第二章海洋遙感原理與基礎-海洋遙感選編課件

2023/10/17海洋遙感TheOceanicRemoteSensing2023/10/8海洋遙感TheOceanicRemot2023/10/17第二章海洋遙感原理與基礎

與海洋遙感相關的基本概念

電磁波與海水相互作用機制海洋水體波譜特征2023/10/8第二章海洋遙感原理與基礎與海洋遙感2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念海面狀況：海面粗糙度狀況，與最大的海面波動高度有關；深水波：水深大于波長的1/2的波動（水底對波的影響忽略）；淺水波：水深小于波長的1/20的波動（長波）；波高（H）：從波峰到波谷之間的鉛直距離；有效波高（H1/3)：波陣列中全部波段的1/3最高波的波峰到波谷之間高度的平均值；均方根波高（hk）：波在平均海平面上的均方根高度（粗糙度）；1.海洋學上的專用名詞2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念海面狀況：2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念1.海洋學上的專用名詞長度（L）：海洋波從一個波峰到另一個波峰的距離；空間波數(shù)（N）：N=2π/L；周期（T）：兩個連續(xù)波峰通過一固定點的時間（m）；時間波數(shù)（ω）：ω

=2π/T；風區(qū)長度：穩(wěn)定的風吹過的水平距離；持續(xù)時間：穩(wěn)定的風所維持的時間間隔；2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念1.海洋學2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念充分成長的波浪：在一定的風速、足夠的持續(xù)時間和風區(qū)長度條件下，海面達到平衡狀況（即振幅不變）；風波：洋面上由局地風激起的海洋波系統(tǒng)；重力波：作用在擾動水團上的主要恢復力是重力的波動（L>1.73cm）；表面張力波：作用在擾動水團上的主要恢復力是表面張力的波動（L<1.73cm）；1.海洋學上的專用名詞2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念充分成長的2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙感中常用的基本概念（1）復折射率Snell折射定律：n′表示電磁波在界面處傳播速度和方向的變化，在可見光范圍可用折射儀測得；n〞表示電磁波在介質中傳播的衰減程度，n〞=kλ/4π。2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙感中常用的基本概念（1）復折射率

微波波段，復折射率為復介電常數(shù)的平方根。

在物理上，n〞與折射沒有任何關系，而且n′>>n〞，因此有：2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙感中常用的基本概念（1）復折射率海水折射率隨溫度和鹽度的變化(波長λ=0.5893μm)一般的，復折射率隨溫度升高而下降；而隨鹽度增加有所上升。2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙感中常用的基本概念（2）菲涅耳反射率★

菲涅耳反射系數(shù)：描述光滑介質表面的反射與入射之間的關系，即反射電場與入射電場之比。Fresnel反射公式2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙感中常用的基本概念（2）菲涅耳反射率★

菲涅耳反射率（反射率）：描述輻射度的界面反射比。若入射角為0（即垂直入射），則：可用于高度計、散射計鏡面反射的計算

注意菲涅耳反射率與漫反射率的區(qū)別：前者定義了界面的反射比；而后者為輻照度的內部多個粒子的漫反射。2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙感中常用的基本概念（2）菲涅耳反射率★

適用情況

-

兩均勻的各向同性介質之間有一個實際無限大的平滑邊界；

-入射到邊界上的波為平面波（非球面波）；

-單色或光譜的入射波適用（寬波段要進行平均或積分計算）；

-在介質中不會發(fā)生多次反射。2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙感中常用的基本概念（3）復介電常數(shù)★

又稱為相對介電常數(shù)或相對電容率，是描述海面發(fā)射率的一個關鍵參數(shù)，它是頻率ω，水溫T和海水鹽度S的函數(shù)。復數(shù)定義德拜公式表示常用的介電常數(shù)模型較多，如Klein模型（P37）。與物質特性有關虛部表示能量消耗與衰減程度2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙感中常用的基本概念（3）復介電常數(shù)★

