第五章 海洋水色遥感 - 海洋遥感

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1、第五章第五章 海洋水色遥感海洋水色遥感u 概述概述u 海洋水色遥感机理海洋水色遥感机理u 生物生物- -光学算法的物理基础光学算法的物理基础u 海洋水色要素浓度反演海洋水色要素浓度反演u 赤潮现象的遥感监测与反演赤潮现象的遥感监测与反演5.1 概述概述1.海洋水色遥感传感器 1970年，年，Clarke等成功的验证了利用航空光谱遥等成功的验证了利用航空光谱遥感水体表层叶绿素浓度的可行性。感水体表层叶绿素浓度的可行性。 CZCS（Nimbus-7） SeaWifs（SeaStar） MODIS（Terra-Aqua） COCTS（HY-1A、HY-1B）5.1 概述概述1.海洋水色遥感传感器5.

2、1 概述概述1.海洋水色遥感传感器波段设置5.1 概述概述2.与海洋水色遥感有关的应用和研究 全球气候变化（包括海洋碳通量研究）全球气候变化（包括海洋碳通量研究） 海岸带管理与（工程）环境评价海岸带管理与（工程）环境评价 海洋初级生产力与海洋渔业资源的开发、保护海洋初级生产力与海洋渔业资源的开发、保护 海洋污染环境的监测海洋污染环境的监测 海洋动力环境研究海洋动力环境研究 海洋生态系统与混合层物理性质的关系研究海洋生态系统与混合层物理性质的关系研究5.1 概述概述2.与海洋水色遥感有关的应用和研究5.1 概述概述3.海洋水色遥感中的关键技术 大气校正大气校正 - 从传感器接收到的信号中消除大气

3、的影响，获从传感器接收到的信号中消除大气的影响，获得包含海水组分信息的海面离水辐射度。得包含海水组分信息的海面离水辐射度。 生物光学算法生物光学算法 - 根据不同海水的光学特性与离水辐射度之间的根据不同海水的光学特性与离水辐射度之间的关系，估算有关的海洋水色要素。关系，估算有关的海洋水色要素。 5.1 概述概述4.海洋水色遥感的几个基本概念 海洋水体分类海洋水体分类 根据根据Morel等提出的双向分类法，可分为：等提出的双向分类法，可分为： - 类水体类水体：光学特性主要由浮游植物及其分解物决定；光学特性主要由浮游植物及其分解物决定； - 类水体类水体：光学特性除了与浮游植物及其分解物有关外，

4、光学特性除了与浮游植物及其分解物有关外，还由悬浮物、黄色物质决定，其水色由水体的各成分以非还由悬浮物、黄色物质决定，其水色由水体的各成分以非线性方式来影响。线性方式来影响。5.1 概述概述4.海洋水色遥感的几个基本概念 海水的光学特性海水的光学特性 海水的光学特性有：表观光学量和固有光学量。海水的光学特性有：表观光学量和固有光学量。 表观光学量表观光学量由光场和水中的成分而定，包括向下辐照由光场和水中的成分而定，包括向下辐照度、向上辐照度、离水辐亮度、遥感反射率、辐照度比等，度、向上辐照度、离水辐亮度、遥感反射率、辐照度比等，以及这些量的衰减系数。以及这些量的衰减系数。 固有光学量固有光学量与

5、光场无关，只与水中成分分布及其光学与光场无关，只与水中成分分布及其光学特性有关，直接反映媒介的散射和吸收特征，如：吸收系特性有关，直接反映媒介的散射和吸收特征，如：吸收系数；散射系数；体积散射函数等。数；散射系数；体积散射函数等。5.1 概述概述4.海洋水色遥感的几个基本概念 海水的色素海水的色素 叶绿素：反映海洋生产力的变化，最主要的为叶绿素叶绿素：反映海洋生产力的变化，最主要的为叶绿素a，在蓝光（在蓝光（420-500nm）和红光（）和红光（600-700nm）波段具有两）波段具有两个强吸收谷。个强吸收谷。 荧光：浮游植物吸收的太阳能在某波段上的辐射光，荧光：浮游植物吸收的太阳能在某波段上

