實(shí)習(xí)四水體遙感技術(shù)

實(shí)習(xí)目的ErdasArcGIS等相關(guān)專業(yè)軟件的應(yīng)用。實(shí)習(xí)內(nèi)容根本原理天空光天空光大氣散射光太陽(yáng)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(lái)自水面的輻射亮度值由以下各項(xiàng)組成：t()t(Lw()Ls()L0()tL()為傳感器所測(cè)量得到的總輻射亮度；Ltw

()為離水輻射亮度；Ls

()為水面對(duì)大氣下行輻射及太陽(yáng)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(guò)率?！踩纾耗嗌?、各種藻類〕對(duì)傳入水中的太陽(yáng)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(xiàng)觀測(cè)值來(lái)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(méi)有去除傳感器觀測(cè)量中的Ls

(L0

()，不考慮大氣透過(guò)率的影響，直接將觀測(cè)值反射率作為離水輻射率來(lái)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(jì)探測(cè)到的總輻射由四局部組成陽(yáng)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(duì)海洋表層進(jìn)展溫度探測(cè)時(shí)，通常假設(shè)海水為黑體，因此上式中e(,U)1為0，可簡(jiǎn)化為：L(tLsL(，也就是僅僅需考慮大氣透過(guò)率和大氣自身的熱輻射?，F(xiàn)v的線性組合來(lái)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(cè)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(guò)率。等式右邊第一項(xiàng)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(guò)率，對(duì)于熱紅外波段大氣散射可以無(wú)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(jì)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(duì)于上面公式中的L

，可以承受亮度溫度的形式來(lái)表示為L(zhǎng)

L (Tb

)。最終，由于大氣的實(shí)際參數(shù)不易獵取，其區(qū)域差異較大，因此引入如下兩個(gè)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(shí)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(jì)算：L (Tb

)Lb

0

(L bT

0

T) 〔多項(xiàng)式開(kāi)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(shí)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(cè)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(kāi)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(jiǎn)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(shuō)明：積分值只與大氣狀況有關(guān)，與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。因此，對(duì)于多個(gè)波段，分別計(jì)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(cè)值來(lái)進(jìn)展葉綠素濃度的計(jì)算。在僅僅考慮單次散射作用條件下，光學(xué)觀測(cè)量與水體的固有特性之間具有如下關(guān)系〔可用Gordon公式來(lái)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(shí)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(lái)進(jìn)展水體像元識(shí)別，并進(jìn)展矢量化處理；承受雙通道法〔分裂窗法〕實(shí)現(xiàn)水面溫度遙感反演；承受統(tǒng)計(jì)模型實(shí)現(xiàn)水中葉綠素濃度的反演。實(shí)習(xí)數(shù)據(jù)渤海灣MODIS1000米區(qū)分率數(shù)據(jù)集。實(shí)習(xí)步驟水體識(shí)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(lái)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(shí)例中，波段1與2分別對(duì)應(yīng)MODIS數(shù)據(jù)的紅、近紅外通道〕NDVI圖像：水體像元識(shí)別〔NDVI<0.：水體識(shí)別結(jié)果：Polygon類型的矢量數(shù)據(jù)，ERDAS或ARCGIS中實(shí)現(xiàn)ERDAS中進(jìn)展轉(zhuǎn)換時(shí)承受Vector->RastertoVector，這時(shí)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(shí)例：以渤海灣EOSMODIS數(shù)據(jù)為例MOD021KM.A2023092.RAD.ti的過(guò)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(hào)，其中心波長(zhǎng)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(jiàn)三、遙感影像裁剪局部10、12通道數(shù)據(jù)。計(jì)算步驟：①檢查數(shù)據(jù)的有效性，去除無(wú)效數(shù)據(jù)〔本數(shù)據(jù)集中無(wú)壞數(shù)據(jù)〕②計(jì)算亮度溫度〔依據(jù)Plank方程〕參考如下函數(shù)〔具體的過(guò)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(jì)算SST〔為了最終顯示的時(shí)候便利，輸出結(jié)果數(shù)據(jù)為整型〕將以上過(guò)程計(jì)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(yè)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(shí)，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(xiàng)。此外，不顯示背景值〔本實(shí)例中，背景值為1，設(shè)置為NoColor。其他數(shù)據(jù)源時(shí)需要依據(jù)實(shí)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(shí)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(jiàn)三、遙感影像裁剪局部10、12通道數(shù)據(jù)。計(jì)算步驟：錯(cuò)誤：反射率為-1①檢查數(shù)據(jù)的有效性，并去除無(wú)效數(shù)據(jù)〔由于傳感器的緣由，本實(shí)例中的局部數(shù)據(jù)有誤，錯(cuò)誤：反射率為-10。以下為對(duì)12通道數(shù)據(jù)進(jìn)展處理的過(guò)程。②計(jì)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(jì)算log〔chla〕**表示冪，也就是Powerchl**表示冪，也就是Power留意：上述三個(gè)結(jié)果數(shù)據(jù)r3lochlchl〕在ERDAS中顯示時(shí)可能會(huì)消滅全部為白色〔或黑色〕狀況，這時(shí)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(shí)可設(shè)置，。 通常為了便利，我們?cè)贏RCGIS中進(jìn)展專題制圖。將以上過(guò)程計(jì)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(yè)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(xiàng)。另外，當(dāng)需要添加陸地背景時(shí)，需要翻開(kāi)本次實(shí)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(shí)習(xí)報(bào)告本次實(shí)習(xí)為水體遙感應(yīng)用的根本技能實(shí)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(shí)現(xiàn)過(guò)程各具體應(yīng)用實(shí)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(duì)原始影像執(zhí)行裁剪反演運(yùn)算。裁剪過(guò)程如下：〔