第十一章 海洋遙感(OceanicRemoteSensing)

概述（Summary）

一、海洋遙感及空間海洋觀測歷史背景(Backgroundofremotesensingandspatialoceanobservation)：

1.1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星(man-madesatellite)。

1960年NASA（NationalAeronauticsandSpaceAdministration，美國宇航局）發(fā)射了第一顆電視與紅外(infrared)觀測衛(wèi)星。

1961年美國水星(Aqua)計(jì)劃。

1973年Skylab證實(shí)了可見光(visiblelight)和近紅外(nearinfrared)遙感對地球連續(xù)觀測的能力。

1975年GEOS-3衛(wèi)星高度計(jì)(SatelliteAltimeter)。

2.NOAA(NationalOceanicandAtmosphericAdministration，美國海洋大氣局)

1972-1976發(fā)射NOAA-1，2，3，4，5衛(wèi)星，裝載了紅外掃描輻射計(jì)(infraredscatteringradiometer)和微波輻射計(jì)(microwaveradiometer)，估計(jì)海表溫度(seasurfacetemperature)、大氣溫度(atmospheretemperature)、濕度剖面(moistureprofile)。

1978NASA發(fā)射了三顆衛(wèi)星，噴氣動力實(shí)驗(yàn)室（JPL）研制的SeasatAGoddard空間飛行中心（GSFC）研制的TIROS-N和Nimbus-7衛(wèi)星

3.SeasatA海洋實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星裝載了微波輻射計(jì)SMMR

微波高度計(jì)(MicrowaveAltimeter)RA、微波散射計(jì)(MicrowaveScatterometer)SASS、合成孔徑雷達(dá)(SyntheticApertureRadar)SAR、可見紅外輻射計(jì)VIRR5種傳感器，提供的海洋信息：SST、海面高度、海面風(fēng)場、海浪(seawave)、海冰、海底地形、風(fēng)暴潮(stormsurges)、水汽(vapour)和降雨(precipitation)等。壽命108天，被稱為衛(wèi)星海洋遙感的里程碑。

TIROS-N上裝載了AVHRR(高級甚高分辨率輻射計(jì))和TIROS業(yè)務(wù)化垂直探測器TOVS.奠定了衛(wèi)星海表溫度進(jìn)入氣象、海洋業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。

Nimbus-7裝載了7臺傳感器，其中多通道掃描微波輻射計(jì)SMMR和沿岸帶海色掃描儀CZCS與海洋觀測有關(guān)，奠定了海色衛(wèi)星遙感的基礎(chǔ)。

1978-86CZCS提供了8年的全球海色(seacolor)圖像以及海洋次表層葉綠素濃度參數(shù)(parametersofoceansubsurface'schlorophyllconcentration)。

二、海洋遙感現(xiàn)狀(Statusinquo)：

三、發(fā)展前景(Development)：

EOS計(jì)劃：投入100億美元，18年完成。1999/12/18/18：35第一顆衛(wèi)星TERRA已發(fā)射上天。上面搭載5個傳感器：高級空間熱輻射反輻射計(jì)（ASTER），云和地球輻射能量系統(tǒng)(CERES)，多角光譜成像輻射儀(MISR)，中分辨光譜成像輻射儀(Modis)，對流層(troposphere)污染觀測儀（MOPITT）（注：ASTER:高級空間熱輻射反輻射計(jì)，采集自可見光至熱紅外地高分辨率（15-90m）多光譜資料，用于局部和區(qū)域過程研究。

CERES：云和地球輻射能量系統(tǒng)，確定云凈輻射作用和地球輻射收支。

MISR：多角光譜成像輻射儀，中分辨率（275-1100m）成像觀測，研究地表覆蓋、氣溶膠(aerosol)、云散射的角度分布特征。

Modis：中分辨光譜成像輻射儀，36波段和250-1000m的分辨率，對地球陸地、海洋和大氣進(jìn)行逐日綜合評價(jià)。陸地覆蓋特征及陸地變化、海洋生產(chǎn)力(oceanproduction)、陸地和海洋上氣溶膠特性、可降水量、大氣溫度廓線、云滴尺度、云高和云頂溫度探測。

