卫星海洋遥感调查

1.1.4　卫星海洋遥感调查

卫星海洋遥感(satellite ocean remote sensing)是以海洋及海岸带作为监测对象的遥感技术。包括电磁波遥感与声波遥感。海水的光学性质和海洋表面的红外、微波的波谱特征是海洋电磁遥感的物理基础。卫星海洋遥感是以卫星平台观测和研究海洋的分支学科，属于多学科交叉的新兴学科，其内容涉及物理学、海洋学和信息学科，并与空间技术、光电子技术、微波技术、计算机技术、通信技术密切相关。卫星遥感技术的广泛应用是20世纪后期海洋科学取得重大进展的关键之一。这一信息获取技术方面的突破，为海洋观测、研究与开发揭开了崭新的一页。

由于海水的光学性质(如水色)与海水中的物质成分相关，通过水色测量可以确定海水中的叶绿素、悬浮泥沙、污染物等的浓度;蓝、绿光波段对海水有一定的穿透作用，利用可见光摄影、扫描和激光测深，可以测量浅海海底地貌和岛礁;海洋表面的红外、微波的反射特征和微波的散射特征，与海水温度、油膜覆盖厚度、盐度、表面粗糙度、泡沫与海水覆盖面积等因素有关，利用高度计、微波辐射计、红外辐射计、水色扫描仪、微波散射计、合成孔径雷达等遥感器，可以探测海洋温度、海流、海冰、海面风与风速、波浪、油墨污染、盐度等性质与现象。海水是良好的传声介质，利用声波在海水中的传播原理，探测水下特征的技术称为声波遥感。声波遥感主要用于海洋动力学、海洋天气与气候、渔业研究以及海洋服务和污染监测，使遥感的范围从海洋表面延伸到整个大洋水体。卫星海洋遥感在海洋物理过程和海洋生态监测、海洋资源的开发、利用和管理中发挥着愈来愈重要的作用。

20世纪60年代，第一部海洋遥感专著的出版标志着空间海洋学的诞生。1978年，美国连续发射了3颗用于海洋观测的卫星:Seasat-A，Tiros-N和Nimbus-7，形成了卫星海洋学历史上的第一次高潮。迄今为止，国际上已先后发射了十多个系列的数十颗可用于海洋观测的卫星。90年代以来，以SeaW IFS，TOPEX/Poseidon，ERS-1，2和Radarsat等为代表的系列海洋卫星从数量到传感器的综合探测能力都有了飞速发展，卫星海洋遥感的重点明显地由实验型转向业务化，并开始进入社会生活的各个方面，从而形成其发展史上的第二次高潮。

用于海洋遥感的卫星传感器分为两大类，即被动型(passive remote sensing)和主动型(active remote sensing)。前者亦称无源雷达，是接收太阳光的反射或目标自身辐射电磁波的遥感方式。被动式遥感工作在紫外、可见光、红外、微波等波段。主要仪器有摄影机、扫描仪、分光计和辐射计等。被动遥感在航空、航天遥感中占有很重要的地位，其中使用最多的是光学成像手段，但必须依赖太阳照射和目标自身的辐射。后者亦称有源遥感，是遥感器在遥感平台上向被探测目标发射一定波长的电磁波并接收目标回波信号的遥感方式。其主要使用激光和微波作为照射源，有激光雷达、激光高度计、激光散射计、微波高度计、微波散射计、真实孔径侧视雷达和合成孔径雷达等遥感器，不受天气和太阳照射的影响。

海洋卫星遥感在海洋大范围调查中扮演着重要的角色，海洋卫星遥感系统包括遥感平台和遥感传感器、地面接收和预处理系统、海洋卫星资料的反演和信息管理、分析及应用系统。下面分别予以介绍。

1.遥感平台和遥感传感器

遥感平台即遥感中搭载遥感器的运载平台。按照高度可分为地面平台、航空平台和航天平台三大类。卫星海洋遥感中多采用航天平台。航天平台包括卫星、载人飞船、太空站和航天飞机等超过大气层的航天飞行器及探空火箭。下面以卫星平台为例，说明遥感平台的轨道情况。

