/波段1—2 EOS-AM 10::30 am，降轨 [拉丁语:水] 刈幅2 330 km EOS-PM 1:30 pm，升轨 (2002/05- ) ADEOS—? 太阳同步近极地圆轨道 日本国家航(1996/08-1997/03) 传感器GLI 高度约804.6 km，倾角98.7? 天发展局 ADEOS—? 传感器OCTS 轨道周期96.5/98.8 分， (NASDA) (2002/12-2003/20) 节点,当地时:10:41am 太阳同步近极地圆轨道 IRS-P3 高度约817 km，倾角98.7? 印度 传感器MOS(德国)，刈幅200 km (1996/03-2004/03) 轨道周期96.5/98.8 分， 节点,当地时:10:41am 太阳同步近极地圆轨道 IRS-P4 (OCEAN-SAT) 印度 传感器OCM，刈幅1420 km 高度约720 km，倾角98.28? (1999/05- ) 节点,当地时:12:00am 太阳同步近极地圆轨道 HY—1A (后HY-1B) 中国国家海COCTS:星下点分辨率1.1 km 高度约798 km，倾角98.8? (2002/05- ) 洋局 CCD:星下点分辨率250 m 轨道周期100.83 分 5、光与界面作用、在水中的传播 ,,,,8cos, 判断物体光滑或粗糙程度的瑞利准则: 按物体表面的粗糙程度分类:?镜面反射?漫反射(朗伯反射)，一圈?方向反射，某个方向上反射最强烈 复折射率:吸收性介质最主要的光学常数。是一个复数，符号N'，可用N'=N-iK表示。N: 实部为吸收性介质的折射率，表示电磁波在两介质界面传播速度和方向的变化; K:虚部，电磁波在吸收性介质中传播时的衰减程度(光能的吸收)，叫做吸收 系数。 6、菲涅尔反射:(P100-105) 菲涅尔反射率:两介质界面处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 菲涅尔反射公式: 7、辐亮度平方定律: 8、风影响波面的角度的关系(倾斜角的变化): 风引起海面起伏产生波面，波面将对海面反射产生影响。 9、风产生波浪，波浪及其破碎将对电磁波产生影响;风驱动海洋环流。风驱动的波浪波长范 围从小于1cm到几百米之间。 对于大振幅的重力波和毛细重力波，随波峰的曲率的增加，毛细波在波峰前面，波的顺 风面形成。这种粗糙度分布的不同有利于获取风速与方向。寄生毛细重力波能将能量传递 给寄生毛细波和不破碎的湍流，则不会破碎。 10、波浪的破碎: ?小水滴抛洒在空气中(全球有1亿吨海水盐分转移到海气边界层，其形成的气溶胶影响遥 感反演的效果) ?白帽 ?在海水中形成泡沫层。泡沫覆盖的面积随风速的增加而增加，但关系是非线性的，泡沫的反射率与发射特性与海水存在差异。对风速，水色遥感均造成影响。(在任何时候2%~3%的海洋表面被泡沫覆盖) 白帽:海面在风持续作用下，风浪不断产生发展，其中一部分破碎，波破碎直接形成海洋 白帽，白帽衰败后留下的泡沫要很长时间才消亡;同时，与白帽伴生的还有海水中的 气泡和空气中的水沫滴。 11、海水的散射与吸收 光线进入海水中发生的两个作用:散射与吸收，造成了光的衰减。(海水的固有光学性质) 散射:受介质微粒作用而偏离直线传播方向的光辐射，它包括水中的米氏散射、瑞利散射 和透明物质的折射所引起的随机过程。 分为 前向散射系数 和 后向散射系数 米氏散射理论用于描述:q(粒子的周长与电磁波波长之比)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。 在海水中，瑞利散射的前后向基本对称，而悬浮颗粒的米散射的前向散射比后向散射强 得多。 吸收:光子能量转变为热能、化学能等引起的多种热力学不可逆过程。 a(,),a(,)exp(,S(,,,))吸收与散射:黄色物质的吸收系数 指数形态 yy00 浮游植物吸收系数 两个吸收峰，蓝吸绿散，红光吸红外散 引起折射指数实部波动的因素: 1. 由于分子(水分子、离子)的随机运动导致小尺度密度波动(<<λ)(ΔV <<λ )。 2. 有机、无机颗粒物质(>λ)(引起10倍的增加，前向性:衍射占主要的散射;折射和反 射在散射角大于15?时变的重要) 3. 