第五章海洋水色遥感
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海洋遥感
The Oceanic Remote Sensing
2019/5/30
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
2019/5/30
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。
2019/5/30
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。 一般定义黄色物质浓度为:
2019/5/30
C>1.5mg/m3: 其它情况:
C 1.13( Lw (443 ) )1.71 Lw (550 )
C 3.33( Lw (520 ) )2.44 Lw (550 )
※.
NASA的另一种方法:
C
A(
Lu Lu
(443,0 (550,0
) )
)
B
或
C
A(
R(443 R(550
,0 ,0
(1)叶绿素浓度反演
c.经验算法(Tassan模型)
预先定义:
其中λi,λj 分别为接近叶绿素吸收最大值和最小值的波段;λm,λn 分别位于 叶绿素吸收峰的两边,是次级波段。
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
Lw
(,v
)
Lw
(,0)
t
i
Lu (,0 (nw )2
)
Ed (,0 )
Lw
r
Ed
(
,0
)
(1 ) 1 rR
Ed
(
,0
)
R Eu (,0 ) / Ed (,0 )
Eu (,0 ) Q Lu (,0 )
• CZCS(Nimbus-7) • SeaWifs(SeaStar) • MODIS(Terra-Aqua) • COCTS(HY-1A、HY-1B)
2019/5/30
5.1 概述
1.海洋水色遥感传感器
2019/5/30
5.1 概述
1.海洋水色遥感传感器
波段 设置
2019/5/30
5.1 概述
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
2019/5/30
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 mg·m-2·d-1。
反演算法有:经验算法、解析算法。
) )
)
B
• Clack三通道算法
2019/5/30
C 5.56( Lw1 Lw2 )2.252 Lw3
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(★)
• 基于蓝绿比值的MODIS算法(Esaias,1998)
反演模型:
2019/5/30
5.4 海洋水色要素浓度反演
2019/5/30
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。
2019/5/30
5.2 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 入水的辐射经过水体反射离开水面的辐射)所进行的。
rLs Lsr
Lt Lwts rLstd Lr La
Lwcts Lru
Lw (ti / nw2 )Lu
Lu
La Lpath
Lr
ta,td ,ts
Lwc Ls
水中物质
ti , r, nw
海表
2019/5/30
※.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 Lwts rLstd Lr La Lwcts Lru
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);
利用近红外两个波段的离水辐射度近似为0来进行校正。
2019/5/30
※.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,
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
2019/5/30
5.1 概述
2.与海洋水色遥感有关的应用和研究
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。
第8波段气溶胶散射
计算n值
其它波段气溶胶散射
(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。
2019/5/30
5.3 生物-光学算法的物理基础
1.离水辐射度
Ed (,0 )
Lw
r
Ed (,0 ) Eu (,0 ) Lu (,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201等9/5/于30 5.0。
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。
2019/5/30
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(★)- 最早针对CZCS设计的
• Gordon双通道算法
(1)水面上的下行辐照度 Ed (,0)
(2)水面向下的辐照度 Ed (,0)
Ed (,0) (1 )Ed (,0) rEu(,0) (1 )Ed (,0 ) rREd (,0)
2019/5/30
R Eu (,0 ) / Ed (,0 )
2019/5/30
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。
色素浓度:叶绿素a和褐色素浓度之和,常用C表示。
WN ()
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
(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。
2019/5/30
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
-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。
2019/5/30
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
Rrs ()
Lw ( ) Ed (,0 )
0.32i a
[ bbw 3.4
X
(
400)Y
]
2019/5/30
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 () ap , bb () bbw () bbp () C
常用的经验关系:蓝绿比值经验算法
C A( Lw (i ) )B Lw ( j )
※.大气校正前后的辐射度对水色要素的指示不同
TOA BOA
2019/5/30
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
Lt 传感器
太阳
a. 简化模型
