第一章 绪论 - 海洋遥感

海洋遥感龚绍haoqigong@163.com2/5/2023教学目的理解海洋遥感的基本概念、物理基础、技术体系和应用方法；了解主要海洋卫星传感器遥感平台特点、技术参数和主要用途；重点掌握海洋水色遥感原理、反演算法和应用流程；重点掌握海洋表面温度遥感原理、反演算法和应用流程；了解其它海洋参数遥感反演原理和方法。2/5/2023推荐阅读书目刘良明主编，卫星海洋遥感导论，武汉大学出版社，2005刘光玉主编，卫星海洋学，高等教育出版社，2009马荣华主编，湖泊水环境遥感，科学出版社，2010恽才兴等，海岸带及近海卫星遥感综合应用技术，海洋出版社，2005李云梅主编，太湖水体光学特性及水色遥感，科学出版社，2010SeelyeMartin著，蒋兴伟等译，海洋遥感导论，海洋出版社，20082/5/2023总目录第一章绪论第二章海洋遥感原理与基础第三章海洋遥感卫星与传感器第四章海洋水色遥感第五章海洋表面温度遥感第六章其它海洋参数的遥感反演2/5/2023第一章绪论海洋遥感的概念海洋遥感的特点海洋遥感的意义海洋遥感的发展趋势海洋遥感的应用2/5/20231.1海洋遥感的概念海洋遥感：指以海洋及海岸带作为监测和研究对象，利用电磁波与大气和海洋的相互作用原理来观测和研究海洋的遥感技术。两方面内涵：遥感的海洋学解释（各种海洋环境参量的反演机制和信息提取方法研究）和遥感的海洋学应用（遥感资料在海洋学各个具体研究领域的应用）。（1）基本概念2/5/20231.1海洋遥感的概念（2）研究内容●海洋遥感原理和方法：遥感信息形成机制、各种波段电磁波（可见光、红外和微波）在大气和海洋介质中传输规律、以及海洋波谱特征。●海洋信息提取方法：与海洋参数相关的物理模型、遥感资料反演海洋参数的算法、遥感图像处理方法和海洋学的解释、遥感数据与常规海洋数据在各类海洋模式中的同化和融合。2/5/20231.1海洋遥感的概念（2）研究内容●海洋卫星传感器的最佳设计和工作模式：光谱波段和微波频率的选择、光谱分辨率和空间分辨率、观测周期和扫描方式、传感器噪声水平等。●遥感数据在海洋学应用：遥感反演的参数在海洋天气和海况预报、全球气侯变化和厄尔尼诺现象监测、海洋环境监测和保护、海洋资源的开发和利用、海洋带测绘等方面有着广泛的应用。2/5/20231.1海洋遥感的概念物理海洋学遥感：如海面温度、海浪谱、海风矢量、全球海平面变化等；生物海洋学遥感：如对海洋浮游植物生物量、海洋初级生产力、海洋DOC遥感等；化学海洋学遥感：如对海洋悬浮泥沙浓度、黄色物体、叶绿素浓度等的监测、海面溢油监测、海冰监测、海洋其它污染监测等；（2）研究内容–涉及具体应用领域2/5/20231.1海洋遥感的概念海洋遥感涉及到物理学、海洋学和信息科学等多种学科，并与空间技术、光电子技术、计算机技术、通讯技术密切相关。需要形成一套从海洋光谱分析到海洋现象自动识别等过程完整的理论与方法。（3）涉及的相关学科2/5/20231.2海洋遥感的特点全天候全天时探测半球或全球范围内探测定性、定量探测光谱波段细、探测器接收灵敏

2/5/20231.3海洋遥感的意义（1）海洋气候环境监测的需要●海洋占全球面积约71%，海洋是全球气候环境变化系统中不可分割的重要部分；●厄尔尼诺、拉尼娜、热带气旋、大洋涡流、上升流、海冰等现象都与海洋密切相关。2/5/20231.3海洋遥感的意义●海洋是人类最大的资源宝库，是全球生命支持系统的基本组成部分，海洋资源的重要性促使人们采用各种手段对其进行调查研究；●海岸带是人类赖以生存和进行生产活动的重要场所，海岸带资源的相关调查对于沿海资源的合理开发与利用非常重要。（2）海洋资源调查的需要2/5/20232/5/2023海洋遥感综合用于渔场寻找2/5/20231.3海洋遥感的意义（3）海洋遥感在海洋研究中的重要性

