最新广东海洋大学-卫星海洋学期末复习资料

这只是小生整理的资料，仅作参考~

第一章 绪论

1.名词解释

?⑴遥感：在一定距离以外获取目标的信息，通过对信息的分析研

究来确定目标物的属性以及目标物之间的相互关系的过程。

⑵海洋遥感技术：利用传感器对海洋进行远距离非接触观测 而获取

描述海洋现象的信息技术。主要组成部分是电磁波为载体遥感技术和

声波为载体遥感技术。

2.概念掌握

⑴遥感技术所使用的电磁波段主要为紫外、可见光、红外和微波等波

段。紫外（0.2~0.4m μ），可见光（0.4~0.7m μ，红橙黄绿青蓝紫），

红外（0.7~1000m μ，近中热远），微波（0.1~100cm ）。

?⑵遥感的分类（按照遥感方式）

主动式：雷达、散射计、高度计、激光雷达等；

被动式 ：照相机、可见光和红外扫描仪、微波辐射计。

⑶气象卫星分为太阳同步轨道卫星和地球同步或地球静止轨道卫星。

前者在大约800km 高空工作，缺点是对某一地区每天只能观测两次

（红外和微波传感器）。后者在大约35000km 的高空对地球表面近五

分之一的地区进行气象观测，实时将资料送回地面，但不能观测唯独

大于55O 的地区。

?⑷卫星海洋遥感的应用：

风暴潮灾害的卫星遥感监测；巨浪灾害的卫星遥感监测；海冰灾害的

卫星遥感监测；海啸灾害的卫星遥感监测；海上溢油的卫星遥感监测；海洋赤潮的卫星遥感监测；海洋变异的卫星遥感监测（海平面上升、全球变暖、EL-NINO）。

⑸卫星遥感的特征：能够获取长时间、大范围、近实时和近同步监测资料;全天时、全天候，如微波能够穿透云层。

分类：气象卫星，海洋卫星和陆地卫星。

⑹海洋参数：海表面温度，海表面盐度，海平面异常，海流，海表面风，海浪，海洋内波，悬浮物浓度，叶绿素浓度，色素浓度，水色。

第二章

1.名词解释

?⑴轨道倾角i:卫星轨道平面与赤道平面的夹角（使用i和Ω两个角可以确定卫星轨道平面的方位）

?⑵星下点：卫星在地球表面的投影；

星下点轨迹：卫星每绕地球完成一圈公转在地球表面上形成的一

个不闭合的轨迹。

⑶节点：卫星星下点轨迹与此道的交点。

?⑷升轨：卫星由南向北方运行

降轨：卫星由北向南运行

?⑸节点周期（轨道周期）：相邻两个升轨点之间的时间间隔

?⑹一个PASS：最南端和最北端之间的星下点轨迹，对应半个节点周期。

?⑺一个“CYCLE”（一个重复周期）：卫星环绕地球多圈后回到原来位置对应的星下轨迹。

⑻精确的循环轨道或回归轨道：卫星环绕地球多圈后能恰好回到原来轨道位置的轨道。

⑼准循环轨道或准回归轨道：星环绕地球多圈后不能正好回归到原来的轨道位置，但能近似地回归到原来的轨道位置。

⑽重复周期：卫星从某地上空开始运行，经过若干时间的运行后回到原地上空时所需的时间。

?⑾再访问时间：地球上某一地点被卫星装载的传感器先后两次观测的时间区间。

?⑿太阳同步极轨轨道：卫星在每天的同一当地时间穿过赤道的轨道。轨道倾角i →90，这颗卫星就能经过南极和北极地区，也称为近极轨轨道。

?⒀地球同步轨道：卫星环绕地球角速度的纬向分量=地球自转角速度，轨道倾角i==0的轨道。

?⒁高度计卫星轨道：为监测卫星与地球之间的距离、海表面地形等而专门设计卫星轨道，略高于太阳同步轨道。

?⒂光学分辨率：根据瑞利判据，能够使两个像元恰可分辨的两个物体的最小角距离。

?⒃微波雷达的分辨率：相邻两个盲点的角距离之差。（

P）

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2.概念掌握

⑴ 3122312)4()(π

ωGMT GM

r h R ===+ h ：卫星高度，m ：卫星质量, R ：代表地球半径，

GM = 23600,398-?s km 代表地球引力常数，T = 86164 s （秒）代表

地球的一个太阳日运行周期。 ⑵光学分辨率的最小分辨角：D λθ22

.10=， 空间分辨率：D H H d /22.1λα=?=

