卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

1. 卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing 第二部分 海洋遥感卫星与传感器 第六章 海洋遥感传感器 武汉大学 遥感信息工程学院

2. 第六章 海洋遥感传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 1 6.1 光学传感器 6.2 微波传感器 6.3 数据预处理

3. 第六章 海洋遥感传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 2 卫星遥感器分类 • 按使用的波谱范围 光学传感器 微波传感器 激光传感器 • 按成像方式 扫描方式 非扫描方式 图像方式 非图像方式 • 按工作方式 主动式传感器（active sensor） 被动式传感器（passive sensor）

4. 第六章 海洋遥感传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 3 6.1 光学传感器 可见光传感器、红外传感器 光学传感器获取的信息中最重要的三个特征： 1. 光谱特性 2. 辐射度量特性 3. 几何特性

5. 6.1 光学传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 4

6. 6.1 光学传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 5 • 可见光传感器的优点： 缺点： • 空间分辨率高 不能穿透云雾，只能白天工作 • 信息直观，分析解译较容易 • 可见光传感器在海洋中的应用： • 云图、海冰、海岸形态、沿岸流流向、波浪折射、浅海探测、海岛和浅滩定位、水色、叶绿素等 • 红外传感器的优点： 缺点： • 空间分辨率高 不能穿透云雾和烟盖等 • 信息直观，分析解译较容易 • 全天候工作 • 红外传感器在海洋中的应用： • 海流、水团边界；上升流位置；石油污染和热污染；云顶高度等

7. 6.1 光学传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 6 6.1.1 MODIS中分辨率成像光谱仪 • 490个探测器 • 36个光谱波段 • 被动成像 • 中等分辨率(0.25km～1km) • 覆盖可见光-热红外(400～1400nm)波谱 • 信噪比很高 • 量化等级为12比特 • 地面幅宽为2330km • 垂直轨迹视场±55° • 每1～2天观测地球表面一次

8. 6.1.1 MODIS中分辨率成像光谱仪 Satellite Oceanic Remote Sensing 7 MODIS测量的基本目标 • 陆地和海洋表面的温度和地面火情 • 海洋水色、水中沉积物和叶绿素 • 全球植被测绘和变化探测 • 云层表征 • 汽溶胶的浓度和特性 • 大气温度和海表温度的探测、雪的覆盖和表征 • 海洋洋流等。

9. 6.1.1 MODIS中分辨率成像光谱仪 Satellite Oceanic Remote Sensing 8 用MODIS测海水温度

10. 6.1.1 MODIS中分辨率成像光谱仪 Satellite Oceanic Remote Sensing 9 用MODIS观查海洋水色

11. 6.1.1 MODIS中分辨率成像光谱仪 Satellite Oceanic Remote Sensing 10 MODIS仪器内的定标器包括： • 太阳漫射器 • 太阳漫射稳定监视仪 • 分光辐射度定标组件 • 板状黑体和天空视频窗 MODIS的显著特点： • 高精度观测 • 多频次和宏观观测 • 多光谱、高光谱波段同时观测 • 用途广泛

12. 6.1 光学传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 11 6.1.2 MERIS中等分辨率成像光谱仪 • 推帚式成像； • 波长范围为可见光和近红外； • 主要用于海洋岸区、陆地的生物和地球物理特征、气候应用以及全球环境的研究； • 其数据可以直接产生以下专题的大比例尺图件： ①海洋色素浓度； ②云和水汽； ③ 植被状态和分布。

13. 6.1.2 MERIS中等分辨率成像光谱仪 Satellite Oceanic Remote Sensing 12 MERIS仪器参数

14. 6.1 光学传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 13 6.1.3 GLI全球成像仪

15. 6.1 光学传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 14 6.1.4 MISR多角度成像光谱辐射计 测得有云和无云的地区的双向反射率： 获得不同类型云在空间范围和季节尺度上的变化对地球的太阳辐射收支的影响。 测得汽溶胶总量变化： 得知其对气候和环境的影响。 地面双向反射率与反照率两者关系的模型： 用于研究陆地气候学，生物圈—大气圈的相互作用以及生态系统的变化。