大尺度扰动(>>λ) 12、海洋固有光学性质:它仅由海水本身的物理特性所决定，主要指海水对光的散射和吸收。 海洋表观光学性质:它决定于海水固有光学性质和海中辐射场的分布，太阳和天空辐射通 过海面进入海中所形成的海洋辐射场分布，主要表现为辐亮度分布、辐照度衰减、 辐照比和偏振特性等所有与辐射场有关的光学性质。(受环境影响、光线照射影响， 水体水质影响) Kd衰减系数 ，SD透明度(kd是半固有光学性质，受光场影响) 漫衰减系数: 13、前向与后向散射:散射角在0,pi/2时为前向散射，在pi/2,pi时为后向散射。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%。在海洋光学调查中，人们使用β仪测量体积散射函数β (λ,θ)，使用b仪器测量体积散射系数ksc(λ)。因为海水散射随波长变化不大， 故不必针对光谱中的每一单色光都测量。 14、普朗克公式: 22hc18 34 8 ,,Lλ=,λ是电磁波波长，c=2.998?10m/s，h=6.626?10J?s，k=1.381?10J/K bhc5λκTλbe?1 -2-1-1?μm?sr，单位面积内单位波长单位立体角内辐射源自发辐射的功率) (国家单位制单位:μW?m 32hf1C,,将fλ=c, df =—? Lλ= ，f 单位是Hz。 dλ，L(λ)|dλ|= L(f)|df| 带入，得,,2hf2λcκTbe?1 -2-1-1(国家单位制单位:μW?m?Hz?sr，单位频率内单位波长单位立体角内辐射源自发辐射的功率) hf2hfhf2fkbκTb 频率低于600GHz，<<1,泰勒一阶展开e? 1+ ，带入?得瑞利-金斯定律L(f)?()T 2κTκTcbb 16、大气校正方程/大气校正反射率 (大气透射率 P161) ,,,,,,,,，，，，，Tt,,traragwwc大气校正反射率: ,通常忽略(可通过其他判断或基于仪器的侧摆功能) g ,,,,,,,，，，，t,,trarawwc ρt是卫星探测到的波长为λ的总反射率; ρr是大气层空气分子瑞利散射的反射率; ρa是气溶胶散射的反射率; ρra是大气层空气分子与气溶胶之间多次散射的反射率; ρg是海表面的镜面反射率(太阳直射反射率，太阳耀斑);ρw是离水反射率; ρwc是海面白冠散射的反射率，T是大气直接透射率; t是大气漫透射率。 表达式 含义 下标含义 L(λ) 卫星探测的辐亮度 i:传感器第i个通道 i L(λ) 大气中分子瑞利傲射的辐亮度 R:是Rayleigh的英文首字母.R 大气层空气分子对所有波段电 磁波的散射均属于瑞利散射。 L(λ) 气溶胶散射的辐亮度 A:气溶胶的英文首字母 A L(λ) 海面的镜面反射，也称为太阳λ:传感器第i个通道对应的r 耀斑。选择合适的观测角可避波长;θ:卫星天顶角.代表卫 免太阳耀斑 星观测方向与被观测海面的法 线之间的夹角 t(λ，θ) 大气漫透射率 T(λ，θ) 大气的直接透射率 L(λ) 离水辐亮度，描述:被表层海水 w 散射的太阳辐射，不是海水自 发辐射，与海水发射率无关。 17、电磁波测量涉及到三个层: 大气分层假设从上到下:?臭氧层(吸收)?大气层空气分子(不吸收)?气溶胶(TA) 臭氧是同温层大气的主要成分，存在季节与纬度上的变化。其重大意义在于其对紫外线的吸收。 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。 气溶胶对辐射的影响有两种方式:1. 直接影响:是指气溶胶直接散射和吸收电磁辐射; 2、间接影响:这是指气溶胶作为凝结核，在大气中改变云滴的浓度和云滴在 大气中存在的时间，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。 18、反射率: 遥感反射率:在水色遥感中，大气校正模式和水色反演模式是必须建立的两个基本模式，水色反演模 式的作用是，通过对太阳光离水辐亮度的测量和标准化的换算，达到对海水内部主要粒子 浓度的估计。人们使用遥感反射率表示太阳光离水辐亮度的标准化形式。 ,1sr遥感反射率无量纲，其数学单位是， Lw是太阳光在海面的离水辐亮度， E是太阳光在海面上的下行辐照度， F代表平均日地距离处大气层外垂直入射的太阳辐照度， Lwn代表归一化离水辐亮度。 