λ—光的波长 D —望远镜物镜的孔径

H —望远镜和地球表面的距离

微波雷达的分辨率:D λθ=

0 空间分辨率:D H d /λ=

D —接收天线的长度

?⑶三种扫描技术

交叉轨道特点；沿轨或推扫式扫描；

混合垂直轨道扫描

⑷无论是光学装置还是微波雷达，它们的角分辨率由λ∕D 唯一确

定；它们的空间分辨率由λ、D 和r 三个参数确定。

第三章 电磁辐射

1.名词解释

?⑴微波：微波也是一种无线电波；在无线电波范围内，微波的波

长最“微小”，所以被称为微波。

?⑵极化：任何电磁波都可以分解成水平极化和垂直极化两个部分。水平极化的电场与参考平面垂直，垂直极化的电场与参考平面平行。

⑶立体角：假设电磁波从波源dA 自发辐射，到达半径为R 的球面的一个波束对应着一个立体角微分元。φθ dθ d R dS d Ωsin 2

== ?⑷辐射能Q ：表示辐射能量的多少，J 。

辐射通量Ψ：单位时间里通过一个面积的能量，W 。

辐射强度I ：点光源在特定方向上单位立体角的辐射通量，W*sr(-1)。

辐亮度L (出射辐射)：沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量。

亮度B(入射辐射）:沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量，

主要被用来描述“亮温”或“亮度温度”。

光谱辐亮度：代表在单位波段内沿辐射方向单位面积和单位立体角

的辐射通量。

辐照度E ：表示通过单位面积的辐射通量。

光谱辐照度E(λ)：辐照度相对于频率或波长的能量分布。

⑸根据能量守恒定律，对于入射的“光谱的”辐照度，我们有：

)()()()(λλλλt a r i E E E E ++=

式中i 表示入射，r 表示反射，a 表示吸收，t 表示透射 。

吸收率a(λ) 反射率r(λ) 透射率t(λ)

i r E E r =)(λ i a E E a =)(λ i

t E E t =)(λ 且有 1)()()(=++λλλt r a

⑹发射率e(λ) ：也被称为一个物体的灰度，以鉴别它距离黑体的靠

近程度。

?⑺菲涅耳反射率ρ：反射的辐亮度与入射的辐亮度之比。（93P

）

反射率r ：反射的辐照度与入射的辐照度之比。 ?⑻黑体：发射率e 等于1的理想辐射体，黑体发射的辐亮度只与

温度

有关。e 小于1的为灰体。

黑体辐射定律：黑体发射的辐亮度是它的温度和所辐射的电磁波波

长的函数。

?⑼亮温：如果已知海面发射的辐亮度，那么利用普朗克辐射定律

或者瑞利-金斯定律可以计算海表面温度（SST ）。 这样获得的温度不

是海水的真实温度，它被称为海表面的亮温。

⑽基尔霍夫定律：如果介质处于局部热力学平衡条件下，那么它吸收

能量的速率和辐射能量的速率相等。)()(λλa e =

另一种等价表达：black T M a T M |),()(),(λλλ=

?⑾普朗克辐射定律：黑体发射的辐亮度是它的温度和所辐射的电

磁波波长的函数。

公式： 1

)]/(exp[12)(52

-=λλλT k hc hc L b 将f λ = c 、df =–（c ／λ2）d λ 以及L （λ）|d λ| = L （f ）|df| 代入，可获得另一表达形式：1

)]/(exp[12)(23-=T k hf c hf f L b （97P ） ⑿瑞利-金斯定律：利用普朗克定律将辐照度E （f ）= π L （f ）对频

率积分，获得斯忒藩-玻耳兹曼定律

404325152)(T T h

c k df f E E b σπ===?∞

4 式中σ = 5.67*10-8 W ﹒m-2﹒K-4是常数。

一般地，地表物体以地表温度T （大约300K ）辐射。如果频率f 低

于600GHz ，那么不等式hf/(kbT)<<1成立。可获得泰勒公式的一阶展

开式 )

