第六章 海面风场遥感 - 海洋遥感.ppt

z0 L
)]
us为海面风速，ka为Karman常数（常取0.4），z0可用 经验关系式表达，ψ为考虑大气稳定性的修正值，L为M-O
长度。
可见，后向散射系数与海面风速具有较大相关性。
2020/7/10
6.2 微波散射计测量海面风场
2.测风原理
（4）后向散射系数与风向之间的关系：
在风速固定的条件下，后向散射系数在逆风观测 时最大，顺风其次，而横风最小。
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6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（4）实际求解中的最大似然反演法
• 首先取风向为0度，给定一个起始风速(如7m/s)，在风速 区间范围内(如0-50m/s)按一定间隔寻找使目标函数式取 得最大值的风速，记录风速值和相应的目标函数值；
• 风向增加一个间隔，以上一个风向下找到的风速为起点， 重复上步，直到整个风向区间(0-360°)搜索完毕为止；
• 将局部最大值按从大到小的顺序排列,取出前四个对应的风 速、风向作为模糊解。
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6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（4）实际求解中的最大似然反演法
研究表明，在绝大数情况下，真实的海面风矢量 就是最大似然意义上的第一或第二解，而且这两 个解之间存在180度的方向差。一般情况下，有 60%的最可能风矢量解接近真实风速和风向，大 约30%的最可能解与实际真实风向相反。
CMOD-IFR2 模式函数较为常用-只适合于VV极化：
0 VV
10 log(10ab
U10 [1 b1 cos(
) b2 cos 2( )])
0 - 后向散射系数； U10 - 海面上10米高度处风速； , - 风向和雷达天线方位角； VV - 垂直极化；
工作于HH极化的SAR，需要描述HH和VV极化关系的极化率模型。
对此，技术上主要采用中值滤波方法进行多解消 除处理。 2020/7/10
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（5）风向多解消除-矢量中值滤波
Eijk
1 Lij k
ih jh
p
Wm'n' Aij k U mn
mih n jh
对于每个窗口，计算中心点的滤波函数值，用最小值Uij所对应的 风矢量代替方程中的Umn，重复计算滑动窗口，直到Uij=Umn。
所以，需要其它方法的配合进行风矢量求解。
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6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（4）实际求解中的最大似然反演法
最大似然估计的目标函数：
J
N
i 1
oi m w,i 2
Var
m
i
ln
Var
m
i
oi 后向散射系数的测量值
m w,i 后向散射系数的模式预测结果
如：
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（3）风向的确定
通常情况下，SAR图像上存在与海面局部风向平行的 条纹，称为风条纹。由此，可通过SAR图像的低波数谱 来确定风向。
NN
l,m
X e2 ( jlkm) / N j,k
j1 k 1
通过该方法可直接利用SAR图像反演风向，不需要辅 助信息。但得到的风向有180度的风向模糊，而且SAR 图像上的线性特征不总是存在。
0 a1U 1 a2U 2 cos a3U 3 cos 2
• Ku波段 - Wentz（SASS-II模式）
0 A0 A1 cos A2 cos 2
A0 a0U a0 A1 (a1 a1 logU ) A0
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A2 (a2 a2 log U ) A0
6.2 微波散射计测量海面风场
a0 0u 0d 2 0c / 4
a1 0u 0d / 2
a2 0u 0d 2 0c / 4
风速、入射角和极 化方式的函数。
下标0u、0d和0c分别表示逆风、顺风和横风时观 2020/7测/10 的后向散射系数。
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（2）风矢量反演模式
模式函数一般采用统计 的方法经验获得。
Ku波段的模式函数
C波段的模式函数
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6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（2）风矢量反演模式-常用：
Φ为相对方位角，为风 向和雷达方位角之差。
0 U , , a0 U , a1U , cos a2 U , cos2
0 10 U10 (1 b1 cos b2 cos2)
后向散射系数随风速和风向的变化(CMOD4)
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6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（3）实际应用的风矢量反演模式
0 U , , a0 U , a1U , cos a2 U , cos2
由以上可见，模式函数是风速、风向、入射角、天 线极化方式等参数的非线性函数，加上后向散射系数 测量噪声的影响使得无法利用模式函数直接获得风矢 量信息。