常规的海洋调查依赖于调查船沿设定航线的“稀疏”取样。虽然定位样点测量准确，但在规模、范围、频度上很受限制。海洋环境的进入性与通达性较差；近海和海岸环境复杂多变，难以进行多变量同步控制观测；海岸环境变化周期长、信息量大，难以取得理想的可控制数据，在实时处理上也有很大困难。2/5/20231.3海洋遥感的意义（3）海洋遥感在海洋研究中的重要性因此，常规的海洋调查不可能全面、深刻地认识海洋现象，也不可能掌握全球大洋尺度的过程和变化规律。由此，在海洋资源开发全球性环境变化监测、海洋权益的维护及沿海地区的综合开发和管理上，都需要有一种新的海洋观测技术替代或补充传统的常规海洋调查方法。2/5/20231.3海洋遥感的意义（3）海洋遥感在海洋研究中的重要性

海洋遥感具有大范围、实时同步、全天时、全天候多波段成像技术的优势可以快速地探测海洋表面各物理量的时空变化规律。它是20世纪后期海洋科学取得重大进展的关键学科之一。其重要性体现在：是海洋科学的一个新的分支学科；为海洋观测和研究提供了一个崭新的数据集，并开辟了新的考虑问题的视角；多传感器资料可推动海洋科学交叉学科研究的发展。2/5/20231.4海洋遥感的发展与趋势起步阶段探索阶段海洋卫星与传感器的试验阶段应用研究和业务使用阶段1.发展回顾-经历了4个主要阶段2/5/20231.经历的4个主要阶段-起步阶段1957年苏联发射的第一颗人造地球卫星1960年4月1日，NASA发射了第一颗气象卫星TIROS-Ⅰ，其热红外图像能够显示无云海区表面温度信息。随后发射的TIROS-Ⅱ卫星，开始涉及海温观测1961年美国执行水星计划，宇航员有机会在高空亲眼观察海洋Gemini与Apollo宇宙飞船获得大量的彩色图象以及多光谱图像主要试验目的是空间技术，但它展现了从卫星观测和研究海洋的潜力1.4海洋遥感的发展与趋势2/5/20231.经历的4个主要阶段–探索阶段1969年NASA在Williams大学召开研讨会，推动了1973年Skylab航天器和1975年GEOS-3卫星高度计的发展美国海洋大气局（NOAA）在1970年1月发射改进型TIROS卫星，在1972-1976年发射NOAA-1,2,3,4,5卫星利用陆地和气象卫星探测海洋NASA研制了一系列高分辨率多光谱扫描仪，装载在Landsat系列卫星上，提供了有关河口和海岸水域的海色及浑浊度信息。1.4海洋遥感的发展与趋势2/5/20231.经历的4个主要阶段–探索阶段

这个阶段主要是利用气象卫星和陆地卫星进行海洋探测，但气象卫星和陆地卫星不能完全替代海洋卫星。气象卫星和陆地卫星的探测器主要为光学探测器，不能替代海洋动力环境卫星和地形卫星，因为后者主要采用微波探测器；即使气象、陆地和海洋水色卫星都采用光学探测器，但是前两者与后者还存在很大差别：波段设置不同（光谱分辨率）、灵敏度和精确度不同（后者需要定量）、观测方式不同（海洋卫星要求观测时间为上午，且观测时沿轨倾斜约0～20度可调）。1.4海洋遥感的发展与趋势2/5/20231.经历的4个主要阶段

–卫星与传感器的试验阶段（1978-1984）1.4海洋遥感的发展与趋势1978年NASA发射了三颗与海洋遥感有关的卫星：喷气动力实验室（JPL）研制的SeasatA

卫星，Goddard空间飞行中心（GSFC）研制的TIROS-N和Nimbus-7卫星。

SeasatA是第一颗海洋实验卫星，装载了微波辐射计、微波高度计、微波散射计、合成孔径雷达、可见红外辐射计5种传感器。可提供海表温度、海面高度、海面风场、海浪、海冰、海底地形、风暴潮、水汽和降雨等。但因电源故障，仅运行了108天，却获得极其宝贵的大量的海洋信息，被称为卫星海洋遥感的里程碑。2/5/2023

TIROS-N星上装载甚高分辨扫描辐射计(AVHRR)、业务化垂直探测器(TOVS)和数据收集平台系统(DCS)。TIROS-N奠定了卫星海表温度进入气象、海洋业务化预报的基础。实际上是NOAA-6及其后NOAA极轨系列卫星的样机。