/(1])/(ex p[T k hf T k hf b b +? 把此式代入普朗克定律，可获得瑞利-金斯定律

T c k f f L b )/2()(22? ⒀维恩位移定律：T b m /=λ

这就是维恩位移定律。式中b = 2.8978*10-3 m ﹒K 。根据此定律，

表面温度越高的黑体的辐射峰值对应的波长越低。 ⒁菲涅耳反射率ρ：r εn = 复折射率n 与相对电容率εr 。

2.概念掌握

⑴宇宙中的“黑洞”（black hole ）不是黑体。黑洞的吸收率等于1，

发射率等于0，不满足基尔霍夫定律的条件，它的质量和能量在不断

地增加，并不保持平衡。

?⑵黑体辐射的简单推导： 有普朗克辐射定律：1

)]/(exp[12)(52

-=λλλT k hc hc L b -------------------------① λ—电磁波波长 c —光速 h —普朗克常量 b k —玻耳兹曼常量 T —黑体温度 将f λ = c 、df =–（c ／λ2）d λ 以及L （λ）|d λ| = L （f ）|df| 代

入①式，可获得另一表达形式：

1

)]/(exp[12)(23-=T k hf c hf f L b --------------------------② 利用普朗克定律公式②，将辐照度E （f ）= π L （f ）对频率积分，获

得斯忒藩-玻耳兹曼定律

404325152)(T T h c k df f E E b σπ===?∞

4 式中σ = 5.67*10-8 W ﹒m-2﹒K-4是常数。

一般地，地表物体以地表温度T （大约300K ）辐射。如果频率f 低于

600GHz ，那么不等式hf/(kbT)<<1成立。可获得泰勒公式的一阶展开

式

)/(1])/(ex p[T k hf T k hf b b +?

把 此式代入普朗克定律公式②，可获得瑞利-金斯定律

T c k f f L b )/2()(22?

?⑶λ?=f c

频率一般采用GHz 作单位，Hz MHz GHz 9310101==

波长一般采用nm 作单位，

m m nm 9310101--==μ

第四章 散射和吸收

1.名词解释

?⑴复折射率：n n ''-'=i n n ′是电磁波从空气向海水传播时在海

水的折射率，n''表示电磁波在介质内部传播的衰减程度。

?⑵穿透深度：辐照度在海水中传播衰减为初始值的1/e 所经过的距

离。

⑶衰减系数：衰减系数)(λa k 包括吸收系数)(λab k 和散射系数)(λsc k ，它

们分别描述电磁波在传播中由于介质吸收和散射产生的衰减轻重程

度。

?⑷光学深度：衰减系数沿传播路径上的积分。

⑸漫衰减系数、光束衰减系数：

使用不同方法测量的衰减系数可分为漫衰减系数和光束衰减系数。

前者是在自然光场下测量获得；后者在人为设置的“准直光束”光

场条件下测量。

?⑹体积散射函数：单位长度、单位立体角内散射的辐射能与入射

的总辐射能之比。 注意：海水的散射主要集中在前向散射，前向散

射占90%，后向10%（126P ）

?⑺大气窗：通过大气的太阳辐射或地球大气辐射将被大气中某些气

体所吸收，这些吸收随波长的变化很大，在某些波段的吸 收很强，而在另一些波段的吸收则很弱，在这些吸收最弱 的波段，太阳辐射和地球大气辐射可以象光通过窗户那样 透过大气，这些波段称做大气窗。大气窗主要出现在强吸 收带或线之间。

2.概念掌握

⑴ 辐射计探测的辐亮度

])1)(1([)1(A S S S A L t e L e t t L L --++-=

L —辐亮度，A L —与大气温度相同的黑体辐射，S L —与海表面温度相

同的黑体发射的辐亮度，t —大气的透射率，A S L t e t )1)(1(--—到达卫

星辐射计的辐亮度。

?⑵米氏散射条件：q （粒子的周长与电磁波波长之比）小于1的球 形粒子对电磁波的散射。

瑞利散射条件：q 远小于1的球形粒子对电磁波的散射。

第五章 水色遥感与辐射计

1.名词解释

?⑴辐射计：一种被动遥感传感器；根据波段大小的分类——可见光和近红外辐射计、红外辐射计、热红外辐射计、微波辐射计。 ?⑵水色和海色：水色（water color ）或海色（ocean color ）是太阳光经水体或海水散射后，可见光和近红外辐射计监测到的散射光的颜

