實習(xí)四水體遙感技術(shù)

實習(xí)目的ErdasArcGIS等相關(guān)專業(yè)軟件的應(yīng)用。實習(xí)內(nèi)容根本原理天空光天空光大氣散射光太陽光天空散射光水中光水面θΦ水底水深水中反射光水底反射光星載或機(jī)載的遙感器所接收到的來自水面的輻射亮度值由以下各項組成：t()t(Lw()Ls()L0()tL()為傳感器所測量得到的總輻射亮度；Ltw

()為離水輻射亮度；Ls

()為水面對大氣下行輻射及太陽直射輻射的反射所構(gòu)成的輻射亮度；L0

()t()大氣漫反射透過率。〔如：泥沙、各種藻類〕對傳入水中的太陽直接輻射的后向散射所構(gòu)成。Ls

()輻射經(jīng)海面反射而進(jìn)入傳感器的那局部能量。L0

()接由大氣分子及氣溶膠的散射而進(jìn)入傳感器的那局部能量。從上述水體光學(xué)遙感的根本輻射傳輸原理可以看出的信息，因此，可以使用該項觀測值來進(jìn)展水中某些參數(shù)的反演〔估算。下面以葉綠素濃〔處理，也就是沒有去除傳感器觀測量中的Ls

(L0

()，不考慮大氣透過率的影響，直接將觀測值反射率作為離水輻射率來做處理。水體的反射率光譜特征感影像上，水體顯示為暗色調(diào)〔如以下圖中的河流與湖泊。熱紅外水面溫度反演原理熱紅外輻射計探測到的總輻射由四局部組成陽直射輻射到達(dá)海面后又經(jīng)海面反射的輻射。L()te(,U)LL()tLs v r sun

v1e(,U)上式中，L()為傳感器承受到的輻射；Ls

L(v

)為大氣下行輻射；Lr

sunL(為大氣上行輻射；te(,U)為海洋表層的放射率；v為海洋表層的反射率。在對海洋表層進(jìn)展溫度探測時，通常假設(shè)海水為黑體，因此上式中e(,U)1為0，可簡化為：L(tLsL(，也就是僅僅需考慮大氣透過率和大氣自身的熱輻射。現(xiàn)v的線性組合來消退大氣的影響，從而得到海表溫度SS。下面以雙通道法〔又稱分裂窗法〕近似條件下，星載傳感器所測得的輻射亮度值為:L L b

(T)t0 0

1L (Tb t0

)dt此處T0

SST，t0

為整層大氣透過率。等式右邊第一項代表海面熱輻射從大氣減弱后到達(dá)大氣上界t大氣上界t1t2t海面設(shè)t為z層氣體的透過率，對于熱紅外波段大氣散射可以無視，故：t t t ； 1t2 1 z的空氣層的熱輻射亮度為(1t

)L (T1b 1

) t tb最終被傳感器所承受的能量應(yīng)為：12tb

L

)(t

t )；所以整層大氣Lz 1Lz

b z 1 2上行熱輻射的總奉獻(xiàn)應(yīng)為：1t0

L (Tb

)dt。這里再計算海洋表層熱輻射與傳感器接收熱輻射之間的差值：L

L (Tb

L〔由于L L

)t0 0

1

L (Tb

)dt

，因此，L L

0

L (Tb

)[1t0

]1t0

L (Tb

)dt

1[Lbt0

(To b

)]dtLb

(T)[1t0

]1Lbt0

(T)dto 對于上面公式中的L

，可以承受亮度溫度的形式來表示為L

L (Tb

)。最終，由于大氣的實際參數(shù)不易獵取，其區(qū)域差異較大，因此引入如下兩個近似條件：①由于大氣窗口水汽的吸取比較弱，所以取如下線性近似：dt k(z)dz e這里，(z)為大氣的水汽密度；此處k 為水汽的吸取系數(shù)，假定它只是波段的函數(shù)，不e 隨高度而變〔事實上k 還是氣壓和溫度T的弱函數(shù)。 z②把黑體輻射作近似計算：L (Tb

)Lb

0

(L bT

0

T) 〔多項式開放〕0此式的含義為Z高度處的黑體輻射亮度，可以用T0處的黑體輻射亮度的泰勒一階近似代替〔事實上T與T

差值越大，誤差越大。z o有了上述近似條件，將遙感器所測得的輻射亮度轉(zhuǎn)換成亮度溫度：TT L

k

T)