卫星轨道参数是描述卫星运行轨道的各种参数，它决定了卫星遥感的方式。对于地球卫星来说，独立的轨道参数有6个，即轨道半长轴a、偏心率e、轨道倾角i、升交点赤经h(轨道上由南向北自春分点到升交点的弧长)、近地点幅角θ(轨道面内近地点与升交点之间的地心角)和过近地点时刻t(以近地点为基准表示轨道面内卫星位置的量)。习惯上常用轨道高度、轨道倾角和轨道周期来描述。轨道高度是指太空飞行器在太空绕地球运行的轨道距地球表面的高度。

按照轨道高度，可将人造卫星分为低轨、中轨和高轨卫星三类。低轨卫星可获得大比例尺、高分辨率遥感影像，但寿命短;中轨卫星寿命可达一年以上，适用各种环境和资源遥感;高轨卫星沿赤道绕地球运行的周期约为24小时，与地球自转速度相同，被称为地球同步卫星。其寿命长达数年，能获得圆盘形全球影像，对气象分析十分有利。此外，它也适用于地面动态监测，如监测火山、大面积的洪水和森林火灾等。

轨道倾角i指卫星轨道平面与赤道平面的夹角，用以确定卫星轨道面在太空中的位置。当卫星绕地球转动的方向与地球自转方向一致(自西向东)时，轨道倾角为0°～90°;反之，则为90°～180°。当倾角为0°时，卫星轨道面与赤道面重合，此时的轨道称为“赤道轨道”;当倾角约为90°时，卫星轨道面与赤道面相互垂直，称为“极地轨道”。除上述两种轨道外，均称为“倾斜轨道”。轨道倾角的大小决定了卫星对地面观测的范围，倾角愈接近90°，卫星能观察到的区域愈大。

卫星轨道周期T表示卫星在轨道上绕地球运行一周所需要的时间，其长短与轨道高度有关，轨道长半轴愈长，周期也愈长，反之亦然。

卫星轨道由于形状不同可分为地球同步轨道、太阳同步轨道和回归轨道与准回归轨道。地球同步轨道能够长期观测特定的地区，并能将大范围的区域同时收入视野，因此被广泛应用于气象卫星和通信卫星中;太阳同步轨道是指卫星轨道的公转方向及其周期与地球公转方向及其周期相等的转道，采用这种轨道，在圆轨道情况下卫星每天沿同一方向上通过，同一纬度地面点地方时相同，因此，太阳光的入射角几乎是固定的，这对于利用太阳反射光的被动式遥感器来说就具有了观测条件固定的优点。卫星一天绕地球若干圈，并不回到原来的轨道，每天都有一定的推动，N天之后又回到原来轨迹的轨道，这样的轨道称为回归日数为N天的“回归轨道”;准回归轨道是指在卫星绕地球N圈后，与原来的轨迹位置偏差小于成像带宽度。这些轨道的特点是能对地球表面特定地区进行重复观测，是遥感卫星常用的轨道。

遥感器是指接收目标辐射或反射电磁波信息的仪器，也称传感器。目前用于海洋观测的所有卫星遥感器，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、红外、微波。其中，可见光谱范围在0.4～0.7μm，红外波谱在1～100μm，微波波段在0.3～100μm。传感器按工作方式可分为主动式和被动式。被动式传感器如可见红外扫描辐射计、微波辐射计等;主动式传感器如微波高度计、微波散射计、合成孔径雷达等。目前用于海洋研究的卫星传感器主要有:

①海色传感器。主要用于探测海洋表层叶绿素浓度、悬移质浓度、海洋初级生产力、漫射衰减系数以及其他海洋光学参数。

②红外传感器。主要用于测量海表温度。

③微波高度计。主要用于测量平均海平面高度、大地水准面、有效波高、海面风速、表层流、重力异常、降雨指数等。

④微波散射计。主要用于测量海面10 m处风场。

⑤合成孔径雷达。主要用于探测波浪方向谱、中尺度涡旋、海洋内波、浅海地形、海面污染以及海表特征信息等。

⑥微波辐射计。主要用于测量海面温度、海面风速以及海冰水汽含量、降雨、CO₂海气交换等。

2.地面接收和预处理系统

星载传感器通常产生测量电压或频率信号，然后进行数据编码。大部分情况下以数字信号的形式传输到地面接收站。在采用二进制编码中，一般用0～255对或0～1023对或0～2047对辐射扫描数据进行数字化处理，每个像元要求8 bit、10 bit或12 bit。由于海洋信息往往比陆地低许多，因此，对于专为海洋应用的传感器，可将数字化数据的最大值和最小值限定在一定范围内，在给定数据传输率的条件下，提高传感器的输出准确度。对于非扫描式传感器，由于其测量频率较低，可以在提高数据传输率的同时，尽可能提高数据分辨率。对于扫描式传感器，其数据几乎是连续产生的，则须在采样率、数字化间隔及数据传输率之间求得平衡。一般情况下传感器自身还产生少量校准信号，例如标准黑体信号，可使传感器的输出能够精确地加以校正。此外，卫星还提供相关的位置、方位、环境参数以及电源本身的辅助信息。在设计数模控制器时，产生一个与某一固定输入电压相对应的数字化数据作为测试扫描信号的校准数据。在扫描传感器中，每个扫描数列都配有这种校准数据。这些信号都随数据流一起传输到地面接收站。

以NOAA为例，卫星地面接收站遍及各地和各部门，在中国和国际上有许多产品。NOAA卫星地间接收站如图1-8所示。相对来说，其价格较低。值得一提的是，出于海洋是动态环境，原则上所有数据都应归档，因此，卫星海洋遥感的数据存档对数据库、图像库、海洋GIS的研究提出了新课题。

3.海洋卫星资料的反演

所谓卫星资料的反演，是指从卫星原始数据获得定量海洋环境参数的数学物理方法，即从电磁场到物质性质或地球物理性质的逆运算。被动遥感(可见、红外、微波)的反演问题，主要是消除信息传输过程中海洋/大气的影响。主动遥感(微波为主)的反演问题，主要是从微波与海面相互作用中提取海洋信息。

海洋信息往往比陆地信息小2～3个量级，并且海洋属于动态环境，因此，海洋卫星资料的反演问题更为复杂和重要。反演方法有准解析、数值模拟、统计回归或以上几种的结合。反演方法和模式有适用于全球的，也有适用于区域的。后者一般比前者有高的反演精度。

4.信息管理、分析及应用系统

海洋地理信息系统(GIS)是一门介于信息科学、空间科学和地球科学之间的交叉学科和新技术学科，是空间数据处理与计算机技术相结合的产物。海洋地理信息指与研究对象空间地理分布有关的信息，它表示物体与环境固有的数量、质量、分布特性的联系和规律。地理信息系统是采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间地理分布有关的数据的系统。利用海洋GIS系统，可以对海洋遥感数据、反演结果等信息进行有机的存储管理，并实现信息的查询检索;结合其他辅助信息以及系统的分析运算功能，进行信息的综合分析和应用，并生成各种海洋遥感信息产品输出。

图1-8　NOAA卫星

卫星海洋遥感海洋调查具有如下优点:

①可大面积同步测量，且具有很高或较高的空间分辨率。可满足区域海洋学研究乃至全球变化研究的需求。

②可满足动态观测和长期监测的需求。

③具有实时性或准实时性。可满足海洋动力学观测和海洋环境预报的需求。目前，卫星对于同一海域的观测时间间隔为0.5 h至1月。

④卫星资料不仅具有大面积同步测量的特点，同时具有自动求面积平均值的特点，尤其适用于数值模型的检验和改进。

⑤卫星观测可以涉足船舶、浮标不易抵达的海区。