[DN]2
Costant
0
Costant
0 sin
Costant( ) 0
后向散射系数与DN值之间的关系为：
0
[DN]2 K
sin sin ref
K为校准常数
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ref 为参考入射角23° 为入射角
（1）图像辐射定标
• RadarSat SAR数据
雷达亮度与DN值的的关系为：
1/ 2
sin1/ 2
cos4
gij ( ) 1/ 2 (ug 1k )1/ 2
可见，后向散射系数随摩擦风速u线性增长。
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6.2 微波散射计测量海面风场
2.测风原理
（3）海面高度z处风速的计算：（Monin-Obukhow方程）
U (z)
us
u ka
[ln(
z z0
)
( z
6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（2）风矢量反演模式
一般情况下，风矢量反演模式表达为：
0 f (U ,,...,,i)
Φ为相对方位角，与风向 和雷达观测方位角有关。
试验基础上，已获得后向散射截面与风矢量之 间具有如下关系：
AU r (1 a cos b cos 2)
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6.3 SAR获取海面风场信息
2.SAR获取海面风场的原理
SAR在波束入射角20～70的情况下，所接收来自 海面的后向散射主要为Bragg散射，其中风是影响后向 散射的主要因素之一。
根据风速与雷达后向散射系数之间的关系，可进 行风速的反演；利用SAR图像上与风向有关的“风条纹” 结合气象预报模式结果或者现场测量数据，可获得风向 信息。
响风速反演精度。
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6.4 其它方法测量海面风速
1.微波辐射计测量海面风速
（1）基本原理 基于海面微波辐射率与海面粗糙度之间具有高相
矢量中值滤波初始场的确定：最可能的风矢量解作为初 始场、模式风场作为初始场。
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另外，还有一种场方式模型的多解消除方法。
6.3 SAR获取海面风场信息
1.SAR获取海面风场的意义
尽管微波散射计具有全天候条件下获得全球海 面风场的能力，但其分辨率不能满足近岸带观测的 需要， 高空间分辨率的合成孔径雷达可以弥补散射 计测风的不足。
• 1999年QuikSCAT卫星的SeaWinds散射计提高了测量 精度。
目前测量风速范围在4～24m/s，精度为±2m/s或10％，风向 2020/7范/10围0～360°，精度±20 °。
6.2 微波散射计测量海面风场
2.测风原理
微波散射计（Ku波段和C波段的微波散射计）通 过测量海面微波后向散射系数，根据它与海面风矢量 的经验模式函数来反演海面风场。
海洋遥感
The Oceanic Remote Sensing
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第六章 海面风场遥感
概述 微波散射计测量海面风场 SAR获取海面风场信息 其它方法测量海面风速
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6.1 概述
1.海面风场测量的意义
海面风场测量对于海洋环境数值预报、海洋灾害监 测、海气相互作用、气象预报、气候研究等都具有重要 意义。
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6.2 微波散射计测量海面风场
3.海面风场反演过程
（1）反演步骤
• 计算归一化后向散射系数，并获得不同视角天线 对同一区域的观测；
• 利用风矢量与归一化后向散射系数之间的关系， 进行风速和风向估计；
• 多个可能风矢量解模糊性的消除。
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海面风场微波散射计测量流程
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6.3 SAR获取海面风场信息
3.SAR获取海面风场的流程
校准
CMOD模式函数
SAR图像
SAR后向散射 系数
海面风矢量
风向信息 模式风场
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（1）图像辐射定标
• ERS SAR数据
雷达后向散射系数与雷达亮度的关系： 0 0 sin
DN值与雷达亮度和后向散射系数的关系：
可通过其它方式如模式风场、现场观测数据、浮标数 据等来配合风向的确定。
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图像
风矢量
图像谱
2000/11/15 UTC 09:44 RADARSAT SAR反演的海面风场
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（4）SAR反演海面风速误差分析
利用合成孔径雷达SAR图像反演高分辨率的海面风 矢量的误差主要与经验模式函数、风向、入射角和后 向散射系数有关。 • 入射角可准确计算，其影响较小； • 误差随风速的增大而增大； • 图像上的噪声造成后向散射系数的误差，从而影