(z)dzk

(z))0 b

(L

/T)(T)0

0 z e

L (T

e)L

(T ) LTT

，由近似條件②，TT

TT

b 0

b b

，又z b

0 z 0

(L ) (L )b (T)T 0

b (T)T 0L L

L0

L (Tb

)[1t0

]1t0

L (Tb

)dt

1[Lbt0

)L (To b

)]dt

，將該式Lb

(T)和Lo

(T)分別用近似條件②開放，zL L

=1[

=1[

(L )(T) b

T)]dt b 0

t0

b

b

t0

b

b 0

T 0 z 0 ，由于Tz

T ，上式可簡化為：bL

(L )b b

)1T

)]dt

dt

用dz替換，則可以得到：0 0

t00L0

b zTT

k

(z)dz0 b

(L

/T)(T)0

0 z e上式說明：積分值只與大氣狀況有關(guān)，與波長無關(guān)。因此，對于多個波段，分別計算得到：T T0 b1T T0

kf()1k f()2T Tb1

(k2

k)f()1kT T (

1 )(T T )0

k k b1 2 1k或者T ( k2 )T ( 1 )Tk0 k k 2 1

k k 2 1水體參數(shù)遙感反演原理葉綠素濃度反演為例 〔0.45～0.50〕〔0.52～0.58〕范圍內(nèi)的觀測值來進(jìn)展葉綠素濃度的計算。在僅僅考慮單次散射作用條件下，光學(xué)觀測量與水體的固有特性之間具有如下關(guān)系〔可用Gordon公式來描述：A

b() nn1

na()b()上式中，為反射率，ab度之間存在著非線性關(guān)系〔冪函數(shù)素濃度反演模型，形如：CAL()/L()Bw i w j實習(xí)內(nèi)容基于水體的反射率光譜特征，承受植被指數(shù)閾值法來進(jìn)展水體像元識別，并進(jìn)展矢量化處理；承受雙通道法〔分裂窗法〕實現(xiàn)水面溫度遙感反演；承受統(tǒng)計模型實現(xiàn)水中葉綠素濃度的反演。實習(xí)數(shù)據(jù)渤海灣MODIS1000米區(qū)分率數(shù)據(jù)集。實習(xí)步驟水體識別生成具體有較強(qiáng)水體特征的特征，如植被指數(shù)NDV。一般來講，純潔的水體其NDVI值小于零。原始圖像〔真彩色合成：NDVI〔在本實例中，波段1與2分別對應(yīng)MODIS數(shù)據(jù)的紅、近紅外通道〕NDVI圖像：水體像元識別〔NDVI<0.：水體識別結(jié)果：Polygon類型的矢量數(shù)據(jù)，ERDAS或ARCGIS中實現(xiàn)ERDAS中進(jìn)展轉(zhuǎn)換時承受Vector->RastertoVector，這時生成的矢量結(jié)果為ARCINFOCoverage格式〔ARCGISShape格式，使用ARCGISArcToolbox，ArcToolbox->ConversionTools->ToShapefile->FeatureClassToShapefile，在ARCGIS中可直接生成Shape格式的矢量數(shù)據(jù)〔Tools->FromRaster->RastertoPloygo。水面溫度反演實例：以渤海灣EOSMODIS數(shù)據(jù)為例MOD021KM.A2023092.RAD.ti的過程。MODIS雙通道洋面溫度反演模型可以表示為：MODIS