色。

?⑶水色三要素 ：浮游植物的叶绿素、无机的悬浮物和有机的黄色物质。水色三要素的种类和浓度决定了水体的颜色。

⑷初级生产力：单位面积（平方米）的海面在单位时间（小时、天、年）内浮游植物中碳元素的增长量（毫克、克），单位12--??a m mg 。 意义—初级生产力描述在单位面积海面以下的水柱浮游植物通过光合作用固定碳的净速率。

?⑸第一类水体：浮游植物及其“伴生”腐殖质对水体的光学特性起主要作用的水体。

第二类水体：无机悬浮物（如浅水区海底沉积物的再次悬浮物和河流带来的泥沙）或黄色物质（又称溶解的有色有机物）对水体的光学特性有不可忽视的明显作用的水体。

?⑹离水辐亮度：被表层海水散射的太阳辐射，不是海水自发辐射，与海水发射率无关。

⑺遥感反射率：太阳光离水辐亮度的标准化形式。

)(λrs R 的定义：)

()()0,()()(0λλλλλF L E L R wn d w

rs ==+ Lw (λ)是太阳光在海面的离水辐亮度，Ｅd （λ，0+）是太阳光在海面的下行辐照度，)(0λF 代表平均日地距离处大气层外垂直入射的太阳辐照度。

⑻海洋水色的生物光学算法：

分析算法；波段比值模型的分析基础 ；基于蓝绿比值的SeaWiFS 经验算法；基于蓝绿比值的MODIS 经验算法；基于蓝绿比值的CZCS

经验算法。

⑼二类水体的水色反演算法：

代数法和非线性最优化法；主成分分析法和人工神经网络方法；经验算法；叶绿素-a 垂向最大值的经验算法 。

2.概念掌握

?⑴可见光和近红外辐射计（水色遥感）：遥感海水的叶绿素浓度、悬浮泥沙浓度、海水漫衰减系数等。

⑵红外辐射计：气象和陆地卫星上，遥感雪、冰、气溶胶、薄卷云等。 ⑶热红外辐射计：主要应用在气象和海洋卫星上，遥感海面上空水汽含量、大气剖面温度和湿度、海表面温度等。

⑷微波辐射计：主要应用在海洋卫星上，遥感海表面温度、海面风速和风向、海面上空水汽含量、可降水量等。

?⑸水色卫星遥感的大气校正方程

)(),()(),()()()(λθλλθλλλλw r A R i L t L T L L L +++=

式中Li(λ) 代表卫星探测的辐亮度，脚标i 代表传感器第i 个通道；LR(λ) 代表大气的分子散射的辐亮度，脚标R 是Rayleigh 的英文首字母，大气分子对所有波段电磁波的散射均属于瑞利散射；LA(λ) 代表气溶胶散射的辐亮度，脚标A 是气溶胶的英文首字母；Lr (λ) 代表海面的镜面反射，也称为太阳耀斑，太阳耀斑应该避免；t(λ,θ) 是大气的漫透射率，T(λ,θ) 是大气的直接透射率，λ是传感器第i 个通道对应的波长；θ是卫星天顶角；Lw(λ) 是离水辐亮度。

⑹MODIS 的大气校正方程

)()()()()()()(λλλλλλλr WC w RA A R i TL tL tL L L L L +++++=

式中Li (λ)是卫星能探测到的波长为的辐亮度，)(λR L 是大气分子瑞利散射的辐亮度，)(λA L 是气溶胶散射的辐亮度，)(λRA L 是大气分子和气溶胶粒子多次散射的辐亮度，)(λw L 是离水辐亮度，)(λWC L 是海浪破碎生成白冠（white caps ）引起的辐亮度，Lr (λ) 是海表面的镜面反射，t 是大气的漫透射率，T 是直接透射率。

