海洋水色遥感 海洋遥感PPT课件

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5.4 海洋水色要素浓度反演
（1）叶绿素浓度反演
a.代数法（基于模型的解析算法）
浮游植物色素浓度C的反演：
利用吸收系数：
a( ) aw ( ) f1 ( ) exp( f 2 ( )) C
利用衰减系数：
b( 500 nm) 0.3C 0.62
4.海洋水色遥感的几个基本概念
a. 海洋水体分类
根据Morel等提出的双向分类法，可分为：
- Ⅰ类水体：光学特性主要由浮游植物及其分解物决定；
- Ⅱ类水体：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
线性方式来影响。
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5.1 概述
综合以上诸式可得：
※遥感反射率：
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r
E d ( ,0 )

Eu ( ,0 ) Q Lu ( ,0 )
Lw

L
(

,
0
)
u
Eu ( ,0 )

R
ti REd ( ,0 ) ti (1 ) R
Lw ( , v )

E0 ( ) cos st ( , s )
常用的经验关系：蓝绿比值经验算法
C A(
Lw (i ) B
)
Lw ( j )
log C log A B log(
Lw (i )
)
Lw ( j )
利用水体随着叶绿素浓度的增大，离水辐射度光谱峰从
蓝波段向绿波段偏移的机理而提出蓝绿比值经验算法。
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5.4 海洋水色要素浓度反演
子的成分和浓度有关。
※遥感反射率：
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Rrs ( )
Lw ( )
ti (1 ) R LWN ( ) WN ( )



Ed ( ,0 ) Qn w 2 (1 rR ) E0 ( )

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单位：Sr-1
5.4 海洋水色要素浓度反演
1.反演海洋水色要素需考虑的因素
色素浓度：叶绿素a和褐色素浓度之和，常用C表示。
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5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
d. 黄色物质
- 在全球碳循环研究中比较重要
海水中的融解有机物DOM包括颗粒状有机碳POC和融
解的有机碳DOC。 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。
3.离水反射率
离水反射率：
Lw ( )
r ( )
w ( )
WN ( ) exp( (
oz ( )) / cos s )
E0 cos s
2
归一化离水反射率：
WN ( )
LWN ( )
E0 ( )
归一化离水反射率和归一化离水辐射度与入射光达
到海面的辐照度无关，只与当时当地的海洋内部各种粒
2
2
Qnw
Qnw (1 rR )
Rrs ( )
Lw ( )
ti (1 ) R LWN ( ) WN ( )



Ed ( ,0 ) Qn w 2 (1 rR ) E0 ( )

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单位：Sr-1
5.3 生物-光学算法的物理基础
2.归一化离水辐射度
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5.3 生物-光学算法的物理基础
1.离水辐射度
(4)离水辐射度Lw的计算
E d ( ,0 )
Lw ( ,v ) Lw ( ,0)
t i Lu ( ,0 )
(nw ) 2

(1 )
Ed ( ,0 )
Ed ( ,0 )
1 rR
R Eu ( ,0 ) / Ed ( ,0 )
• SeaWifs（SeaStar）
• MODIS（Terra-Aqua）
• COCTS（HY-1A、HY-1B）
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5.1 概述
1.海洋水色遥感传感器
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5.1 概述
1.海洋水色遥感传感器
波段
设置
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5.1 概述
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5.2 海洋水色遥感机理
※.海洋水色遥感的正演与反演
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5.2 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
TOA
BOA
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5.2 海洋水色遥感机理
2.具体的模型描述
- 水气辐射传输模型
a. 简化模型
Lt
Lt rLs t a Lwt a L path
太阳
传感器
La L path
Lr
ta , td , ts
b. a模型细化
Lt Lwt s rLs t d Lr La
Lwc
c. 考虑多次散射和白浪引起的散射
Lw (ti / n ) Lu
Ls
2
w
ti , r , nw
Lt Lwt s rLs t d Lr La
（1）叶绿素浓度反演
b. 经验算法（★）- 最早针对CZCS设计的
Lee等进行了改进：
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Rrs ( )
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0.32i bbw
400 Y
[ X(
) ]
a 3.4

5.4 海洋水色要素浓度反演
（1）叶绿素浓度反演
b.经验算法（★）
对于I类水体：
a ( ) aw ( ) a p , bb ( ) bbw ( ) bbp ( ) C
一般定义黄色物质浓度为：
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5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
d. 黄色物质
融解有机物
DOM的光谱吸
收曲线
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5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
e. 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
合作用固定碳的速率或能力，与平均叶绿素相关，单位为
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0来进行校正。
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※.利用水气辐射传输模型反演的主要过程