SST

ccT1 2

3

T)31其中，MODIS 為洋面溫度；T為亮度溫度；31、32為MODIS通道號，其中心波長分別SST為11、12μm11、12波段；c1=1.052，c2=0.984，c3=0.13。本例中的原始數(shù)據(jù)為MODIS輻射通道數(shù)據(jù)，其像元值為輻射亮度W/m2-μm-sr，需承受Plank方程將其轉(zhuǎn)換為亮度溫度。首先進(jìn)展影像裁剪〔見三、遙感影像裁剪局部10、12通道數(shù)據(jù)。計算步驟：①檢查數(shù)據(jù)的有效性，去除無效數(shù)據(jù)〔本數(shù)據(jù)集中無壞數(shù)據(jù)〕②計算亮度溫度〔依據(jù)Plank方程〕參考如下函數(shù)〔具體的過程省略：FUNCTIONPLANK,b1,b2;b1:spectralcenter;b2:SpectralRadiancevaluesh=6.63*10.0^(-34)k=1.38*10.0^(-23)c=2.99999999*10.0^14a1=2*h*c*c/(b1^5)a2=ln(a1/(b2*10.0^(-12))+1.0) ……ln函數(shù)在ERDAS中為Exponential->LOGa3=c*h/(b1*k*a2)RETURN,a3END③利用雙通道法計算SST〔為了最終顯示的時候便利，輸出結(jié)果數(shù)據(jù)為整型〕將以上過程計算得出的SST在ARCGIS中進(jìn)展專題制圖。具體步驟可參照：1ArcMap文檔，并添加SST數(shù)據(jù)源2SST數(shù)據(jù)源上單擊右鍵消滅菜單，選擇屬性；3Symbology頁面，進(jìn)展如以下圖的設(shè)置；上圖中，選擇顯示方式〔stretche，拉伸方法Minimun-Maximu，并依據(jù)圖像數(shù)值自定義最大、最小值EditHigh/LowValue，選擇顏色圖ColorRamp，通常表示溫度時，高溫為紅色，低溫為藍(lán)色，假設(shè)期望反轉(zhuǎn)顏色圖，選擇Invert項。此外，不顯示背景值〔本實例中，背景值為1，設(shè)置為NoColor。其他數(shù)據(jù)源時需要依據(jù)實際值修改。另外，SST圖層之下。最終，還需加上圖例、邊框、坐標(biāo)格網(wǎng)等。葉綠素濃度反演實例：以渤海灣MODIS影像為數(shù)據(jù)源MOD021KM.A2023092.REF.tia濃度。MODIS數(shù)據(jù)葉綠素a濃度反演的閱歷公式可以表示為：log(chla)c0

clog(r35)c1

log(r35)2c3

log(r35)3其中r35

,c

2.783,c

1.863,c

2.387R(551) 0 1 2 3上面公式中的R488和551MODIS1012通道。首先進(jìn)展影像裁剪〔見三、遙感影像裁剪局部10、12通道數(shù)據(jù)。計算步驟：錯誤：反射率為-1①檢查數(shù)據(jù)的有效性，并去除無效數(shù)據(jù)〔由于傳感器的緣由，本實例中的局部數(shù)據(jù)有誤，錯誤：反射率為-10。以下為對12通道數(shù)據(jù)進(jìn)展處理的過程。②計算r35選擇10通道選擇10通道選擇12通道10通道數(shù)據(jù)〔488〕12通道數(shù)據(jù)〔551〕③計算log〔chla〕**表示冪，也就是Powerchl**表示冪，也就是Power留意：上述三個結(jié)果數(shù)據(jù)r3lochlchl〕在ERDAS中顯示時可能會消滅全部為白色〔或黑色〕狀況，這時假設(shè)想顯示出圖像結(jié)果，可參照以下步驟：在Viewer窗口中，使用Raster->DataScalingr35〔0，1chla顯示時可設(shè)置，。 通常為了便利，我們在ARCGIS中進(jìn)展專題制圖。將以上過程計算得出的Chla濃度圖ARCGIS中進(jìn)展專題制圖。具體步驟可參照：4ArcMap文檔，并添加Chla濃度數(shù)據(jù)源5Chla濃度數(shù)據(jù)源上單擊右鍵消滅菜單，選擇屬性；6Symbology頁面，進(jìn)展如以下圖的設(shè)置；上圖中，選擇顯示方式〔stretche，拉伸方法Minimun-Maximu，并依據(jù)圖像數(shù)值自定義最大、最小值EditHigh/LowValue，選擇顏色圖ColorRam，假設(shè)期望反轉(zhuǎn)顏色圖，選擇Invert項。另外，當(dāng)需要添加陸地背景時，需要翻開本次實例中的反射率數(shù)據(jù)集，進(jìn)展彩色合成，并將其放置于Chla圖層之下。最終，還需加上圖例、邊框、坐標(biāo)格網(wǎng)等。實習(xí)報告本次實習(xí)為水體遙感應(yīng)用的根本技能實習(xí)，要求同學(xué)們能夠了解水體遙感的根本原理，把握常用水體遙感應(yīng)用方法的具體實現(xiàn)過程各具體應(yīng)用實例的結(jié)果專題圖等。附〔影像裁剪方法〕使用前面生成的水域范圍矢量圖對原始影像執(zhí)行裁剪反演運(yùn)算。裁剪過程如下：〔