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答辩PPT基于MODIS数据海表温度.rar

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    编号:20180915222315788    类型:共享资源    大小:7.52MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    答辩 PPT 基于 MODIS 数据 温度
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    山东科技大学本科毕业设计(论文)题目:基于 MODIS 数据海表温度反演的研究——以渤海湾为例学 院 名 称: 测绘科学与工程学院 专 业 班 级 : 遥感科学与技术 2013-1 班 学 生 姓 名 : 苗纪东 学 号: 20301180419 指 导 教 师: 朱金山 时间: 年 月 日山东科技大学本科毕业设计(论文)i摘要海表面温度 SST 是海洋大气系统中的一个重要物理量。所以,提供高精度的海表面温度对了解全球气候变化及其他各种海洋科学工作有重要意义。本文利用 Aqua 和 Terra 卫星搭载的 MODIS 传感器数据,定量反演了渤海湾海域温度。研究过程使用劈窗算法利用 MODIS 热红外通道的 31 和 32 波段数据做海表温度反演,对所研究数据做预处理,利用近红外通道数据进行了大气水汽含量的反演并进而计算得到大气透过率,然后获取热红外波段的辐射亮度值,根据热红外辐射的基本理论计算热红外通道的亮度温度值,最后利用劈窗算法反演海表温度。将计算结果与实际海水表面温度数据进行了对比并分析,反演温度结果与产品结果存在较强的线性关系,相关系数为0.9526,反演温度与产品温度的误差为 2.28℃。关键词:大气透过率;亮度温度;劈窗算法;海水表面温度山东科技大学本科毕业设计(论文)iiAbstractSea surface temperature SST is an important physical quantity in marine atmospheric systems. Therefore, to provide high-precision sea surface temperature to understand the global climate change and other marine scientific work is important.In this paper, the temperature of the Bohai Bay sea area is quantitatively retrieved using MODIS sensor data from Aqua and Terra satellites. In the research process, the 31-and 32-band data of the MODIS thermal infrared channel were used to do the inversion of the sea surface temperature, and the data were pretreated. The near-infrared channel data were used to invert the atmospheric water vapor content and calculate the atmospheric And then obtains the radiation luminance value of the hot infrared band, calculates the brightness temperature value of the thermal infrared channel according to the basic theory of the thermal infrared radiation, and finally uses the split window algorithm to invert the sea surface temperature. The results show that the results are in contrast to the actual sea surface temperature data. The inversion temperature results have a strong linear relationship with the product results. The correlation coefficient is 0.9526, and the error between the inversion temperature and the product temperature is 2.28 ℃.Key word: Atmospheric transmittance;Brightness temperature;Split-window algorithm; Sea surface temperature 山东科技大学本科毕业设计(论文)iii目录1.