Ez(;),uRz(;),,Ez(;),d辐照度反射率: EU;Ed向上与向下辐照度 19、辐射传输方程: 20、反演叶绿素浓度: (P178—180) 1.λ<550nm R随叶绿素浓度的增加而降低 2.λ>550nm R随叶绿素浓度的增加而升高 3.λ=550nm R与叶绿素浓度几乎无关 4.λ=683nm 存在荧光锋，R随叶绿素浓度增加而升高。 随叶绿素浓度的增加，443波段的反射率急剧下降，最大反射率转向500nm波段，在490nm 与 530nm处，随叶绿素浓度的增加，由于色素存在，使得反射率下降缓慢。 412波段受cdom及悬浮颗粒的影响大，需要结合上述物质的吸收特性，才能用于叶绿素浓 度的反演。 21、海洋水色的生物光学算法:(注:要求明白一步步假设怎么来的) 1 半分析算法 (将理论模型与经验模型相结合，并采用区域、种别特征的经验参数;一类、二类水体) 1.波段比值模型的分析基础 ,,R(1)(1),,L,F,()()[],,wn02 根据Aiken 等(1995)，标准化离水辐亮度表示 n,rRQ(')(1) L (λ)是标准化离水辐亮度，R是漫反射率，代表平均日地距离处大气层外垂直入射的太阳辐F(,)0wn 照度，其余部分与波长在第一类水体海域基本无关。 ,,,R()Q()F(),Lwn，，ij0ii ?假设海-气界面的影响处于定常状态， L,,i:j，，Lwn,R(,)Q(,)F(,)波长为λi和λj的标准化离水辐亮度的比为 jji0j 光场的Q因子和波长略有关系，但不易确定。 ?漫反射率R是辐亮度比值的决定性因素，漫反射率R可以表示为 a(,) G代表向下辐射光场的影响， 是后向散射系数，是吸收系数。 b(,),b，，b()b,,RG(),(),,a,()，，a(,) 和是纯水的光学性质和海水中的光学活性成分的共同作用结果。 b(,)b ，,,,，()()()abFji0i,Lg,,i:ja(,)b(,)F(,),,ij0j，， ?离水辐亮度的比值Li:j可表示为 g是常数，它包含海-气界面的影响、光场影响、以及光场的Q因子等三项的比值。 由调查数据可得g的估计值为1?3.5%;为了讨论水体组份的影响，常忽略g的变化，令g等于1。 ?把水体组份的固有光学性质分解为几个部分，则Li:j可表示为 ,,,,, a()a()Ga()Cb()b()P，，，,F()wjgjhjwipi0iLg,，，i:j a,()a,()Ga,()Cb(,)b(,)PF(,)，，，wigihiwjpj0j aw是海水的吸收系数，bw是海水的后向散射系数; P是粒子浓度(包括碎屑物质)，bp是粒子后向散射系数， G是溶解有机物和类溶解有机物的浓度，ag是此类物质的吸收系数; C是SeaWiFS色素的浓度，也称为叶绿素生物量的浓度，ah是此类物质的吸收系数。 a(,)C,aC，aC，aC，aC，aCah(λ)C由五部分组成，表达式: haabbccpspspppp C是SeaWiFS色素浓度， C、C、C、a、a、a 分别是叶绿素-a、b和c的浓度和吸收系数， abca bc C、C、a和a 分别是光合作用和抑光作用类胡萝卜素的浓度和吸收系数。 pspppspp ，，,,,()()()baFwiwj0i?定义B为 它代表海水的固有光学性质; B,g,,b(,)a(,)F(,),,wjwi0j ，， ?则 式中Aj = ah(λj)/ aw(λj) ， ，，，，1CAGB，，，1PDjjiL,B,,Bj = ag(λj)/ aw(λj) ， ij:,,1，CA，GB1，PD,,iij，，，，Dj = bp(λj)/ bw(λj) 。 2 经验算法(经验回归，主要应用于一类海水中) 1CA，，，jLB, 2.基于蓝绿比值模型的SeaWiFS算法 ij:,,1CA，i，，当粒子浓度P和溶解有机物和类溶解有机物的浓度G可忽略时，上式进一步简化为 代入C= Ca+CP，可获得公式中系数A1和A2的值，以及色素C =(Ca+CP)的适用范围。 ,C，C,,(L)a和褐色素)浓度可表示成 利用传统的幂指数模型，CZCS色素(叶绿素-api:j Ca是叶绿素-a的浓度，Cp是褐色素的浓度， ln(C，C),ln(,)，,ln(L)取自然对数，可获得另一种形式 β是斜率，ln(α)是截距。 api:j