海洋遙感導(dǎo)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(wèi)星軌道 3
1.3.1 衛(wèi)星軌道及其應(yīng)用 3
1.3.2 衛(wèi)星空間環(huán)境：太陽(yáng)風(fēng)暴、輻射壓、南大西洋異常、重力擾動(dòng)、空間碎片、死亡軌道
和射頻干擾（RFI） 6
1.4 地球同步軌道衛(wèi)星 8
1.5 太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星 9
1.6 成像技術(shù) 11
1.6.1 地球表面觀測(cè)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(shù)據(jù)處理級(jí)別、存檔、記錄和處理 16
1.7.1 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的處理級(jí)別 16
1.7.2 數(shù)據(jù)存檔 17
1.7.3 數(shù)據(jù)記錄的格式類型 17
1.7.4 數(shù)據(jù)處理和存檔中心 18
1.8 過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)的衛(wèi)星計(jì)劃 18
1.8.1 美國(guó)的海洋衛(wèi)星計(jì)劃 19
1.8.2 其他衛(wèi)星計(jì)劃和衛(wèi)星星座 20
1.8.3 2015年以前的衛(wèi)星計(jì)劃 21
第2章 海洋表面現(xiàn)象 25
2.1 引言 25
2.2 海洋表面的風(fēng)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 表面油膜 32
2.3 洋流、地轉(zhuǎn)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(guān)系和折射系數(shù) 40
3.2.3 極化和斯托克斯參數(shù) 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(fā)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(fā)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(zhǔn)則 52
3.5.2 簡(jiǎn)單望遠(yuǎn)鏡 52
3.5.3 斜視觀測(cè)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 云 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(fā)射特性 62
4.3.1 分子消光 63
4.3.2 光學(xué)厚度與透過(guò)率 64
4.3.3 發(fā)射特性 65
4.4 散射 65
4.4.1 各向同性散射與散射相函數(shù) 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(yīng)用 73
4.7 輻射傳輸方程 74
4.7.1 熱發(fā)射源項(xiàng) 74
4.7.2 散射源項(xiàng) 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(fā)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(guò)率和天空光 80
4.9.1 漫射透過(guò)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(xì)波表面的反射 86
5.3 穿過(guò)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(fā)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(xué)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(shù) 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(wèi)星載荷 107
6.4 SeaWiFS、MODIS、VIlRS載荷特點(diǎn)和定標(biāo)方法 110
6.4.1 SeaWiFS 111
6.4.2 SeaWiFS定標(biāo) 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(duì)總輻亮度的貢獻(xiàn) 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(yàn)證數(shù)據(jù)集與替代定標(biāo) 123
6.6.1 海表驗(yàn)證數(shù)據(jù)集 124
6.6.2 替代定標(biāo) 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(jīng)驗(yàn)算法、半解析算法與生物地球化學(xué)算法 127
6.8.1 NASA歸檔數(shù)據(jù) 128
6.8.2 生物光學(xué)經(jīng)驗(yàn)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(xué)模式（NOBM） 138
6.9 PACE計(jì)劃 140
第7章 紅外遙感海表面溫度 143
7.1 引言 143
7.2 什么是SST 145
7.3 AVHRR、MODIS和VIIRS用于SST反演的波段特征 148
7.3.1 AVHRR、MODIS和VIIRS熱紅外波段 148
7.3.2 AVHRR數(shù)據(jù)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(fā)射和反射 150
7.4.2 太陽(yáng)輻射反射的貢獻(xiàn)率 152
7.5 SST算法 153
7.5.1 背景知識(shí) 154
7.5.2 AVHRR業(yè)務(wù)化SST算法 156
7.5.3 Pathfinder、MODIS和VIIRS算法 157
7.5.4 SST匹配數(shù)據(jù)集 158
7.5.5 Reynolds和OSTIA SST數(shù)據(jù)集 161
7.5.6 先進(jìn)沿軌掃描輻射計(jì)（AATSR） 162