⑺辐照度与辐亮度的关系：Ω=?d L E θλλcos )()(

⑻离水辐亮度Lw(λ,0)与海面下的向上辐亮度的关系是

2)

'()0,()0,(n L t L u i w -=λλ 式中Lu （λ,0－）代表海面下的向上辐亮度，自变量“０－”表示表示刚好处于水表面以下下角标“ｕ”表示向上辐亮度；n'是海-气界面复折射率的实部，它也称为折射率；在可见光和近红外波段，n ′ ≈

1.33 ；在式子的分母中， 2)(n ' 表明光波由海水到大气传播时光束立体角的变化能够带来辐亮度的变化。

第六章 热红外辐射计

1.名词解释(搵唔到)

2.概念掌握

⑴.热红外波段对应于300?K 的地球表面自发辐射的辐亮度最大的波段。根据普朗克黑体辐射定律，在热红外波段辐射计接收到的辐射功率代表着地球表面的“冷”或者“热”，因此，地球表面自发辐射最强的波段被称为热红外波段。与地球反射的可见光相比，热红外信号一般较弱；但是，由于其波长比可见光波长要长，具有较大的绕射能力和穿透能力，不易受到雾、烟尘和气溶胶的影响；即使穿过大气层，热红外遥感也能够测到比较清晰的图像。

?⑵红外辐射计在大气、海洋、陆地环境和资源调查方面的应用日益广泛，主要用于探测云层、海水、陆地的表面温度、叶绿素浓度和植被构成。

⑶与红外辐射计有关的辐射计一般分作两类：可见光和近红外辐射计、热红外辐射计。

?⑷大气和海洋的红外特性：接近黑体辐射的大气3-4m μ、8-9m μ、10-12m μ、11m μ窗口；8m μ窗口对水汽的改变非常敏感。

⑸整层大气的传输方程

)1)(,()(),(0i i P i i H i t T f t L z L -+=λλλ

卫星接受到的辐射 = 经大气衰减的表面辐射+大气路径辐射

根据普朗克函数重写上式，同时假定海面为黑体，

)1)(,(),(),(i i P i i s P i i P t T f t T f T f -+=λλλ

可以看出，Ti 是T 平均、Ts 和ti 的函数。

利用泰勒级数的第一级，对T 的每个通道展开：

)()()(4,44s T P

S P P T T T f T f T f s -??+?λ

)sec ex p(θV m t i i -=

i i t M -=1

把上式带入辐射传输方程，整理得到两通道的方程:

44)(M T T T T s s -=-

55)(M T T T T s s -=-

SST 算法的分裂窗形式

)/()1()

(544544t t t T T T T s --=Γ-Γ-=

Γ是从一组海洋上的温度和湿度无线电探空数据中估算出来。

第七章 微波辐射计

1.概念掌握

?⑴微波能够穿透较薄的云层，故星载微波辐射计被称为全天候卫星探测器。微波辐射计可以全天候探测海表面温度、盐度、风速、大气垂直温度和湿度剖面、大气中的水汽含量和可降水量。

⑵影响微波探测的因素：水汽和氧气的吸收、海表面的粗糙度、电离层、宇宙背景微波辐射等。

⑶卫星观测方向与垂线的夹角θ被称为卫星的天顶角（zenith angle）或观测角（view angle），微波辐射计接收到的海面辐亮度的大小受观测角θ影响很大。

?⑷按测量目的区分，微波辐射计可分为探测仪和成像仪:

探测仪主要应用在气象卫星上，波段多选择在氧气和水汽吸收带和附近频率，用于测量大气垂直温度和湿度廓线，要求大尺度低分辨率，通常采用垂直轨道扫描方式；

成像仪主要应用在海洋卫星上，波段（C、X、K波段）频率通常较低，分辨率要求较高，通常采用圆锥形扫描方式。

⑸卫星观测方向与垂线的夹角θ被称为卫星的天顶角（zenith angle）或观测角（view angle），微波辐射计接收到的海面辐亮度的大小受观测角θ影响很大。

