海洋遙感導論（第二版）

第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 遙感的定義 2
1.3 衛星軌道 3
1.3.1 衛星軌道及其應用 3
1.3.2 衛星空間環境：太陽風暴、輻射壓、南大西洋異常、重力擾動、空間碎片、死亡軌道
和射頻乾擾（RFI） 6
1.4 地球同步軌道衛星 8
1.5 太陽同步軌道衛星 9
1.6 成像技術 11
1.6.1 地球錶面觀測幾何原理 11
1.6.2 交軌或擺掃式掃描儀 11
1.6.3 沿軌或推掃式掃描儀 13
1.6.4 混合式交軌掃描儀 14
1.6.5 分辨率 15
1.7 數據處理級別、存檔、記錄和處理 16
1.7.1 衛星影像數據的處理級別 16
1.7.2 數據存檔 17
1.7.3 數據記錄的格式類型 17
1.7.4 數據處理和存檔中心 18
1.8 過去、現在和將來的衛星計劃 18
1.8.1 美國的海洋衛星計劃 19
1.8.2 其他衛星計劃和衛星星座 20
1.8.3 2015年以前的衛星計劃 21
第2章 海洋錶面現象 25
2.1 引言 25
2.2 海洋錶面的風和浪 25
2.2.1 波剖面隨振幅的變化 27
2.2.2 波浪破碎、能量吸收和泡沫特性 28
2.2.3 均方根振幅和有效波高 31
2.2.4 海浪斜率 32
2.2.5 錶面油膜 32
2.3 洋流、地轉流和海面高度 32
2.4 海冰 35
第3章 電磁輻射 38
3.1 引言 38
3.2 電磁輻射的描述 38
3.2.1 電磁波譜段的劃分 39
3.2.2 色散關系和折射系數 40
3.2.3 極化和斯托克斯參數 42
3.2.4 立體幾何回顧 43
3.3 描述電磁輻射的方法 44
3.3.1 朗伯面 46
3.3.2 光譜特性 47
3.4 理想發射體的輻射 47
3.4.1 普朗克方程的特性 48
3.4.2 普朗克方程的頻率形式 49
3.4.3 普朗克方程的一些極限形式 49
3.4.4 熱發射 50
3.4.5 基爾霍夫定律 50
3.5 理想儀器 51
3.5.1 瑞利準則 52
3.5.2 簡單望遠鏡 52
3.5.3 斜視觀測儀器 54
3.5.4 有限帶寬儀器和噪聲處理 55
第4章 大氣特性與輻射傳輸 57
4.1 引言 57
4.2 大氣成分 57
4.2.1 大氣中的水 59
4.2.2 雲 59
4.2.3 氣溶膠 60
4.2.4 臭氧 61
4.2.5 電離層自由電子 62
4.3 分子吸收與發射特性 62
4.3.1 分子消光 63
4.3.2 光學厚度與透過率 64
4.3.3 發射特性 65
4.4 散射 65
4.4.1 各向同性散射與散射相函數 66
4.4.2 瑞利散射和氣溶膠散射 67
4.4.3 分子散射或瑞利散射 67
4.4.4 氣溶膠散射或米氏散射 69
4.5 大氣衰減 69
4.6 在理想儀器中的應用 73
4.7 輻射傳輸方程 74
4.7.1 熱發射源項 74
4.7.2 散射源項 74
4.7.3 輻射傳輸方程的一般形式 76
4.8 特定條件下輻射傳輸方程的解 76
4.8.1 以吸收-發射為主的情形 77
4.8.2 單次散射近似 78
4.8.3 氣溶膠單次散射 80
4.9 漫射透過率和天空光 80
4.9.1 漫射透過率 80
4.9.2 天空光 81
第5章 海-氣界面的反射、透射和吸收 82
5.1 引言 82
5.2 海-氣界面 83
5.2.1 散射的一般考慮 84
5.2.2 鏡面反射與透射 85
5.2.3 毛細波錶面的反射 86
5.3 穿過界面的透射 88
5.3.1 界面上下的入射輻射 88
5.3.2 折射收斂與發散 90
5.4 海水的吸收和散射特性 91
5.4.1 清潔海水的光學特性 92
5.4.2 輻照度反射率 94
5.4.3 離水輻亮度 95
5.4.4 兩種遙感反射率 96
5.4.5 漫衰減系數 97
5.5 泡沫反射 97
第6章 海洋水色 99
6.1 引言 99
6.2 浮游植物、顆粒物和溶解物的吸收和散射特性 101
6.2.1 吸收光譜特性 102
6.2.2 散射特性 105
6.3 海洋水色衛星載荷 107
6.4 SeaWiFS、MODIS、VIlRS載荷特點和定標方法 110
6.4.1 SeaWiFS 111
6.4.2 SeaWiFS定標 112
6.4.3 MODIS 113
6.4.4 VIIRS 115
6.5 大氣糾正和離水輻亮度反演 116
6.5.1 對總輻亮度的貢獻 116
6.5.2 氣溶膠程輻射的確定 120
6.5.3 CZCS大氣校正算法 123
6.6 海表驗證數據集與替代定標 123
6.6.1 海表驗證數據集 124
6.6.2 替代定標 124