16. 6.1.4 MISR多角度成像光谱辐射计 Satellite Oceanic Remote Sensing 15 MISR仪器性能参数

17. 6.1.4 MISR多角度成像光谱辐射计 Satellite Oceanic Remote Sensing 16 MISR的数据产品

18. 6.1 光学传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 17 6.1.5 SeaWiFS传感器 SeaWiFS(Sea-viewing Wide-Field-of View Sensor) 是SeaSTAR卫星所携带的一个针对海洋水色进行专门探测的遥感器，主要用于探测和监测海洋现象。 SeaWiFS image of the east coast of the United States

19. 6.1 光学传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 18 6.1.6 COCTS海洋水色扫描仪 COCTS也即十波段海洋水色扫描仪安装于我国海洋卫星系列之一的HY-1卫星上，它主要用于探测海洋水色要素和温度场等。

20. 6.1 光学传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 19 6.1.7 CCD成像仪 四波段CCD成像仪也是HY-1卫星上的主要载荷之一。它主要用于获取海陆交互作用区域的实时图象资料。 四个波段的主要用途

21. 6.1 光学传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 20 6.1.8 HCMR热容量成像辐射计 热红外传感器。 热容量测绘卫星（Heat Capacity Mapping Mission，HCMM）。 利用白天-夜间热图像绘制表面热惯量图。

22. 6.1.8 HCMR热容量成像辐射计 Satellite Oceanic Remote Sensing 21 HCMR性能参数表

23. 6.1 光学传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 22 6.1.9 ATSR沿轨迹扫描辐射计 • Along-Track Scanning Radiometer • 欧空局（ESA）的卫星ERS • 热红外波段辐射计 • 1km的空间分辨率 • 地球红外图像 • 4个光谱通道 • 在轨定标

24. 6.2 微波传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 23 • 工作在微波波段的传感器称为微波传感器。包括各种微波辐射计、微波散射计、雷达高度计、微波侧视雷达和合成孔径雷达等。 • 优点： • 全天时全天候 • 较易于实现主动式遥感 • 缺点： • 所获取的资料分析解译较复杂 • 多数传感器空间分辨率较低，一般为数十到数百公里 • 应用： • 盐度 • 海冰厚度 • 风速、风向和波浪相关参数 • 海面油膜厚度 • 海面高度

25. 6.2 微波传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 24 6.2.1 微波辐射计 • 测量地球热辐射的绝对量 • 被动遥感传感器 • 只接收海面或大气的辐射 • 可用于其他遥感器的大气修正 • 全天时全天候 • 有一定探测浅表层特征的能力

26. 6.2.1 微波辐射计 Satellite Oceanic Remote Sensing 25 • 技术指标： • 温度分辨率：灵敏度 • 空间分辨率：W=*H/D 一般较低 • 历史： • 1962年美国“水手2号”卫星金星探测 • 1972年云雨卫星5号的SMMR • 1975年云雨卫星6号的EMMR • 1978年海洋卫星的SMMR和NOSS上的LAMMR • 1985年日本MOS-1上的MSR • ADEOS上的AMSR • DMSP上的SSM/I • IRS-P4上的MSMR等

27. 6.2.1 微波辐射计 Satellite Oceanic Remote Sensing 26 微波辐射计工作原理图

28. 6.2.1 微波辐射计 Satellite Oceanic Remote Sensing 27 在地表影响大的频带多采用入射角固定的圆锥扫描方式，在地表影响可以忽略的频带多采用轨道交叉扫描方式。 圆锥扫描方式 轨道交叉扫描方式

29. 6.2.1 微波辐射计 Satellite Oceanic Remote Sensing 28 全功率辐射计的结构图

30. 6.2.1 微波辐射计 Satellite Oceanic Remote Sensing 29 1. SSM/I微波辐射成像仪 7个不同的微波功率。 多数探测通道采用双极化观测，可以形成7个不同的辐射通道分别对应于不同参数的测量。 SSM/I观测的微波辐射包括海面发射的微波辐射，大气发射的微波辐射以及海面发射的大气向下辐射等。 SSM/I通过接收通过大气的海面微波辐射可反演出海面亮温。