復介電常數(shù)反映水體的電學性質，影響物體對電磁能量的反射（如雷達圖像上ε越大，則色調越淺）。宏觀上可反映電磁波的輻射、散射、吸收、傳輸?shù)忍匦裕晃⒂^上表明介質的化學組成、物理結構。2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙感中常用的基本概念（3）復介電常數(shù)★小于20Ghz時，海水的虛部大于純水，說明海水中的能量消耗較快；大于20Ghz時，虛部值超過了實部。2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙感中常用的基本概念（3）復介電常數(shù)★小于20Ghz時，海水的虛部大于純水，說明海水中的能量消耗較快；大于20Ghz時，虛部值超過了實部。不同溫度下，純水和海水介電常數(shù)的實部與虛部隨頻率的變化2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙感中常用的基本概念（4）海面粗糙度－判據(jù)與波長和入射角有關

判據(jù)–修改的瑞利準則（Peake&Oliver，1971）

-光滑表面滿足：

-中等粗糙表面滿足：

-粗糙表面滿足：2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙感中常用的基本概念（4）海面粗糙度–

對海面后向散射系數(shù)的影響

隨粗糙度的增加，雷達回波強度受入射角的影響程度減弱。

在接近垂直入射時，雷達回波強度非常強，隨入射角變大，信號變弱。2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙感中常用的基本概念（4）海面粗糙度–

示例粗糙度與波長和入射角的關系不同波長與入射角情況下，粗糙類型的判斷依據(jù)不同2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙感中常用的基本概念（4）海面粗糙度–

示例同一粗糙度在不同波段上的粗糙類型2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙感中常用的基本概念（5）散射截面與散射系數(shù)★a.散射截面：指散射波的全功率與入射功率密度之比，表示目標截獲并散射入射能量的能力。

※.后向散射截面σ：指入射方向上的散射截面，其值大小為散射截面的1/4π倍。2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙感中常用的基本概念（5）散射截面與散射系數(shù)★b.散射系數(shù)：單位截面積上雷達的反射率或單位照射面積上的雷達散射截面。

-后向散射系數(shù)σ0：入射方向上的目標每單位面積上的平均雷達截面，與目標的復介電常數(shù)、表面粗糙度、雷達系統(tǒng)參數(shù)等有關。2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙感中常用的基本概念（5）散射截面與散射系數(shù)－影響因素垂直入射時，回波強度（左）和后向散射截面（右）最大2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙2023/10/172.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙感中常用的基本概念（5）散射截面與散射系數(shù)－影響因素斜坡較平或陡坡入射角較小，回波強度較大2023/10/82.1與海洋遙感相關的基本概念2.海洋遙2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制（1）水氣輻射傳輸模型a.簡化模型b.a模型細化c.考慮多次散射和白浪引起的散射水中物質太陽傳感器大氣海表2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制（※）海洋遙感反射波段非常重要的參量：

離水輻射率：即表層海水散射的太陽輻射，由朗伯余弦定律可知其與衛(wèi)星天頂角無關。

離水反射率：海水的光譜反射率發(fā)生在水次表面上。平均日地距離處的大氣層外的太陽輻照度2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制（2）海洋輻照度模型太陽大氣海表直射輻照度：太陽光經(jīng)大氣衰減后，直接到達水面的輻射；漫射輻照度：直射光經(jīng)散射后到達水面的輻射；

不同因素對直射和漫射反射的影響不同。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制（2）海洋輻照度模型太陽大氣海表海面上到達海面的下行輻照度模型2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制（2）海洋輻照度模型–

a.海面上到達海面的下行輻照度模型到達海面的瑞利散射：到達海面的氣溶膠散射：各種透過率的計算可參考課本72-73.2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制（2）海洋輻照度模型太陽大氣海表穿過海面的總下行輻照度模型2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制直射光譜反射率–對于平滑海面對于零度角入射：入射角與折射角之和為90度（入射角53.1度時出現(xiàn)）：與折射率和入射角有關（2）海洋輻照度模型–b.穿過海面的總下行輻照度模型2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制直射光譜反射率–與風速和太陽天頂角有關（Gregg）太陽天頂角小于40度或風速小于2m/s：太陽天頂角大于40度且風速大于2m/s：（2）海洋輻照度模型–b.穿過海面的總下行輻照度模型2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制漫射光譜反射率