Lt rLsta Lwta Lpath
b. a模型细化 Lt Lwts rLstd Lr La
c. 考虑多次散射和白浪引起的散射
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。
2019/5/30
5.2 海洋水色遥感机理
※.海洋水色遥感的正演与反演
2019/5/30
5.2 海洋水色遥感机理
2019/5/30
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。
2019/5/30
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
os
s
exp((
r
(
2
)
oz
(
))
/
c
os
s
)
2019/5/30
5.3 生物-光学算法的物理基础
3.离水反射率
离水反射率:
w ( )
Lw ( ) E0 coss
WN
(
)
exp(
(
r
( 2
)
oz ())
/ coss )
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 子的成分和浓度有关。
※遥感反射率:
2019/5/30
Rrs
()
Lw ( ) Ed (,0
)
ti (1 )R Qnw2(1 rR)
LWN () E0 ( )
或
Ed (,0 )
Lw
r
Ed (,0 ) Eu (,0 ) Lu (,0 ) R
Ed
(,0
)
(1 ) 1 rR
Ed
(
,0
)
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
Eu (,0 ) Q Lu (,0 )
2 i1
gi ( a
bb bb
)
Carder,1996;
g1 0.0949 i, g2 0.0794 i 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 ag ad aph , bb bbw bbp
2019以/5/30上这些吸收系数和后向散射系数对应着各物质的浓度。
Ed (,0 ) Eu (,0 ) Lu (,0 ) R
综合以上诸式可得:
Lw
(,v
)
ti
REd (,0 Qnw2
)
ti (1 )R Qnw2(1 rR)
E0
()
cosst(,s
)
※遥感反射率:
2019/5/30
Rrs
()
Lw ( ) Ed (,0
)
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。
2019/5/30
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
ti (1 )R Qnw2(1 rR)
LWN () E0 ( )
WN ()
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
(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):
Lw
(
)
LWN
()
c
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: 利用衰减系数:
a() aw () f1() exp( f2 ()) C b( 500 nm) 0.3C 0.62
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Lee等进行了改进:
Rrs
()
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 数;散射系数;体积散射函数等。
The Oceanic Remote Sensing
2019/5/30
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
2019/5/30
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。
2019/5/30
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。 一般定义黄色物质浓度为:
2019/5/30
C>1.5mg/m3: 其它情况:
C 1.13( Lw (443 ) )1.71 Lw (550 )
C 3.33( Lw (520 ) )2.44 Lw (550 )
※.
NASA的另一种方法:
C
A(
Lu Lu
(443,0 (550,0
) )
)
B
或
C
A(
R(443 R(550
,0 ,0
(1)叶绿素浓度反演
c.经验算法(Tassan模型)
预先定义:
其中λi,λj 分别为接近叶绿素吸收最大值和最小值的波段;λm,λn 分别位于 叶绿素吸收峰的两边,是次级波段。
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
Lw
(,v
)
Lw
(,0)
t
i
Lu (,0 (nw )2
)
Ed (,0 )
Lw
r
Ed
(
,0
)
(1 ) 1 rR
Ed
(
,0
)
R Eu (,0 ) / Ed (,0 )
Eu (,0 ) Q Lu (,0 )
• CZCS(Nimbus-7) • SeaWifs(SeaStar) • MODIS(Terra-Aqua) • COCTS(HY-1A、HY-1B)
2019/5/30
5.1 概述
1.海洋水色遥感传感器
2019/5/30
5.1 概述
1.海洋水色遥感传感器
波段 设置
2019/5/30
5.1 概述
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
2019/5/30
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 mg·m-2·d-1。
反演算法有:经验算法、解析算法。
) )
)
B
• Clack三通道算法
2019/5/30
C 5.56( Lw1 Lw2 )2.252 Lw3
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(★)
• 基于蓝绿比值的MODIS算法(Esaias,1998)
反演模型:
2019/5/30
5.4 海洋水色要素浓度反演
2019/5/30
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。
2019/5/30
5.2 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 入水的辐射经过水体反射离开水面的辐射)所进行的。
rLs Lsr
Lt Lwts rLstd Lr La
Lwcts Lru
Lw (ti / nw2 )Lu
Lu
La Lpath
Lr
ta,td ,ts
Lwc Ls
水中物质
ti , r, nw
海表
2019/5/30
※.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 Lwts rLstd Lr La Lwcts Lru
