第十一章 海洋遥感(OceanicRemoteSensing)

概述（Summary）

一、海洋遥感及空间海洋观测历史背景(Backgroundofremotesensingandspatialoceanobservation)：

1.1957年苏联发射第一颗人造卫星(man-madesatellite)。

1960年NASA（NationalAeronauticsandSpaceAdministration，美国宇航局）发射了第一颗电视与红外(infrared)观测卫星。

1961年美国水星(Aqua)计划。

1973年Skylab证实了可见光(visiblelight)和近红外(nearinfrared)遥感对地球连续观测的能力。

1975年GEOS-3卫星高度计(SatelliteAltimeter)。

2.NOAA(NationalOceanicandAtmosphericAdministration，美国海洋大气局)

1972-1976发射NOAA-1，2，3，4，5卫星，装载了红外扫描辐射计(infraredscatteringradiometer)和微波辐射计(microwaveradiometer)，估计海表温度(seasurfacetemperature)、大气温度(atmospheretemperature)、湿度剖面(moistureprofile)。

1978NASA发射了三颗卫星，喷气动力实验室（JPL）研制的SeasatAGoddard空间飞行中心（GSFC）研制的TIROS-N和Nimbus-7卫星

3.SeasatA海洋实验卫星装载了微波辐射计SMMR

微波高度计(MicrowaveAltimeter)RA、微波散射计(MicrowaveScatterometer)SASS、合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar)SAR、可见红外辐射计VIRR5种传感器，提供的海洋信息：SST、海面高度、海面风场、海浪(seawave)、海冰、海底地形、风暴潮(stormsurges)、水汽(vapour)和降雨(precipitation)等。寿命108天，被称为卫星海洋遥感的里程碑。

TIROS-N上装载了AVHRR(高级甚高分辨率辐射计)和TIROS业务化垂直探测器TOVS.奠定了卫星海表温度进入气象、海洋业务化预报的基础。

Nimbus-7装载了7台传感器，其中多通道扫描微波辐射计SMMR和沿岸带海色扫描仪CZCS与海洋观测有关，奠定了海色卫星遥感的基础。

1978-86CZCS提供了8年的全球海色(seacolor)图像以及海洋次表层叶绿素浓度参数(parametersofoceansubsurface'schlorophyllconcentration)。

二、海洋遥感现状(Statusinquo)：

三、发展前景(Development)：

EOS计划：投入100亿美元，18年完成。1999/12/18/18：35第一颗卫星TERRA已发射上天。上面搭载5个传感器：高级空间热辐射反辐射计（ASTER），云和地球辐射能量系统(CERES)，多角光谱成像辐射仪(MISR)，中分辨光谱成像辐射仪(Modis)，对流层(troposphere)污染观测仪（MOPITT）（注：ASTER:高级空间热辐射反辐射计，采集自可见光至热红外地高分辨率（15-90m）多光谱资料，用于局部和区域过程研究。

CERES：云和地球辐射能量系统，确定云净辐射作用和地球辐射收支。

MISR：多角光谱成像辐射仪，中分辨率（275-1100m）成像观测，研究地表覆盖、气溶胶(aerosol)、云散射的角度分布特征。

Modis：中分辨光谱成像辐射仪，36波段和250-1000m的分辨率，对地球陆地、海洋和大气进行逐日综合评价。陆地覆盖特征及陆地变化、海洋生产力(oceanproduction)、陆地和海洋上气溶胶特性、可降水量、大气温度廓线、云滴尺度、云高和云顶温度探测。

MOPITT：对流层(troposphere)污染观测仪,全球三个高度层CO分布图，及分辨率(resolution)为22km全球甲烷(methane)分布图。

卫星遥感观测系统组成(ComponentsofSatelliteRemoteSensingObservationSystem)

一、卫星遥感观测系统组成(Components)：

1.空间平台(platform)：

装载传感器(sensor)的空间运载工具，包括人造卫星(man-madesatellite)

2.卫星传感器(sensor)：根据电磁辐射(electromagneticradiation)原理获取海洋信息。

3.数据传输系统(Data-transmissionsystem)：

星载传感器通常产生测量电压或频率(frequency)信号，大部分以数字信号形式传输到地面接收站。

4.地面接收站(earthstation)：

5.数据处理系统(Data-processingsystem)：对卫星轨道(satelliteorbit)和仪器校正。

6.数据分发系统(Data-distributionsystem)：行政性组织机构，将数据分到科学家手里。

二、卫星轨道(Orbit)

两种：静止轨道(stationaryorbit)和极轨轨道。

1.静止轨道：

地球同步轨道(geo-synchronousorbit)。离地面高度36000km，覆盖范围固定（事先设定），一般观测范围小于45。对某地扫描时间间隔短，可认为时间连续。传感器主要是被动式(passive)。分辨率低(lowresolution)，主要为气象服务。海洋观测卫星都是采用极轨轨道。