它與太陽天頂角無關。假定海面比較平滑，且大氣狀況均勻，通常取值6.6%，對于風速大于4m/s的粗糙表面，則降為5.7%。（2）海洋輻照度模型–b.穿過海面的總下行輻照度模型2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制泡沫引起的反射率（Gregg）u≤4m/s：4m/s≤u≤7m/s：與風速之間具有如下關系：u>7m/s：ρa為空氣密度，CD為拖曳系數(shù)（2）海洋輻照度模型–b.穿過海面的總下行輻照度模型2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制（2）海洋輻照度模型–b.穿過海面的總下行輻照度模型總反射率m為漫射輻射與總輻射的比值2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制（3）大氣校正目的－從傳感器接收到的輻射率（度）中，將離水輻射率分離出來。重要性－離水輻射率包含了海洋的許多信息，通過它幾乎可以得到所有的海洋水色產(chǎn)品。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制（3）大氣校正-過程對水色遙感影響的輻射量分級2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制

和的計算（p74）

要達到5%的離水輻射率的反演精度，要求瑞利散射計算精度達到1%。（3）大氣校正-過程※與到達海面的散射不同2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制

和的計算–瑞利散射的計算（3）大氣校正-過程

國際上對瑞利散射的精確計算目前均采用查找表方式，但是這些查找表是針對特定遙感器生成的，不能直接用于一個新的水色遙感器。何賢強提出了加倍法和通用的查找表。何賢強等，海洋水色及水溫掃描儀精確瑞利散射計算，光學學報，2005.2何賢強等，通用型海洋水色遙感精確瑞利散射查找表，海洋學報，2006.12023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制（3）大氣校正-過程

的計算太陽大氣海表2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制（3）大氣校正-過程大氣透過率的計算（p70-73）

-總透過率等于直接透過率和漫射透過率之和。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制（3）大氣校正-實際應用中的校正

實際應用中的大氣校正過程常采用近似法（如對模型進行合理的簡化）和數(shù)值法（如采用一些同步的大氣數(shù)據(jù)進行計算）。

即使如此，有些參量還是無法精確測量或計算，還需采用別的方法。如：由于氣溶膠的組分和光學特性的易變性，無法精確測量其散射的影響。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用機制（3）大氣校正-實際應用中的校正舉例以SeaWIFS（SeaStar）對一類水體探測為例，設置了大氣校正通道7（765nm）和8（865nm）。這二個波段的離水輻射度近似為0。第8波段氣溶膠散射計算n值其它波段氣溶膠散射2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制1.反射波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制2.熱紅外波段(TIR)的相互作用機制（1）水汽輻射傳輸模型傳感器探測到的輻射為：太陽傳感器大氣海表2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制2.熱紅2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制2.熱紅外波段(TIR)的相互作用機制（2）輻射傳輸過程的理解與具體計算a.熱紅外波段的大氣校正

-傳感器的通道亮溫與海表溫度的差在1～5K。

-校正過程是估算大氣上行輻射、下行輻射（路徑輻射）和大氣透過率。

-實際校正方法：利用實測大氣數(shù)據(jù)；創(chuàng)建查找表；利用影像自身估計參數(shù)（如分裂窗方法和Gu提出的經(jīng)驗關系）。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制2.熱紅2023/10/17※.Gu提出的熱紅外波段大氣校正方法2點成像的NOAA-16（05-02-01）

線性關系的斜率和截距可由成像時刻的大氣參數(shù)計算得出；反之，根據(jù)斜率和截距可以反算出每個通道上的大氣上行輻射和透過率。

2023/10/8※.Gu提出的熱紅外波段大氣校正方法2點2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制2.熱紅外波段(TIR)的相互作用機制（2）輻射傳輸過程的理解與具體計算b.海表熱紅外輻射-海表熱紅外輻射與海表比輻射率和海表溫度有關；海表熱輻射發(fā)生在海表以下0.02mm厚的表層內（紅外輻射計測量的并不是較深水層的溫度，但它與表層溫度具有一定的關系）。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制2.熱紅2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制2.熱紅外波段(TIR)的相互作用機制（2）輻射傳輸過程的理解與具體計算※.海表溫度隨深度的變化長江口海水水溫隨深度的變化2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制2.熱紅2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制2.熱紅外波段(TIR)的相互作用機制（2）輻射傳輸過程的理解與具體計算※.海表溫度的影響因素-是海水、太陽和大氣相互作用的結果