以SeaWIFS（SeaStar）对一类水体探测为例，
设置了大气校正通道7（765nm） 和8（865nm）。这二
个波段的离水辐射度近似为0。
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。
水中各重要成分浓度变化→水体吸收和散射光学性
质变化→离水辐射度变化→传感器接收信号发生变化。
水色遥感过程：通过大气校正，得到离水辐射，再
根据各成分浓度与离水辐射之间的相关关系，反演得到
各水色要素浓度。
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rLs Lsr
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Lu
水中物质
Lwc t s Lru
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海表
※.利用水气辐射传输模型反演的主要过程
（1）辐射定标
（2）大气校正
Lt Lwt s rLs td Lr La Lwc t s Lru
采用近似法（如对模型进行合理的简化）和数值法（如
数；散射系数；体积散射函数等。
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5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
c. 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a，
在蓝光（420-500nm）和红光（600-700nm）波段具有两
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，
该值可作为植物健康状况的标志。
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）
• 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
• 海洋污染环境的监测
• 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
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5.1 概述
2.与海洋水色遥感有关的应用和研究
－利用生物-光学模型描述水体要素与水体光谱辐
射特征之间的相关性，建立二者之间的关系。
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5.4 海洋水色要素浓度反演
（1）叶绿素浓度反演
a.代数法（基于模型的解析算法）
－也称为半分析型生物光学算法。
固有光学量与遥
感反射率的关系
2
Lw ( )
bb
Rrs ( )
r
E d ( ,0 )

L
(

,
0
)
u
Eu ( ,0 )

R
体积散射相函数Q为散射光方向的辐射度与辐照度之比，它与介质对
光子散射的空间分布有关。对于光学上各向同性的介质，Q等于π。在可见
光和近红外光波段，海水的Q约等于4.55；当接近中午太阳天顶角较小时，
Q约等于5.0。
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（1）水色遥感图像的大气校正；
（2）多种水色要素对离水辐射度的共同贡献；
（3）运动的海水对水色要素反演的影响。
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5.4 海洋水色要素浓度反演
2.海洋水色要素的反演方法
• 经验公式法
－通过测量水体表面的光谱辐射特征和水中各水
色要素的浓度，建立二者之间的定量关系。
• 基于模型的解析算法
Lw

r
E d ( ,0 )
（2）水面向下的辐照度

Eu ( ,0 ) Lu ( ,0 )
R
E d ( ,0 )
Ed (,0 ) (1 )Ed (,0 ) rEu (,0 )
(1 )Ed (,0 ) rREd (,0 )
R Eu ( ,0 ) / Ed ( ,0 )
第五章 海洋水色遥感
概述
海洋水色遥感机理
生物-光学算法的物理基础
海洋水色要素浓度反演
赤潮现象的遥感监测与反演
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5.1 概述
1.海洋水色遥感传感器
1970年，Clarke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。
• CZCS（Nimbus-7）
mg·m-2·d-1。
反演算法有：经验算法、解析算法。
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5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
f. 赤潮
海水中的浮游生物过度繁殖或聚焦致使海水变色（多
为红色）的一种生态环境恶化的现象。
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5.2 海洋水色遥感机理
1.海洋水色遥感机理的简单描述

g
(
)

i

Ed ( ,0 ) i 1 a bb
g1 0.0949 i, g 2 0.0794 i
Carder，1996；
辐射因子i为海气透射比与海水折射率之比；
总吸收系数和后向散射系数：
a aw a g ad a ph , bb bbw bbp
以上这些吸收系数和后向散射系数对应着各物质的浓度。
第4821年7月26日54反演方法非线性最优化法应用时注意悬浮物生物耗氧量浊度溶解氧高锰酸盐指数06250627085106030737085208160692064106360732内陆水体实测结果用于说明水色要素之间的相关性第4921年7月26日54反演方法主成分分析法对光谱数据的主成分分析可以决定所需光谱通道数及每一个光谱通道在反演水体组分浓度时所占的权重
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5.1 概述
3.海洋水色遥感中的关键技术
• 大气校正
- 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。
• 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
关系，估算有关的海洋水色要素。
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5.1 概述
（1）物理意义：当太阳位于天顶处，且消除大气的影响时，
海表离水辐射度的近似表达。
（2）计算（Gordon）：
r ( )
Lw ( ) LWN ( ) cos s exp((
oz ( )) / cos s )
2
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5.3 波段气溶胶散射
（3）水色要素反演-(生物光学算法、经验公式法）
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。
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5.3 生物-光学算法的物理基础
1.离水辐射度
(1)水面上的下行辐照度
E d ( ,0 )
E d ( ,0 )
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或
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Ed ( ,0 )
(1 )
Ed ( ,0 )
1 rR
R (bsc a) /(bsc a)
5.3 生物-光学算法的物理基础
1.离水辐射度
(3)水次表面向上辐照度与辐射度的
关系
E d ( ,0 )
Lw

Eu ( ,0 ) Q Lu ( ,0 )
4.海洋水色遥感的几个基本概念
b. 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。
表观光学量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，
以及这些量的衰减系数。
固有光学量与光场无关，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