7.6 云檢測(cè)和掩模算法 163
7.6.1 云檢測(cè)算法的基礎(chǔ)知識(shí) 164
7.6.2 海洋先進(jìn)晴空處理器（ACSPO）業(yè)務(wù)化算法 165
7.6.3 MODIS和VIIRS的云檢測(cè)算法 167
7.7 數(shù)據(jù)的誤差和偏差 168
7.7.1 SST數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)集和融合產(chǎn)品 170
7.8.1 數(shù)據(jù)產(chǎn)品和存檔 170
7.8.2 GHRSST多源數(shù)據(jù)產(chǎn)品集（GMPE） 171
7.9 圖解與實(shí)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(jiǎn)介 175
8.1 引言 175
8.2 常規(guī)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(guān)的立體角 178
8.2.3 增益 179
8.3 天線對(duì)表面輻射的觀測(cè) 179
8.4 圓錐掃描儀和表面發(fā)射率 181
8.5 天線方向圖校正（APC） 182
8.6 被動(dòng)微波成像儀 184
8.6.1 多通道微波掃描輻射計(jì)（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(jìn)微波掃描輻射計(jì)EOS（AMSR-E）及其后續(xù)者AMSR2 189
8.6.5 WindSat輻射計(jì) 191
第9章 大氣和海洋表面的被動(dòng)微波觀測(cè) 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(duì)大氣透射率的貢獻(xiàn) 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(yáng)的影響 199
9.3.3 射頻干擾（RFI） 200
9.3.4 法拉第旋轉(zhuǎn) 201
9.3.5 反演的參量 202
9.4 表面波和泡沫對(duì)發(fā)射率的影響 202
9.4.1 海浪對(duì)發(fā)射率的貢獻(xiàn) 203
9.4.2 無(wú)泡沫風(fēng)生粗糙海面的方位向平均發(fā)射率 204
9.4.3 泡沫對(duì)發(fā)射率的貢獻(xiàn) 205
9.4.4 方位角與垂直極化發(fā)射率和水平極化發(fā)射率的關(guān)系 207
9.4.5 4個(gè)斯托克斯參數(shù)與方位角的關(guān)系 209
9.5 溫度和鹽度 212
9.6 開(kāi)闊海域算法 214
9.6.1 開(kāi)闊海域算法的細(xì)節(jié) 214
9.6.2 SSMI算法 214
9.6.3 TMI、AMSR-E、AMSR2和WindSat算法 216
9.7 WindSat風(fēng)速和風(fēng)向反演 219
9.8 海冰算法 222
第10章 雷達(dá) 229
10.1 引言 229
10.2　雷達(dá)方程 229
10.2.1　點(diǎn)目標(biāo)和面目標(biāo)的雷達(dá)后向散射 230
10.2.2　極化 232
10.2.3　海洋和大氣對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)的影響 232
10.3　視場(chǎng)內(nèi)σ0的確定 233
10.4　距離分辨 234
10.4.1　線性調(diào)頻信號(hào) 236
10.4.2　脈沖重復(fù)頻率 236
10.5　多普勒分辨 237
10.5.1　與觀測(cè)角有關(guān)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(zhuǎn) 240
10.6 海洋的后向散射 241
10.6.1　鏡面和角反射 241
10.6.2　兩種類型的海洋后向散射 241
10.6.3　機(jī)載觀測(cè)試驗(yàn) 243
第11章　散射計(jì) 246
11.1　引言 246
11.2　背景 247
11.3　散射計(jì)風(fēng)速反演 250
11.3.1　地球物理模式函數(shù) 251
11.3.2　用模式函數(shù)反演風(fēng)速矢量 253
11.4　NSCAT散射計(jì) 254
11.5　AMI和ASCAT散射計(jì) 256
11.5.1　先進(jìn)微波儀器（AMI） 256
11.5.2　METOP衛(wèi)星搭載的高級(jí)散射計(jì)（ASCAT） 257
11.6　旋轉(zhuǎn)波束散射計(jì) 258
11.6.1　SeaWinds散射計(jì) 258
11.6.2　內(nèi)定標(biāo)和噪聲去除 261
11.6.3　大氣透射率和降雨 262
11.6.4　風(fēng)速和風(fēng)向的反演精度 262
11.7 不同散射計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn) 264
11.8　ISS-RapidScat散射計(jì) 265
11.9　交叉定標(biāo)的多平臺(tái)風(fēng)場(chǎng) 266
11.10 應(yīng)用與實(shí)例 267
11.10.1　QuikSCAT觀測(cè)大氣鋒面 267
11.10.2　半球風(fēng)場(chǎng) 268
11.10.3 特萬(wàn)特佩克灣 269
11.10.4　極地冰研究 269
第12章 雷達(dá)高度計(jì) 271
12.1　引言 271
12.2 地球的形狀 272
12.3　衛(wèi)星高度計(jì)的發(fā)展歷程 275
12.4　TOPEX/POSEIDON高度計(jì) 276
12.4.1　TOPEX/POSEIDON高度計(jì)軌道 276
12.4.2　TOPEX微波輻射計(jì)（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(biāo) 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(biāo)驗(yàn)證階段 284
12.6 高度計(jì)脈沖與平坦海面的相互作用 284
12.6.1　可變指向角對(duì)測(cè)高的影響 284
12.6.2　脈沖有限覆蓋區(qū)域 285
12.6.3　脈沖傳播時(shí)間的確1