太陽照射水汽和云的輻射暖空氣的加熱冷空氣的冷卻海表蒸發(fā)冷卻海表本身的熱輻射風對水平溫度的影響2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制2.熱紅2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制2.熱紅外波段(TIR)的相互作用機制（2）輻射傳輸過程的理解與具體計算※.水面的光譜發(fā)射率e、透過率t、反射率ρ與吸收率a-根據(jù)基爾霍夫定律，在局部熱平滑的條件下，透射進入海面的輻射全部被吸收，被吸收的能量又全部被發(fā)射出去，所以在海氣界面，有如下關系：※雪、冰與海水在次表面的反射與散射差別較大，前者表現(xiàn)的比較強烈。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制2.熱紅2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制2.熱紅外波段(TIR)的相互作用機制（2）輻射傳輸過程的理解與具體計算c.大氣對熱紅外輻射傳輸?shù)挠绊?/p>

-熱紅外輻射在大氣中的傳輸，是一種漫射輻射，是在無散射但有吸收又有發(fā)射的介質（大氣）中傳輸。

-大氣對傳輸過程的影響主要發(fā)生在低對流層（9km以下），其中大氣的溫度和水汽含量是最重要的影響因子。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制2.熱紅2023/10/17大氣溫度垂直廓線水汽垂直廓線大氣垂直廓線示例2023/10/8大氣溫度垂直廓線水汽垂直廓線大氣垂直廓2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制2.熱紅外波段(TIR)的相互作用機制（2）輻射傳輸過程的理解與具體計算d.長波輻射傳輸方程

可通過分層計算和Pade近似法計算得到大氣的上行、下行輻射。（可參考78－80）2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制2.熱紅2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制（1）幾個重要概念回顧a.極化：即電磁波的電場振動方向的變化趨勢。

-水平極化：電場矢量與入射面垂直；

-

垂直極化：電場矢量與入射面平行；

※常用的4種極化方式：VV、HH、VH、HV。同向極化或參考極化異向極化或正交極化2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制（1）幾個重要概念回顧b.散射截面：指散射波的全功率與入射功率密度之比，表示目標截獲并散射入射能量的能力。c.散射系數(shù)：單位截面積上雷達的反射率或單位照射面積上的雷達散射截面。

-后向散射系數(shù)σ0：目標在入射方向上單位面積的平均雷達截面，與目標復介電常數(shù)、表面粗糙度、雷達系統(tǒng)參數(shù)等有關。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制（2）微波的特性a.在大氣中的衰減由于大氣分子的吸收（水分子和氧分子）和散射（主要為水滴，波長較長時可忽略）的影響，微波強度與傳輸距離成指數(shù)關系衰減。衰減程度與大氣成分及其物理性質、電磁波波長有關。一般地，波長越短，大氣衰減作用越顯著。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制※.吸收系數(shù)的計算

F’為普帶型函數(shù)，吸收系數(shù)與頻率、氣壓、溫度有關。前者為共振吸收（在波段22.235GHz處的吸收），后者為剩余吸收。對水汽吸收的影響除頻率外，主要取決于水汽含量。非降水云（直徑小于100um）可忽略散射氧氣水汽云滴2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制（2）微波的特性b.微波的輻射-

遵循瑞利-金斯定律海水微波發(fā)射率是觀測天頂角、輻射計頻率v（成正比），輻射計極化方式、海面真實溫度、海面鹽度（波長小于8cm時與其成正比）、海面風速和風向的函數(shù)。發(fā)射率與散射系數(shù)之間的關系：Tb=e*Ts2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制（2）微波的特性c.微波的表面散射-