31. 6.2.1 微波辐射计 Satellite Oceanic Remote Sensing 30 2. AMSR高级微波扫描辐射计 Advanced Microwave Scanning Radiometer 被动式多光谱 可作为遥感仪设计和应用方法的基本依据 使用尺寸为2m抛物面天线，在6.9～89GHz范围内8个频带按55°入射角观测地球 通过圆锥式扫描方法，扫描内地面1600km刈幅宽度，获取空间分布信息 可直接测量：降水率、云中液态水份、水蒸气、温度轮廓、海面温度分布、冰雪和土壤温度

32. 6.2 微波传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 31 6.2.2 微波散射计 非成像微波雷达传感器 原理和设计与常规雷达基本相同 主要用于测量目标的散射特性随雷达波束入射角变化的规律。

33. 6.2.2 微波散射计 Satellite Oceanic Remote Sensing 32 微波散射计结构组成

34. 6.2.2 微波散射计 Satellite Oceanic Remote Sensing 33 • 测风原理： • 测量海面的归一化后向散射系数（与海面的风相关），如果从不同的方位得到同一地点的后向散射系数，便可以计算海面的风速和风向。 • 历史： • 1978年SeaSat上的SASS • ADEOS上的NSCAT • 1991年ERS-1/2上的ESCAT • 1996年NASA QuickSCAT测风卫星SeaWinds • 其他还有TOPEX、DMSP SSM/I，Topex/Poseidon、Radarsat、神州4号飞船等也载有散射计

35. 6.2.2 微波散射计 Satellite Oceanic Remote Sensing 34 1. SASS散射计 • Seasat-A Satellite Scatterometer • 海洋卫星所携带 • 波长为2cm（14.6GHz） • 4个双极化扇形波束天线 • 12个Doppler滤波器将天线足迹用电子学方法分成50km的分辨率单元 • 总幅宽750km，入射角范围25°～65°

36. 6.2.2 微波散射计 Satellite Oceanic Remote Sensing 35 SASS的框图 SASS观测的几何示意图

37. 6.2.2 微波散射计 Satellite Oceanic Remote Sensing 36 2. SeaWinds散射计 • 主动微波遥感仪 • 将安装在ADEOS-Ⅱ卫星和QuickSCAT卫星上 • 测量海面上的风向量 • 性能参数见书 SeaWinds的系统组成

38. 6.2.2 微波散射计 Satellite Oceanic Remote Sensing 37 3. AMI-测风仪和NSCAT散射计 • ERS-1卫星搭载AMI-测风仪 • ADEOS卫星搭载NSCAT • 它们都是在Seasat-SASS的基础上研制的，测量来自前、后、侧方海面的表面散射，从而观测海面风的风速矢量。

39. 6.2 微波传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 38 6.2.3 雷达高度计 • 主动式微波测量仪 • 全天候、长时间历程、观测面积大、观测精度高、时间准同步、信息量大 • 应用 • 海洋动力学研究 • 大地水准面高程 • 海面风速和浪高 • 海冰形状等

40. 6.2.3 雷达高度计 Satellite Oceanic Remote Sensing 39 雷达高度计的基本结构

41. 6.2.3 雷达高度计 Satellite Oceanic Remote Sensing 40 高度计测高原理

42. 6.2.3 雷达高度计 Satellite Oceanic Remote Sensing 41 1. 双频雷达高度计 • 用于绘制海面形态和极地冰层形态图，测量海面浪高和风速，从而提供海流速度 • 主动式微波遥感器 • 采用圆盘状天线 • ALT数据主要提供： • 海洋冰层地形图 15km/50cm • 海面地貌图 25km/5cm • 海潮模型 高程精度20cm/角分辨率1度 • 风速 精度2m/s • 浪高 7km/0.5m