2.极轨轨道：与太阳同步轨道(sun-synchronousorbit)。每次过这个地方时间固定，一天两次。离地面高度600—1000km，可变轨（在轨机动），技术上一段时间进行轨道修正。运行周期100分钟左右。其相邻轨道间隔由轨道倾角和轨道高度决定，在赤道上存在某些空白区（见动画）。观测范围基本覆盖全球。同一地点采样间隔长，TOPEX是9天两次，ERS-1、2为35天两次，NOAA和TERRA每天两次。

传感器原理及海洋参数反演(PrinciplesofSensor)

一、传感器分类(Sortsofsensors)：

目前用于海洋观测的所有卫星传感器，均根据电磁辐射原理获取海洋信息。遥感技术采用的电磁波包括可见光(visible

light)、红外(infrared)、微波(microwave)。可见光谱范围在0.4—0.7μm，红外波谱在1—100μm，微波光谱在1.8cm—6m(对应波段：0.3—100GHz)。

传感器按工作方式分为主动式(active)和被动式(passive)。

1、被动式：

可见、红外扫描辐射计(radiometer)，微波辐射计(microwaveradiometer)。

2、主动式：

如微波高度计(MicrowaveAltimeter)（垂直下视）、微波散射计(MicrowaveScatterometer)（侧视）、合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar)(侧视合成）等。只有微波波段有，光源电磁波发射效率低，能量损失大，另外太阳辐射频率含盖红外、可见、紫外等频段，发射波受其影响很大。微波和激光，后者单点又造价太高。

二、传感器工作原理及海洋参数反演(Principles)

（一）被动式(passive)：辐射计工作原理是测量向上辐照度。按工作波段分可见、红外、微波等。可测表层叶绿素浓度，海洋初级生产力(primaryproduction)，悬浮物浓度、海表温度(seasurfacetemperature)、海面风速(seasurfacewindspeed)，海冰(seaice)，水汽含量等。

1、红外：

1)温度（皮温,skintemperature）、黑潮(Kuroshio)(高温)、上升流(upwelling)（低温）、中尺度涡(mesoscaleeddy)（10—100km）、ENSO、军事航天

2)AVHRR（AdvancedVeryHighResolutionRadiometer）先进甚高分辨率辐射计:测海表面温度TirosNOAA-6

2、高光谱、多光谱：

1)连续频段、多个频段扫描

2)赤潮(redtide)、溢油、冰覆盖率…

3)水色卫星：8个频道。SeaWiFS:(Sea-ViewingWideField-of-View

Senor)，第二代水色卫星，可反演叶绿素含量、海表温度(SST)、悬移质、地面植被、大气校正等

3、微波辐射计：

微波辐射计：海面温度、海面风速、大气柱水汽含量、可降水量、盐度、气温

SpecialSensorMicrowave/TemperatureSounder(SSM/T)

SpecialSensorMicrowave/WaterVaporProfiler(SSM/T2)

SpecialSensorMicrowave/Imager(SSM/I)

4、海色传感器反演海洋参数对应波段：

测海表温度：卫星SST分为海表皮温(skintemperature)（海表微米量级）和海表体温（海表0.5—1.0m层温度）。

中心波段：11μm和12μm通道，3.7μm水汽校正通道。

表层叶绿素浓度：433—453nm（纳米）（中心波段443nm），500—530nm(510、520nm)，660—680nm(670nm)。

悬浮物浓度：540—560nm(550nm)。

地面植被：700—800(750)nm。

气溶胶(Aerosol)：745—785(765)nm,845—885(865)nm。

大气校正：660—680(670)nm，745—785(765)nm,845—885(865)nm。

（二）主动式(active)：

1、微波高度计(MicrowaveAltimeter)：测时间和散射强度得到海面高度(seasurfaceheight)、后向散射系数(backscatteringcoefficient)、有效波高(significantwaveheight)、海面风速(seasurfacewindspeed)，可反演流、潮等动力参数及地球结构和重力场。

2、微波散射计(MicrowaveScatterometer)：

通过测量风引起得粗糙海面对微波的后向散射特性来推算风场(WindField)。海面风场（10m），有方向。

3、合成孔径雷达SAR(SyntheticApertureRadar)：

测海面的后向散射系数。反演波浪方向谱，内波(internalwave)，水下地形，中尺度涡(mesoscaleeddies)等。

卫星(Satellite)

NOAA(NationalOceanicandAtmosphereAdministration)系列气象卫星：携带传感器为甚高分辨率扫描辐射计AVHRR(AdvancedVeryHighResolutionRadiometer)。

1.ERS-1：沿轨迹扫描辐射计ATSR-1、高度计(Altimeter)、散射计(Scatterometer)和SAR(SyntheticApertureRadar)(C),已停用。

2.ERS-2：沿轨迹扫描辐射计ATSR-2、高度计(Altimeter)、散射计(Scatterometer)和SAR(SyntheticApertureRadar)(C)。

3.TOPEX/POSEIDON（希腊海神）：专为海洋设计，携带传感器为高度计。

4.SEASTAR：海洋宽视场传感器SEAWIFS(Sea-viewingWideField-of-ViewSensor)

5.RADARSAT：SAR(SyntheticApertureRadar)(C)