MOPITT：對流層(troposphere)污染觀測儀,全球三個高度層CO分布圖，及分辨率(resolution)為22km全球甲烷(methane)分布圖。

衛(wèi)星遙感觀測系統(tǒng)組成(ComponentsofSatelliteRemoteSensingObservationSystem)

一、衛(wèi)星遙感觀測系統(tǒng)組成(Components)：

1.空間平臺(platform)：

裝載傳感器(sensor)的空間運(yùn)載工具，包括人造衛(wèi)星(man-madesatellite)

2.衛(wèi)星傳感器(sensor)：根據(jù)電磁輻射(electromagneticradiation)原理獲取海洋信息。

3.數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(Data-transmissionsystem)：

星載傳感器通常產(chǎn)生測量電壓或頻率(frequency)信號，大部分以數(shù)字信號形式傳輸?shù)降孛娼邮照尽?/p>

4.地面接收站(earthstation)：

5.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(Data-processingsystem)：對衛(wèi)星軌道(satelliteorbit)和儀器校正。

6.數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)(Data-distributionsystem)：行政性組織機(jī)構(gòu)，將數(shù)據(jù)分到科學(xué)家手里。

二、衛(wèi)星軌道(Orbit)

兩種：靜止軌道(stationaryorbit)和極軌軌道。

1.靜止軌道：

地球同步軌道(geo-synchronousorbit)。離地面高度36000km，覆蓋范圍固定（事先設(shè)定），一般觀測范圍小于45。對某地掃描時間間隔短，可認(rèn)為時間連續(xù)。傳感器主要是被動式(passive)。分辨率低(lowresolution)，主要為氣象服務(wù)。海洋觀測衛(wèi)星都是采用極軌軌道。

2.極軌軌道：與太陽同步軌道(sun-synchronousorbit)。每次過這個地方時間固定，一天兩次。離地面高度600—1000km，可變軌（在軌機(jī)動），技術(shù)上一段時間進(jìn)行軌道修正。運(yùn)行周期100分鐘左右。其相鄰軌道間隔由軌道傾角和軌道高度決定，在赤道上存在某些空白區(qū)（見動畫）。觀測范圍基本覆蓋全球。同一地點(diǎn)采樣間隔長，TOPEX是9天兩次，ERS-1、2為35天兩次，NOAA和TERRA每天兩次。

傳感器原理及海洋參數(shù)反演(PrinciplesofSensor)

一、傳感器分類(Sortsofsensors)：

目前用于海洋觀測的所有衛(wèi)星傳感器，均根據(jù)電磁輻射原理獲取海洋信息。遙感技術(shù)采用的電磁波包括可見光(visible

light)、紅外(infrared)、微波(microwave)?？梢姽庾V范圍在0.4—0.7μm，紅外波譜在1—100μm，微波光譜在1.8cm—6m(對應(yīng)波段：0.3—100GHz)。

傳感器按工作方式分為主動式(active)和被動式(passive)。

1、被動式：

可見、紅外掃描輻射計(jì)(radiometer)，微波輻射計(jì)(microwaveradiometer)。

2、主動式：

如微波高度計(jì)(MicrowaveAltimeter)（垂直下視）、微波散射計(jì)(MicrowaveScatterometer)（側(cè)視）、合成孔徑雷達(dá)(SyntheticApertureRadar)(側(cè)視合成）等。只有微波波段有，光源電磁波發(fā)射效率低，能量損失大，另外太陽輻射頻率含蓋紅外、可見、紫外等頻段，發(fā)射波受其影響很大。微波和激光，后者單點(diǎn)又造價(jià)太高。

二、傳感器工作原理及海洋參數(shù)反演(Principles)