發(fā)生在海-氣分界面上的散射，強度與介質表面復介電常數(shù)成正比，散射角特性由粗糙度決定。d.微波的體散射-發(fā)生在介質內部的散射。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制（3）微波（被動）水汽輻射傳輸方程天線大氣海表為大氣頂部的微波輻射，由太陽輻射、銀河噪聲、宇宙背景輻射組成。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制※1.傳輸方程的計算與校正2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制※2.微分散射系數(shù)γ的計算單一表面模型：把海面看作由一些小面組成，小面會產(chǎn)生鏡面反射，而且海面的斜率近似高斯分布。Stogryn：參數(shù)的具體計算方法可參考教材52-53。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制※2.微分散射系數(shù)γ的計算組合（粗糙）表面模型：即把海表看成一種雙尺度的隨機粗糙面。海面的微分散射系數(shù)可分解為有泡沫和無泡沫覆蓋兩個部分。參數(shù)的具體計算方法可參考教材p53-56。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制（4）雷達波的海面散射模型

對于雷達波與海面的相互作用機制，可采用組合模型（二尺度模型）來近似描述。即入射角較小時，鏡面散射占主導，即雷達接收的能量來自于海面上成一直線的鏡面狀小面散射的雷達波；入射角較大時，Bragg散射占主導，產(chǎn)生共振散射。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制（4）雷達波的海面散射模型a.鏡面散射模型-

適用于雷達波近似于垂直入射或海浪斜面垂直方向附近的小入射角范圍的情況；b.Bragg共振模型-用于描述入射角較大時，海面的小擾動模型；c.組合表面模型（二尺度模型）-前兩者模型的疊加，根據(jù)入射角的大小，決定哪種模型起主導作用。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制（4）雷達波的海面散射模型-a.鏡面散射模型

稍粗糙的海表可看作一系列的小平面元2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制（4）雷達波的海面散射模型-a.鏡面散射模型

可采用正切平面近似法來計算σ0（具體可采用物理光學和幾何光學法）。是x方向斜率和y方向斜率的聯(lián)合概率密度函數(shù)，與風向、波浪在逆風和測風方向的均方根斜率有關，具體計算方法可參考p60-61。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制（4）雷達波的海面散射模型-b.Bragg共振模型

首先將隨機表面分解成一系列傅立葉分量譜分量，然后假設后向散射回波主要由這些分量表面造成，它們構成了入射波的Bragg諧振。滿足條件：即兩個連續(xù)波峰回波信號的相位差為360度，產(chǎn)生Bragg共振。∧為海上波浪的波長。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制（4）雷達波的海面散射模型-b.Bragg共振模型一階近似條件下的后向散射系數(shù)具體計算過程（Wright）p62：Ke為雷達波數(shù)2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制（4）雷達波的海面散射模型-c.二尺度模型

二尺度粗糙表面：小的不規(guī)則的短波長波紋疊加在較長、較大的波浪上（即大起伏波浪）。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制（4）雷達波的海面散射模型-c.二尺度模型

計算方法1：小區(qū)域的Bragg散射利用局部的小波浪場和表面的局部定向進行計算；再根據(jù)表面斜率的概率密度分布函數(shù)，計算散射在整個區(qū)域上的積分。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制3.微波波段的相互作用機制（4）雷達波的海面散射模型-c.二尺度模型

計算方法2：對二尺度模型進行分解，即總的雷達散射截面由傾斜的Bragg散射貢獻和鏡面散射貢獻組成。此時，根據(jù)入射角度的大小，即可判斷哪種模型起主導作用。具體見教材p64。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制3.微波2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制※.總結

可見光與近紅外（反射）波段的相互作用機制（1）理解并掌握反射波段的水氣輻射傳輸模型，通過模型了解離水輻射率的重要性；（2）理解海洋輻照度模型；（3）了解并掌握實際應用中采用近紅外波段進行大氣校正的方法過程。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制※.總結2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制※.總結

熱紅外（輻射）波段的相互作用機制

（1）了解并掌握輻射波段的水氣輻射傳輸模型；（2）了解大氣對熱紅外輻射傳輸?shù)挠绊懞突趫D像的大氣校正方法；（3）了解對海表溫度產(chǎn)生影響的因素。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制※.總結2023/10/172.2電磁波與海水相互作用機制※.總結