6.7 葉綠素反射率與熒光 126
6.7.1 反射率 126
6.7.2 熒光 127
6.8 經驗算法、半解析算法與生物地球化學算法 127
6.8.1 NASA歸檔數據 128
6.8.2 生物光學經驗算法 128
6.8.3 Garver-Siegel-Maritorena（GSM）半解析算法 135
6.8.4 NASA海洋生物地球化學模式（NOBM） 138
6.9 PACE計劃 140
第7章 紅外遙感海錶面溫度 143
7.1 引言 143
7.2 什麽是SST 145
7.3 AVHRR、MODIS和VIIRS用於SST反演的波段特徵 148
7.3.1 AVHRR、MODIS和VIIRS熱紅外波段 148
7.3.2 AVHRR數據形式 149
7.4 大氣和海洋的紅外特性 150
7.4.1 熱紅外波段的發射和反射 150
7.4.2 太陽輻射反射的貢獻率 152
7.5 SST算法 153
7.5.1 背景知識 154
7.5.2 AVHRR業務化SST算法 156
7.5.3 Pathfinder、MODIS和VIIRS算法 157
7.5.4 SST匹配數據集 158
7.5.5 Reynolds和OSTIA SST數據集 161
7.5.6 先進沿軌掃描輻射計（AATSR） 162
7.6 雲檢測和掩模算法 163
7.6.1 雲檢測算法的基礎知識 164
7.6.2 海洋先進晴空處理器（ACSPO）業務化算法 165
7.6.3 MODIS和VIIRS的雲檢測算法 167
7.7 數據的誤差和偏差 168
7.7.1 SST數據誤差分析 168
7.7.2 火山灰和沙塵暴的影響 169
7.8 其他GHRSST數據集和融合產品 170
7.8.1 數據產品和存檔 170
7.8.2 GHRSST多源數據產品集（GMPE） 171
7.9 圖解與實例 171
7.9.1 AVHRR圖像分析 171
7.9.2 全球MODIS SST圖像分析 173
7.9.3 從厄爾尼諾到拉尼娜的演變 173
第8章 微波成像儀簡介 175
8.1 引言 175
8.2 常規天線特性 176
8.2.1 功率方向圖 177
8.2.2 與功率方向圖有關的立體角 178
8.2.3 增益 179
8.3 天線對錶面輻射的觀測 179
8.4 圓錐掃描儀和錶面發射率 181
8.5 天線方向圖校正（APC） 182
8.6 被動微波成像儀 184
8.6.1 多通道微波掃描輻射計（SMMR） 185
8.6.2 專用傳感器/微波成像儀（SSM/I） 186
8.6.3 TRMM微波成像儀（TMI）和GPM微波成像儀（GMI） 188
8.6.4 先進微波掃描輻射計EOS（AMSR-E）及其後續者AMSR2 189
8.6.5 WindSat輻射計 191
第9章 大氣和海洋錶面的被動微波觀測 193
9.1 引言 193
9.2 微波的大氣吸收和透射 193
9.2.1 大氣中氧氣和水汽的吸收特性 194
9.2.2 氧氣和水汽對大氣透射率的貢獻 195
9.2.3 水滴的透射率 196
9.3 微波輻射傳輸 198
9.3.1 輻射傳輸方程 198
9.3.2 太陽的影響 199
9.3.3 射頻乾擾（RFI） 200
9.3.4 法拉第旋轉 201
9.3.5 反演的參量 202
9.4 錶面波和泡沫對發射率的影響 202
9.4.1 海浪對發射率的貢獻 203
9.4.2 無泡沫風生粗糙海面的方位向平均發射率 204
9.4.3 泡沫對發射率的貢獻 205
9.4.4 方位角與垂直極化發射率和水平極化發射率的關系 207
9.4.5 4個斯托克斯參數與方位角的關系 209
9.5 溫度和鹽度 212
9.6 開闊海域算法 214
9.6.1 開闊海域算法的細節 214
9.6.2 SSMI算法 214
9.6.3 TMI、AMSR-E、AMSR2和WindSat算法 216
9.7 WindSat風速和風向反演 219
9.8 海冰算法 222
第10章 雷達 229
10.1 引言 229
10.2　雷達方程 229
10.2.1　點目標和麵目標的雷達後向散射 230
10.2.2　極化 232
10.2.3　海洋和大氣對雷達回波信號的影響 232
10.3　視場內σ0的確定 233
10.4　距離分辨 234
10.4.1　線性調頻信號 236
10.4.2　脈沖重復頻率 236
10.5　多普勒分辨 237
10.5.1　與觀測角有關的多普勒頻移 237
10.5.2　多普勒分辨率 240
10.5.3　地球的自轉 240
10.6 海洋的後向散射 241
10.6.1　鏡面和角反射 241
10.6.2　兩種類型的海洋後向散射 241
10.6.3　機載觀測試驗 243