（一）被動式(passive)：輻射計(jì)工作原理是測量向上輻照度。按工作波段分可見、紅外、微波等?？蓽y表層葉綠素濃度，海洋初級生產(chǎn)力(primaryproduction)，懸浮物濃度、海表溫度(seasurfacetemperature)、海面風(fēng)速(seasurfacewindspeed)，海冰(seaice)，水汽含量等。

1、紅外：

1)溫度（皮溫,skintemperature）、黑潮(Kuroshio)(高溫)、上升流(upwelling)（低溫）、中尺度渦(mesoscaleeddy)（10—100km）、ENSO、軍事航天

2)AVHRR（AdvancedVeryHighResolutionRadiometer）先進(jìn)甚高分辨率輻射計(jì):測海表面溫度TirosNOAA-6

2、高光譜、多光譜：

1)連續(xù)頻段、多個頻段掃描

2)赤潮(redtide)、溢油、冰覆蓋率…

3)水色衛(wèi)星：8個頻道。SeaWiFS:(Sea-ViewingWideField-of-View

Senor)，第二代水色衛(wèi)星，可反演葉綠素含量、海表溫度(SST)、懸移質(zhì)、地面植被、大氣校正等

3、微波輻射計(jì)：

微波輻射計(jì)：海面溫度、海面風(fēng)速、大氣柱水汽含量、可降水量、鹽度、氣溫

SpecialSensorMicrowave/TemperatureSounder(SSM/T)

SpecialSensorMicrowave/WaterVaporProfiler(SSM/T2)

SpecialSensorMicrowave/Imager(SSM/I)

4、海色傳感器反演海洋參數(shù)對應(yīng)波段：

測海表溫度：衛(wèi)星SST分為海表皮溫(skintemperature)（海表微米量級）和海表體溫（海表0.5—1.0m層溫度）。

中心波段：11μm和12μm通道，3.7μm水汽校正通道。

表層葉綠素濃度：433—453nm（納米）（中心波段443nm），500—530nm(510、520nm)，660—680nm(670nm)。

懸浮物濃度：540—560nm(550nm)。

地面植被：700—800(750)nm。

氣溶膠(Aerosol)：745—785(765)nm,845—885(865)nm。

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

（二）主動式(active)：

1、微波高度計(jì)(MicrowaveAltimeter)：測時間和散射強(qiáng)度得到海面高度(seasurfaceheight)、后向散射系數(shù)(backscatteringcoefficient)、有效波高(significantwaveheight)、海面風(fēng)速(seasurfacewindspeed)，可反演流、潮等動力參數(shù)及地球結(jié)構(gòu)和重力場。

2、微波散射計(jì)(MicrowaveScatterometer)：

通過測量風(fēng)引起得粗糙海面對微波的后向散射特性來推算風(fēng)場(WindField)。海面風(fēng)場（10m），有方向。

3、合成孔徑雷達(dá)SAR(SyntheticApertureRadar)：

測海面的后向散射系數(shù)。反演波浪方向譜，內(nèi)波(internalwave)，水下地形，中尺度渦(mesoscaleeddies)等。

衛(wèi)星(Satellite)

NOAA(NationalOceanicandAtmosphereAdministration)系列氣象衛(wèi)星：攜帶傳感器為甚高分辨率掃描輻射計(jì)AVHRR(AdvancedVeryHighResolutionRadiometer)。

1.ERS-1：沿軌跡掃描輻射計(jì)ATSR-1、高度計(jì)(Altimeter)、散射計(jì)(Scatterometer)和SAR(SyntheticApertureRadar)(C),已停用。

2.ERS-2：沿軌跡掃描輻射計(jì)ATSR-2、高度計(jì)(Altimeter)、散射計(jì)(Scatterometer)和SAR(SyntheticApertureRadar)(C)。

3.TOPEX/POSEIDON（希臘海神）：專為海洋設(shè)計(jì)，攜帶傳感器為高度計(jì)。

4.SEASTAR：海洋寬視場傳感器SEAWIFS(Sea-viewingWideField-of-ViewSensor)

5.RADARSAT：SAR(SyntheticApertureRadar)(C)