微波波段的相互作用機制

（1）掌握幾個重要的概念；（2）理解（被動）微波波段的水氣輻射傳輸模型，并了解微分散射系數(shù)（單一表面和組合表面）的計算。（3）了解雷達波的海面散射模型（鏡面散射模型、Bragg共振散射模型和二尺度模型。2023/10/82.2電磁波與海水相互作用機制※.總結2023/10/172.3海洋水體波譜特征

海水的光學特性有：表觀光學性質和固有光學性質。表觀光學性質由光場和水中的成分而定，而固有光學性質與光場無關，只與水中成分分布及其光學特性有關。表征海水表觀光學性質的表觀光學量包括：向下輻照度、向上輻照度、輻亮度、離水輻亮度、遙感反射率、輻照度比等，以及這些量的衰減系數(shù)。表征海水固有光學性質的固有光學量包括：吸收系數(shù)；散射系數(shù)；體積散射函數(shù)等。2023/10/82.3海洋水體波譜特征海水2023/10/172.3海洋水體波譜特征1.正常海水的反射波譜特征正常海水的反射光譜曲線2023/10/82.3海洋水體波譜特征1.正常海水的反2023/10/172.3海洋水體波譜特征1.正常海水的反射波譜特征

對于清潔的海水樣本，即低TSS和低葉綠素a，而且低浮游植物生物量，則遙感反射率光譜曲線僅有1個位于560nm左右的反射峰，該反射峰坐落在綠光區(qū)域。2023/10/82.3海洋水體波譜特征1.正常海水的反射2023/10/172.3海洋水體波譜特征※1.不同因素對海水反射波譜特征的影響-TSS

當TSS濃度增加，葉綠素a濃度仍保持低水平時，光譜曲線的形狀是一致的，但是遙感反射率在紅光和近紅外區(qū)域有所增加。2023/10/82.3海洋水體波譜特征※1.不同因素對海2023/10/172.3海洋水體波譜特征

對于葉綠素a濃度高的水體，位于560nm的反射峰變窄，但在667nm處產(chǎn)生吸收峰，而且吸收深度隨葉綠素濃度的增加而遞增?！?.不同因素對海水反射波譜特征的影響-葉綠素a2023/10/82.3海洋水體波譜特征對于葉綠素2023/10/172.3海洋水體波譜特征※2.不同因素對海水反射波譜特征的影響-葉綠素2023/10/82.3海洋水體波譜特征※2.不同因素對海2023/10/172.3海洋水體波譜特征※3.不同因素對海水反射波譜特征的影響-懸浮泥沙2023/10/82.3海洋水體波譜特征※3.不同因素對海2023/10/172.3海洋水體波譜特征※3.不同因素對海水反射波譜特征的影響-懸浮泥沙2023/10/82.3海洋水體波譜特征※3.不同因素對海2023/10/172.3海洋水體波譜特征歸一化的高光譜反射率※4.不同因素對海水反射波譜特征的影響-赤潮

兩條曲線形狀的根本不同在于赤潮水體的光譜曲線在700nm左右存在反射峰。2023/10/82.3海洋水體波譜特征歸一化的高光譜反射2023/10/172.3海洋水體波譜特征※5.不同因素對海水反射波譜特征的影響-赤潮

赤潮水體具有兩個反射峰，而正常海水則表現(xiàn)為單峰，同時，赤潮水體的反射率都在2%以下，而正常海水的反射率最高達6.40%。2023/10/82.3海洋水體波譜特征※5.不同因素對海2023/10/172.3海洋水體波譜特征※5.不同因素對海水反射波譜特征的影響-赤潮不同濃度的藍綠藻的影響不同濃度的綠藻的影響

不同優(yōu)勢種類赤潮水體光譜曲線，其反射峰位置亦有差別。2023/10/82.3海洋水體波譜特征※5.不同因素對海2023/10/172.3海洋水體波譜特征※6.不同因素對海水反射波譜特征的影響-油污2023/10/82.3海洋水體波譜特征※6.不同因素對海2023/10/172.3海洋水體波譜特征※7.不同因素對海水反射波譜特征的影響

-表面粗糙度（包括泡沫和