第11章　散射計 246
11.1　引言 246
11.2　背景 247
11.3　散射計風速反演 250
11.3.1　地球物理模式函數 251
11.3.2　用模式函數反演風速矢量 253
11.4　NSCAT散射計 254
11.5　AMI和ASCAT散射計 256
11.5.1　先進微波儀器（AMI） 256
11.5.2　METOP衛星搭載的高級散射計（ASCAT） 257
11.6　旋轉波束散射計 258
11.6.1　SeaWinds散射計 258
11.6.2　內定標和噪聲去除 261
11.6.3　大氣透射率和降雨 262
11.6.4　風速和風向的反演精度 262
11.7 不同散射計的優缺點 264
11.8　ISS-RapidScat散射計 265
11.9　交叉定標的多平臺風場 266
11.10 應用與實例 267
11.10.1　QuikSCAT觀測大氣鋒面 267
11.10.2　半球風場 268
11.10.3 特萬特佩克灣 269
11.10.4　極地冰研究 269
第12章 雷達高度計 271
12.1　引言 271
12.2 地球的形狀 272
12.3　衛星高度計的發展歷程 275
12.4　TOPEX/POSEIDON高度計 276
12.4.1　TOPEX/POSEIDON高度計軌道 276
12.4.2　TOPEX微波輻射計（TMR） 278
12.4.3　電離層 279
12.4.4　精密定軌（POD） 279
12.4.5 海上定標 281
12.5 JASON-1和JASON-2 283
12.5.1 JASON-1 283
12.5.2 JASON-2 283
12.5.3　在軌定標驗證階段 284
12.6 高度計脈沖與平坦海面的相互作用 284
12.6.1　可變指向角對測高的影響 284
12.6.2　脈沖有限覆蓋區域 285
12.6.3　脈沖傳播時間的確定 287
12.7 波浪對高度計回波的影響 288
12.7.1 小尺度粗糙度和風速U的確定 288
12.7.2　自動增益控制（AGC）和脈沖平均 288
12.7.3 涌浪的影響 289
12.8　海面高度反演中的誤差分析 291
12.8.1　高度計儀器噪聲 291
12.8.2　大氣誤差源 291
12.8.3　海況偏差 291
12.8.4 軌道誤差 292
12.8.5 小結和誤差討論 292
12.8.6 環境誤差源 293
12.9 應用與實例 294
12.9.1　大尺度的地轉流 294
12.9.2　海面高度的季節變化 295
12.9.3 20年全球海平面變化趨勢 297
12.9.4　渦流的西向傳播 298
第13章 成像雷達 300
13.1 引言 300
13.2　背景知識 301
13.2.1　概述 301
13.2.2　分辨率和像元尺寸 302
13.2.3　極化 303
13.2.4　乾涉雷達 303
13.2.5 過去、現在和將來的SAR衛星 305
13.3 SLR分辨率 306
13.4 SAR如何達到它的分辨率 306
13.4.1　由多普勒波束銳化推導SAR的分辨率 307
13.4.2　PRF的限制 308
13.4.3　信噪比限制 310
13.4.4　斑點噪聲 310
13.4.5　輻射平衡 310
13.4.6　距離走動 310
13.5 RADARSAT-2 SAR衛星 311
13.5.1　成像模式 313
13.5.2　數據的存儲和下傳 315
13.6　其他運行的SAR衛星 316
13.6.1　先進合成孔徑雷達（ASAR） 316
13.6.2 ALOS PALSAR 316
13.6.3 Sentinel-1A與Sentinel-1B 316
13.7 應用與實例 317
13.7.1　開闊海域 317
13.7.2　海冰 321
第14章　其他衛星任務：重力場測量任務、ICESat-1/2、CryoSat-2、SMOS和
Aquarius/SAC-D 326
14.1　引言 326
14.2　重力場測量任務 326
14.2.1　挑戰小衛星載荷任務（CHAMP） 327
14.2.2　重力恢復與氣候試驗任務（GRACE） 327
14.2.3　重力場與穩態海洋環流探測器（GOCE） 329
14.3　ICESat-1、ICESat-2和CryoSat-2任務 330
14.3.1　ICESat-1 330
14.3.2　ICESat-2 331
14.3.3　ICESat-1的觀測結果 332
14.3.4　CryoSat-2 335
14.4　SMOS和Aquarius/SAC-D 336
14.4.1　土壤濕度與海洋鹽度（SMOS） 337
14.4.2　Aquarius/SAC-D 337
參考文獻 341