绪论 ...............................................11.1 基本概念 ...............................................11.2 研究目的及意义 .........................................11.3 国内外现状 .............................................22.基本原理概述 .......................................42.1 基本物理量 .............................................42.2 大气对红外辐射透过率的影响分析 ........................72.3 MODIS 数据特性 .........................................92.4 研究方法及内容 ........................................123.研究过程 ..........................................193.1 地理位置概要 ..........................................193.2 数据来源 ..............................................203.3 数据预处理 ............................................203.4 数据处理 ..............................................263.5 小结 ..................................................314.研究分析 ..........................................324.1 与标准产品对比 ........................................324.2 结果验证 ..............................................334.3 总体统计 ..............................................385.结论与展望 ........................................405.1 结论 ..................................................405.2 展望 ..................................................40参考文献 ............................................41附录 ................................................44致谢 ................................................5611. 绪论1.1 基本概念海表温度 [1],是指接近海洋表面的水面温度。对于表面温度的定义会有不同的诠释,取决于检测的方式,但通常是海面以下 1mm 到 20m之处。地球表面的空气团直接受到海表面温度的影响和改变。1.2 研究目的及意义海洋表面温度是研究海洋表面海空水汽和热量交换的一个重要物理参量。它在海洋气候分析中具有重要作用。地表温度也对生物生长、地面灾害、地区气候、矿产资源发掘等等与人类生产、生活有密切关系的活动,提供高精度的海表面温度对了解全球气候变化及其他各种海洋科学工作有重要意义;利用卫星遥感获取海表面温度是有效可行方法。本文反演渤海海域的海表温度是因为 SST 是海洋的主要物理参数之一,也是确定地球气候发展的主要因素之一。海水的热容量大、比热高,可以存贮和传输大量热量,制约着海面和大气的热量、动量和水汽交换,海气相互作用对于天气和气候有着巨大的影响。海水的表面温度可以反映海水中水分子的热运动的强度,它是描述海水冷热程度的重要物理量,在海洋学和气象学研究中占有非常重要的地位。如何准确获得海水温度的时间和空间分布是非常重要的。海表温度是影响海洋渔业资源的重要因素,也是影响大气的重要因素。渤海海域海洋渔业的发展与海表温度的情况有着十分紧密的联系 [2]。渤海沿岸河口浅水区营养盐丰富,饵料生物繁多,是经济鱼,虾,蟹类山东科技大学本科毕业设计(论文)2的产卵场,育幼场和索饵场。渤海中部深水区既是黄渤海经济鱼,虾,蟹类洄游的集散地,又是渤海地方性鱼,虾,蟹类的越冬场。渤海沿岸有辽东湾、渤海湾、莱州湾、辽河、海河、黄河等河流从陆上带来大量有机物质,使这里成为盛产对虾、蟹和黄花鱼的天然渔场。渔场海洋学的研究和渔业生产实践都表明 SST 与海洋养殖、海洋中上层鱼类的生存、徊游、繁殖有着密切的关系。海表温度影响了海洋鱼类的繁殖、生长,也影响着鱼类的洄游,从而直接影响渔期的早晚和长短、中心渔场的位置变动以及鱼类集群程度。因此准确提供渤海海域的海表温度对于渤海海洋鱼类的生长繁殖及海洋渔业的健康发展有很大的意义。分析海洋元素的空间差异和驱动因素,提供动态遥感监测与渔业资源有着密切的关系。1.3 国内外现状卫星遥感技术是测定海洋表面温度的有效手段之一,其方法包括热红外遥感和被动微波遥感。国内外有许多学者对热红外和微波遥感反演的 SST 特征进行过比较研究 [3]。