Nimbus-7（雨云卫星）装载了7台传感器，其中多通道扫描微波辐射计和沿岸带海色扫描仪CZCS与海洋观测有关。CZCS专用于海色测量，它奠定了海色卫星遥感的基础。1978-1986年间CZCS提供了8年的全球海色图象以及海洋次表层叶绿素浓度参数。1.4海洋遥感的发展与趋势1.经历的4个主要阶段

–卫星与传感器的试验阶段（1978-1984）2/5/20231.经历的4个主要阶段

–应用研究和业务使用阶段（1985至今）在此阶段，发射了多颗海洋卫星，并在其它卫星上搭载海洋探测器，开展了卓有成效的海洋遥感应用研究。

尤其是进入20世纪90年代以来，发射的海洋卫星及应用于海洋探测的遥感器越来越多，精度也越来越高，应用水平越来越趋近于业务化。1.4海洋遥感的发展与趋势2/5/2023海洋卫星的发射情况2/5/20232.我国海洋遥感的发展1.4海洋遥感的发展与趋势–我国卫星与传感器发展历程–我国海洋卫星数据处理与应用发展历程–我国海洋遥感技术与国际先进水平的差距2/5/20232.我国海洋遥感的发展–卫星与传感器发展历程（1）70年代末开始接收美国1979年发射的气象卫星系列TIROS-N和1981年发射的NOAA-6,7卫星的数据作为遥感试验资料，但真正投入业务运行是80年代中期（海监飞机也有应用）；（2）1988和1990年，中国分别发射了FY-1A和FY-1B卫星，各配置2个海洋水色通道，开始用自己的卫星进行海洋监测。1999年5月发射的FY-1C和2002年3月发射的FY-1D，带有3个专用海洋水色波段；2008年5月和2010年11月发射的FY-3A/B带有20通道MERSI(6-14)。1.4海洋遥感的发展与趋势2/5/2023（3）1997年6月发射的FY-2A和2000年6月发射的FY-2B，利用单通道热红外波段获得洋面温度；2004年发射的FY-2C和2006年12月发射的FY-2D扩展到分裂窗波段。（4）2002年5月15日发射了我国第一颗海洋水色探测卫星HY-1A卫星，2007年4月11日发射了HY-1B星，搭载了CCD和COCTS。（5）2011年8月16日我国第一颗海洋动力环境卫星HY-2发射成功，装载雷达高度计、微波散射计、扫描微波辐射计和校正微波辐射计、轨道测量设备-星载多普勒无线电定轨定位系统DORIS、双频GPS和激光测距仪。2.我国海洋遥感的发展–卫星与传感器发展历程1.4海洋遥感的发展与趋势2/5/20232.我国海洋遥感的发展–数据处理与应用发展历程（1）在发展海洋卫星的同时，已初步建成了包括卫星资料接收、处理、分发和应用的海洋光学遥感系统（国家卫星海洋应用中心，北京；海洋水色卫星HY-1、MODIS系列地面站，北京、三亚；SeaWiFS、FY-1和NOAA系列地面站，杭州；等等）（2）大力发展海洋遥感数据的预处理技术；（3）通过“八五”到“十五”的研究，在合成孔径雷达、高度计、散射计和辐射计等微波遥感器的研制，卫星资料处理技术，海洋工程、赤潮和溢油等方面的应用取得较大进展。1.4海洋遥感的发展与趋势2/5/20232.我国海洋遥感的发展–数据处理与应用发展历程美国SeaDAS软件处理海洋二所软件处理我国发展的海洋遥感大气校正技术1.4海洋遥感的发展与趋势2/5/20232.我国海洋遥感的发展–数据处理与应用发展历程我国HY-1BCOCTS9波段条带噪声去除技术1.4海洋遥感的发展与趋势2/5/2023（1）基础研究落后主要表现在海洋光谱特性的测量与研究相对滞后（2）海洋遥感资料相对缺乏专门为海洋遥感设计的传感器较少，与美国等先进国家比，海洋微波遥感有10~15年的差距。2.我国海洋遥感的发展–与国际先进水平的差距1.4海洋遥感的发展与趋势2/5/2023（3）海洋遥感技术发展缓慢美国SeaStar卫星的SeaWiFS遥感器的辐射精度为5%，我国目前发射的水色遥感器要求达到的辐射测量精度为7%~10%；水色遥感处于国际先进水平，但在微波遥感卫星资料处理方面还停留在利用国外遥感预处理半成品进行再加工研究阶段，尚不具备以业务应用为目的的微波遥感批处理能力，更谈不上高精度的定量分析。2.我国海洋遥感的发展–与国际先进水平的差距1.4海洋遥感的发展与趋势2/5/20233.海洋遥感的发展展望–总体