6、的辐射光，该值可作为植物健康状况的标志。该值可作为植物健康状况的标志。 色素浓度：叶绿素色素浓度：叶绿素a和褐色素浓度之和，常用和褐色素浓度之和，常用C表示。表示。 5.1 概述概述4.海洋水色遥感的几个基本概念 黄色物质黄色物质 - 在全球碳循环研究中比较重要在全球碳循环研究中比较重要 海水中的融解有机物海水中的融解有机物DOM包括颗粒状有机碳包括颗粒状有机碳POC和融和融解的有机碳解的有机碳DOC。 海水中的有色融解有机物（海水中的有色融解有机物（CDOM）被称为黄色物质。黄色物质在蓝色波段具有强烈的吸收。被称为黄色物质。黄色物质在蓝色波段具有强烈的吸收。一般定义黄色物质浓度为：一般定义黄

7、色物质浓度为：5.1 概述概述4.海洋水色遥感的几个基本概念 黄色物质黄色物质融解有机物DOM的光谱吸收曲线5.1 概述概述4.海洋水色遥感的几个基本概念 海洋初级生产力海洋初级生产力 初级生产力表示在单位海洋面积内，浮游植物通过光初级生产力表示在单位海洋面积内，浮游植物通过光合作用固定碳的速率或能力，与平均叶绿素相关，单位为合作用固定碳的速率或能力，与平均叶绿素相关，单位为mgm-2d-1。 反演算法有：经验算法、解析算法。反演算法有：经验算法、解析算法。5.1 概述概述4.海洋水色遥感的几个基本概念 赤潮赤潮 海水中的浮游生物过度繁殖或聚焦致使海水变色（海水中的浮游生物过度繁殖或聚焦致使海

8、水变色（多多为红色为红色）的一种生态环境恶化的现象。）的一种生态环境恶化的现象。5.2 海洋水色遥感机理海洋水色遥感机理1.海洋水色遥感机理的简单描述 海洋水色遥感是基于传感器接收的离水辐射（透射海洋水色遥感是基于传感器接收的离水辐射（透射入水的辐射经过水体反射离开水面的辐射）所进行的。入水的辐射经过水体反射离开水面的辐射）所进行的。 水中各重要成分浓度变化水中各重要成分浓度变化水体吸收和散射光学性水体吸收和散射光学性质变化质变化离水辐射度变化离水辐射度变化传感器接收信号发生变化。传感器接收信号发生变化。 水色遥感过程：水色遥感过程：通过通过大气校正大气校正，得到离水辐射，再，得到离水辐射，再

9、根据各成分浓度与离水辐射之间的根据各成分浓度与离水辐射之间的相关关系相关关系，反演得到，反演得到各水色要素浓度。各水色要素浓度。5.2 海洋水色遥感机理海洋水色遥感机理.海洋水色遥感的正演与反演5.2 海洋水色遥感机理海洋水色遥感机理.大气校正前后的辐射度对水色要素的指示不同TOABOA5.2 海洋水色遥感机理海洋水色遥感机理2.具体的模型描述 - - 水气辐射传输模型水气辐射传输模型uLuwiwLntL)/(2winrt,pathLtLpathawastLtLtrLLsLsdattt,a. 简化模型简化模型ardsswtLLtrLtLLb. a模型细化模型细化rLaLardsswtLLtrL

10、tLLc. 考虑多次散射和白浪引起的散射考虑多次散射和白浪引起的散射ruswcLtL水中物质太阳传感器海表srsLrL wcL.利用水气辐射传输模型反演的主要过程（1 1）辐射定标）辐射定标（2 2）大气校正）大气校正ruswcardsswtLtLLLtrLtLL 采用近似法（如对模型进行合理的简化）和数值法（如采用近似法（如对模型进行合理的简化）和数值法（如采用一些同步的大气数据进行计算）；采用一些同步的大气数据进行计算）； 利用近红外两个波段的离水辐射度近似为利用近红外两个波段的离水辐射度近似为0来进行校正。来进行校正。第8波段气溶胶散射计算n值其它波段气溶胶散射（3 3）水色要素反演）水

11、色要素反演-(-(生物光学算法、经验公式法）生物光学算法、经验公式法）.利用水气辐射传输模型反演的主要过程 以以SeaWIFS（SeaStar）对一类水体探测为例，）对一类水体探测为例， 设置了大气校正通道设置了大气校正通道7（765nm） 和和8（865nm）。这二）。这二个波段的离水辐射度近似为个波段的离水辐射度近似为0。生物-光学算法已经扩展到了水中其它组分及海水光学性质的研究。5.3 生物生物-光学算法的物理基础光学算法的物理基础1.离水辐射度(1)(1)水面上的下行辐照度水面上的下行辐照度)0 ,(dE（2 2）水面向下的辐照度）水面向下的辐照度)0 ,(dE)0 ,()0 ,()1