2006 年,Hosoda 等比较了位于ADEOS-Ⅱ卫星上的红外辐射计和微波辐射计获得的 SST 数据的不同特征,发现两者的差异不仅随着地理位置变化,同时还受到水蒸气、卫星天顶角及海洋表面风的影响;2007 年,殷晓斌等从大气状况、海面风速、测量深度等方面比较了红外辐射计和微波辐射计测量海表面温度时的差异,发现热红外遥感不受太阳高度角和海面风速的影响,而微波的穿透性使其不易受大气因素的影响;Qiu 等以中国南海北部为研究区域,通过浮标实测 SST 数据对 AVHRR 和 TMI 观测的 SST 数据进行了验证,并与 AVHRR 和 TMI 的 SST 观测值进行了比较,研究结果表明 TMI 海表山东科技大学本科毕业设计(论文)3温度反演的效果较好,而云量的季节性变化造成 AVHRR 海表温度反演精度的变化。综上,目前已进入业务化阶段的热红外遥感和微波遥感海洋表面温度仍存在一定的缺陷,热红外遥感海洋表面温度产品仍在很大程度上受到天气条件的制约,而微波遥感虽然可以实现全天候观测,但在近岸海区受陆地信号干扰无法获得准确的观测值,因而,将多源卫星遥感海洋表面温度数据进行融合,获取高分辨率全天候的近实时海洋表面温度产品是目前研究热点之一。在进行数据融合前,需先对多源遥感数据进行偏差校正,不同数据之间的差异以及校正方法的选择成为影响产品精度的关键因素。搭载于同一卫星的不同传感器,由于其成像时间和观测区域具有一致性,越来越受到研究者的关注;因此,本文以渤海湾为研究区域,利用 MODIS 卫星上的热红外波段的数据,进行了海表面温度反演,然后从地理位置、温度曲线和反演精度 3 个方面对海表温度的不同响应特征进行了分析,为综合利用卫星遥感数据提供参考。山东科技大学本科毕业设计(论文)42.基本原理概述2.1 基本物理量由于外界热量传递给物体而发生的辐射称为热辐射。热辐射源的特性是它的辐射能量直接与它的温度有关。如果物体从周围物体吸收辐射能所得到的热量恰好等于自身辐射减少的能量,则辐射达到平衡状态,称为热平衡辐射,这时辐射体可用一个固定的温度 T 来描述。在研究热平衡辐射遵从的规律时,假定物体发射能量和吸收能量的过程中,除了物体的热状态有所改变外,其成分并不发生任何变化。2.1.1 辐出度辐出度是辐射体表面在单位波长间隔、单位面积内所辐射的功率,即Mλ = dPdλdA (式 2.1)式中 dP 为辐射源表面在波长 λ到 λ + dλ间隔内的辐射功率;是辐射波长 λ 和辐射温度 T 的函数,单位为 。Mλ ( λ , T) 𝑊/ 𝜇 𝑚·𝑚22.1.2 吸收系数吸收系数 α (λ , T)是在波长 λ 到 λ + dλ间隔内被物体吸收功率与入射功率之比,它与物体的温度 T 及波长 λ有关即:山东科技大学本科毕业设计(论文)5𝛼(λ , T) = d𝑃’(λ )dP( λ ) (式 2.2)式中 dP 是在波长 λ到 λ + dλ间隔内入射到物体上的功率,而 dP′则是在相应的波长间隔内物体吸收的功率。2.1.3 绝对黑体任何物体只要其温度在 0 K 以上,就向外界发出辐射,这就是温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体,吸收率 α (λ , T)=1 的物体称为绝对黑体,其辐出度用 表示:Mb(𝜆,𝑇)Mb(𝜆,𝑇) =M𝜆( 𝜆, T)𝛼( 𝜆, T) (式 2.3)因为一般物体的 ,所以 ,这表明𝛼(𝜆, T)M𝜆( 𝜆, T)同一温度 T 时对任何波长,物体的辐出度不会大于黑体的辐出度。2.1.4 物体的发射率物体的发射率 ,又称比辐射率,表示物体的辐出度 𝜀 (𝜆 ,𝑇 )与绝对黑体辐出度 之比,即M𝜆(𝜆,T) Mb(𝜆,𝑇)𝜀 (𝜆 ,𝑇 )=M𝜆( 𝜆, T)Mb(𝜆,𝑇) (式 2.4)这也是常说的半球光谱发射率。由式(2.3)和(2.4)可以看出 ,这说明任何具有强吸收的物体必定发出强的辐射,𝜀 (𝜆 ,𝑇 )=𝛼 (𝜆 , 𝑇)只要知道物体的发射率,就可以利用黑体辐射定律求得该物体的辐射规律,或计算出其辐射量。Comment [jm1]: 李冰,李响,魏臻·实时定标红外测温法测量海水表面温度[J]·天津理工大学学报,2010,26(2):66-69山东科技大学本科毕业设计(论文)6非黑体 的辐射能力不仅与温度有关,而且与材料表( 0 < 𝜀< 1)面的性质有关。在自然界中,理想的黑体是不存在的,实际工作时,黑体往往是用表示涂黑的球形或柱形空腔人为地实现。衡量物体定向发射本领的物理量为方向发射率,也称作角比发射率,即在与辐射表面法线成 θ 角的立体角元 内测量的发射率,用 ε (θ )ΔΩ表示。 θ = 0时成为法向发射率,用 表示。𝜀𝑛其方向全发射率为: 𝜀(𝜃)=𝐿𝐿𝑏 (式 2.5)其中 L为实际物体在某一温度下的辐射亮度; 为黑体在相同温度𝐿𝑏下的辐射亮度。2.1.5海表温度海表温度是海水热特征的直接表现,其温度主要取决于海水的热平衡,即太阳辐射的热量和海水蒸发所消耗的热量之比。而海表面的温度除了受热平衡的影响外,还受到沿岸的地形、气象、洋流等因素的影响,使海水表面温度的波动变得极其复杂,因此海表面温度很难准确的定义。Donlon C J为海表面温度做了以下定义:SST int(interface SST):空气和海水表面相接触的无限薄的水层温度;SST skin (skin SST):表层 500μm 水深之内的海水温度,这是海洋与大气热交换的主要区域;SST sub-skin (sub-skin SST):SST skin温度层底部的 SST;
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