43. 6.2.3 雷达高度计 Satellite Oceanic Remote Sensing 42 2. ERS-RA高度计 • Ku波段（13.8GHz） • 应用： • 用来测定海洋波高、风向、风速和海面高程 • 用于洋流、潮汐和全球椭球体的研究 • 确定冰盖区冰面地形、类型和界面 • 高度测定依据反射脉冲信号的时间延迟度；波高测定依据脉冲信号波形边缘的形状；海面风速和海冰界面判定依据回波信号值大小的变化 • 参数见书

44. 6.2 微波传感器 Satellite Oceanic Remote Sensing 43 6.2.4 成像雷达 • 真实孔径雷达（RAR：real aperture radar） • 合成孔径雷达（SAR：synthetic aperture radar） • SAR在距离上与真实孔径雷达相同，采用脉冲压缩来实现高分辨率，在方位上则通过合成孔径原理来改善分辨率。 • SAR能全天时全天候工作，能够穿透尘埃、烟雾和其它一些障碍。 • SAR比起一般红外和电光传感器具备更远距的工作能力。 • SAR的分辨力与距离无关

45. 6.2.4 成像雷达 Satellite Oceanic Remote Sensing 44 1. EOS-SAR地球观测系统合成孔径雷达 • 多频段、多极化、多模态操作 • 应用目标包括三大类： ①全球变化和碳循环 ②水文循环 ③海冰测绘 • 仪器包括L、C、X等三个频段 • 具有可变空间分辨率和可变刈幅能力 • 参数见书

46. 6.2.4 成像雷达 Satellite Oceanic Remote Sensing 45 2. SIR-C/X-SAR • 多波段、多极化和干涉SAR系统 • 由SIR-C和X-SAR两种SAR集成 • 目前运行在地球轨道高度的第一个同时成像多波段多极化雷达系统 • C-、L-和X-这3个波段同时成像

47. 6.2.4 成像雷达 Satellite Oceanic Remote Sensing 46 3. ASAR高级合成孔径雷达 • 由ESA研制，ENVISAT-1上 • ASAR采用多项新技术，使仪器性能有显著的提高 • C频段，相控阵，宽刈幅，高分辨率成像 • 主要目标是：①海浪特征；②中等规模的比例尺海洋特征；③海冰的分布和运动；④冰和雪的覆盖；⑤地球表面形貌⑥土壤湿度和湿地状况；⑦沙漠化及沙漠蔓延；⑧自然灾害监视等。 • 五种操作模态，参数见书

48. 6.3 数据预处理 Satellite Oceanic Remote Sensing 47 地理定位（Geolocation） • 空间数据，具有明确的地理空间位置的概念，在使用传感器数据之前，必须将其投影到需要的地理坐标系中，因此传感器数据的地理定位是遥感数据预处理过程中的一个重要环节； • 数据来自哪里； • 多源数据、多时间分辨率数据、多空间分辨率数据之间复合时几何一致性的保证； • 为辐射处理提供重要的参数（各种角度信息如太阳高度角、卫星天顶角等）。 辐射定标（Calibration） • 要从遥感传感器数据精确估算地表的生物地学物理参数，数据的质量非常重要，特别是传感器的辐射定标精度 。

49. 6.3 数据预处理 Satellite Oceanic Remote Sensing 48 6.3.1 地理定位方法 • 确定图像中每像元在大地坐标系中对应的地理经纬度的过程。 • 遥感图像的地理定位采用布劳威尔-李丹轨道理论，使用根据地球摄动原理修正过的卫星精确轨道参数或利用GPS定位数据修正过的卫星位置和速度，并结合卫星姿态参数、地球椭球体参数、地表信息、以及传感器成像几何和扫描几何特性等，计算出每条扫描线上固定点的经纬度。

50. 6.3.1 地理定位方法 Satellite Oceanic Remote Sensing 49 过 程 卫星轨道根数确定 卫星位置矢量确定 坐标转换 扫描点地理经纬度的计算 其它的地球定位参数的计算 （天顶角和方位角 ） 地理定位的几何校正