⑹风向的180度不确定性：海浪在顺风方向和逆风方向上的能量分布完全不一样。然而，当卫星传感器沿顺风方向或者逆风方向观测海浪时，它并不能有效地分辨波浪究竟是沿顺风方向或者逆风方向传播。在遥感监测中，这种现象被称为风向的180度不确定性，即在逆风方向（方位角φ=0°）和顺风方向（方位角φ=180°）时，海表面亮温

v h T ,?的大小非常接近。因此，风向的180度不确定性也会导致L 波

段（f=1.4GHz ）微波辐射计对海表面盐度反演的较大误差。

⑺平静海面的微波发射率：根据适合两介质界面处的基尔霍夫定律，海面发射率e 与菲涅耳反射率ρ关系是

)(1)()

(1)(θρθθρθV V H H e e -=-=

式中右下角的“H ”和“V ”分别表示水平极化和垂直极化，θ是观测角。

?⑻使用微波辐射计可以遥感海表面温度、海表面盐度和海上风速等物理海洋参数。

⑼目前提出的粗糙海面发射率模型包括两尺度模型和直接发射模型两类。

?⑽辐射计接收到的海面辐射用辐亮度L 表示。根据瑞利-金斯定律，辐亮度在微波波段与温度呈线性关系。在不考虑大气校正时，辐射计探测到的海面亮温b T 与海表面温度s T 关系为：s b eT T =，e 为粗糙海面发射率。

⑾现场测量和粗糙海面亮温模型的理论计算结果均表明，粗糙海面的亮温不仅是海表面温度和海表面盐度的函数，而且是海面风速和风向的函数。

⑿

第八章散射计

1.名词解释

⑴散射计：一种专门监测全球海表面风的主动微波雷达。主要是利用后相散射系数与方位角之间的关系反演全球风场；用卫星携带的散射计可获得全天候、高分辨率的全球海洋近表面风资料。例如：观测极地的浮冰和陆地冰。

⑵镜面反射：海表面上许多像镜子似的小平面对电磁波产生的反射，这些小平面的尺度应大于被反射的电磁波的波长；粗糙海面发生的反射，也称为镜点反射。

P

231

?⑶后向散射：在粗糙表面发生散射中，电磁波所有的入射方向上的散射统称为后向散射。

2.概念掌握

⑴散射计反演风场原理

欧空局ERS1/2卫星采用前、中、后三个天线依次探测海洋上同一个25km×25km的面积元，即同一个面积元被连续探测三次，三个天线发出的电磁波束在海面的投影与卫星在海面的轨迹分别有45o、90o 和135o的夹角。对同一个点元，三个天线探测的入射角也各不相同，入射角的分布范围是18o到58o。依据反演的算法，每个天线的测量给出一个方程，三个天线的测量给出的三个方程组成一个方程组。

⑵)log(10][00σσ=dB 如果0σ是100，][0dB σ就是20分贝；如果0σ是0.001，

][0dB σ就是-30分贝。

⑶对于无风平静海面，入射电磁波将发生镜面反射，反射特性由菲涅尔系数确定。随着风速和海面粗糙度的增加，镜面反射减小，后向散射增加

?⑷布喇格共振散射233P

布喇格共振条件是 θλλsin 2?=water radar 或 θsin 2?=radar water k k

式中k 是波数,λ是波长，θ是入射角，即雷达波束与海面垂线的夹角。

下图给出了雷达发射的电磁波与海表面毛细重力波之间产生布喇格共振条件的示意图。

当BC AB water 2sin 2sin 2==θθλ，等于雷达波长λradar 时，从海面上后向散射的电磁波有相同的相位（phase ），具有相同相位的电磁波相遇产生布喇格共振。

⑸

第九章 高度计

1.名词解释

⑴高度计：高度计是通过向海面发射尖脉冲，并接受返回脉冲信号来进行观测，是一种主动遥感传感器。使用高度计（altimeter ）可以实现对海表面高度SSH 、有效波高SWH 、海面地形等动力参数的测量，同时可以获取海流、海浪、潮汐、海表面风等动力参数信息。 高度计观测的重点在于确定相对大地水准面的海面高度。

⑵地形几何学：包括大地水准面、参考椭球面、大地准面起伏、海面高度或者海表面地形、海表面高度、海表面异常、海平面、海平面高度、海平面异常等。

?⑶参考椭球面：仅在重力和离心力作用下质量均匀的地球形状。