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);
利用近红外两个波段的离水辐射度近似为0来进行校正。
2019/5/30
※.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,
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
2019/5/30
5.1 概述
2.与海洋水色遥感有关的应用和研究
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。
第8波段气溶胶散射
计算n值
其它波段气溶胶散射
(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。
2019/5/30
5.3 生物-光学算法的物理基础
1.离水辐射度
Ed (,0 )
Lw
r
Ed (,0 ) Eu (,0 ) Lu (,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201等9/5/于30 5.0。
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。
2019/5/30
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(★)- 最早针对CZCS设计的
• Gordon双通道算法
(1)水面上的下行辐照度 Ed (,0)
(2)水面向下的辐照度 Ed (,0)
Ed (,0) (1 )Ed (,0) rEu(,0) (1 )Ed (,0 ) rREd (,0)
2019/5/30
R Eu (,0 ) / Ed (,0 )
2019/5/30
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。
色素浓度:叶绿素a和褐色素浓度之和,常用C表示。
WN ()
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
(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。
2019/5/30
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
-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。
2019/5/30
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
Rrs ()
Lw ( ) Ed (,0 )
0.32i a
[ bbw 3.4
X
(
400)Y
]
2019/5/30
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 () ap , bb () bbw () bbp () C
常用的经验关系:蓝绿比值经验算法
C A( Lw (i ) )B Lw ( j )
※.大气校正前后的辐射度对水色要素的指示不同
TOA BOA
2019/5/30
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
Lt 传感器
太阳
a. 简化模型
Lt rLsta Lwta Lpath
b. a模型细化 Lt Lwts rLstd Lr La
c. 考虑多次散射和白浪引起的散射
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。
2019/5/30
5.2 海洋水色遥感机理
※.海洋水色遥感的正演与反演
2019/5/30
5.2 海洋水色遥感机理
2019/5/30
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。
2019/5/30
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
os
s
exp((
r
(
2
)
oz
(
))
/
c
os
s
)
2019/5/30
5.3 生物-光学算法的物理基础
3.离水反射率
离水反射率:
w ( )
Lw ( ) E0 coss
WN
(
)
exp(
(
r
( 2
)
oz ())
/ coss )
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 子的成分和浓度有关。
※遥感反射率:
2019/5/30
Rrs
()
Lw ( ) Ed (,0
)
ti (1 )R Qnw2(1 rR)
LWN () E0 ( )
或
Ed (,0 )
Lw
r
Ed (,0 ) Eu (,0 ) Lu (,0 ) R
Ed
(,0
)
(1 ) 1 rR
Ed
(
,0
)
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
Eu (,0 ) Q Lu (,0 )
2 i1
gi ( a
bb bb
)
Carder,1996;
g1 0.0949 i, g2 0.0794 i 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 ag ad aph , bb bbw bbp
2019以/5/30上这些吸收系数和后向散射系数对应着各物质的浓度。
Ed (,0 ) Eu (,0 ) Lu (,0 ) R
综合以上诸式可得:
Lw
(,v
)
ti
REd (,0 Qnw2
)
ti (1 )R Qnw2(1 rR)
E0
()
cosst(,s
)
※遥感反射率:
2019/5/30
Rrs
()
Lw ( ) Ed (,0
)
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。
2019/5/30
5.1 概述
4.海洋水色遥感的几个基本概念
ti (1 )R Qnw2(1 rR)
LWN () E0 ( )
WN ()
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
(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):
Lw
(
)
LWN
()
c
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: 利用衰减系数:
a() aw () f1() exp( f2 ()) C b( 500 nm) 0.3C 0.62
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Lee等进行了改进:
Rrs
()
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 数;散射系数;体积散射函数等。