（1）建立以海洋卫星为主导的立体海洋监测体系

发展包括可见光、红外和微波遥感器，单一功能和综合功能的空间平台，形成以海洋卫星为主导的立体海洋监测体系（美国、日本、俄罗斯在这方面走在了前列）。1.4海洋遥感的发展与趋势2/5/2023立体海洋监测系统2/5/20233.海洋遥感的发展展望–总体

（2）海洋遥感监测技术的精确化与定量化提高遥感观测仪器的分辨率，解决精度问题;加强基础研究，深入了解海水及水中物质的电磁波特性；以已有的高精度常规观测资料为基础，对遥感资料进行准确处理；利用不同遥感器的信息，通过“殊途同归”的思路提高数据处理精度。1.4海洋遥感的发展与趋势2/5/20233.海洋遥感的发展展望-总体（3）海洋遥感信息系统的建设即海洋GIS的建设，要具有搜集、处理、集成和分发海洋遥感和其他有关数据的功能，使人们能充分自如地接收海洋遥感信息系统提供的遥感信息产品服务。如：美国环境科学研究所开发了溢油和有毒物质应急系统；加拿大利用NOAA卫星AVHRR资料建立了近海水域监测系统，海冰立体监测网和预警信息系统。1.4海洋遥感的发展与趋势2/5/2023海洋遥感信息系统的建设海洋遥感数据管理系统建设总体技术流程2/5/20233.海洋遥感的发展展望–总体（4）小卫星海洋遥感技术小卫星海洋遥感可以提供低成本、高分辨率、立体、多时相、多波段以及高光谱的海洋与海岸带的信息，在海洋水色研究、渔业资源的探测和指导渔业生产方面有着明显的优势。1.4海洋遥感的发展与趋势2/5/2023（1）建立稳定运行的海洋卫星体系发展微波探测器和光学遥感器并举的海洋遥感器、大小卫星平台、大小运载工具以及卫星精密测轨与定位技术等，实现海洋卫星的系列化、业务化，形成长期、稳定、连续运行的海洋监测体系，逐步发展以海洋卫星为主导的立体海洋监测网。3.海洋遥感的发展展望–具体到我国1.4海洋遥感的发展与趋势2/5/20233.海洋遥感的发展展望–具体到我国1.4海洋遥感的发展与趋势我国海洋卫星的发展计划：海洋水色环境（HY-1）卫星系列用于获取我国近海和全球海洋水色水温及海岸带动态变化信息，遥感载荷为COCTS和CCD。海洋动力环境（HY-2）卫星系列用于全天时、全天候获取我国近海和全球范围的海面风场、海面高度、有效波高与海面温度等海洋动力环境信息，遥感载荷包括微波散射计、雷达高度计和微波辐射计等。海洋雷达（HY-3）卫星系列用于全天时、全天候监视海岛、海岸带、海上目标，并获取海洋浪场、风暴潮漫滩、内波、海冰和溢油等信息，遥感载荷为多极化、多模式合成孔径雷达。（1）建立稳定运行的海洋卫星体系2/5/2023（2）从多方面入手提高海洋遥感精度提高遥感器本身的测量精度（仪器的信噪比、灵敏度和测量范围；仪器运行的可靠性与稳定性）提高数据处理精度（提高仪器的定标精度；加强海洋环境反演算法的应用基础研究）3.海洋遥感的发展展望–具体到我国1.4海洋遥感的发展与趋势2/5/2023（3）开展同化技术研究以提高应用水平开展多源、多维、多时相海洋遥感信息复合技术研究、以及遥感资料与其它监测资料的复合技术研究；积极开展各种业务允许的应用技术研究，注意提高应用部门和企业部门的积极性。3.海洋遥感的发展展望–具体到我国1.4海洋遥感的发展与趋势2/5/20231.5海洋遥感的应用（1）海表温度遥感海表温度是重要的海洋环境参数，如在海洋渔业中的应用(利用海温与海况信息来分析渔场形成、渔期的迟早、渔场的稳定性等，可用于寻找渔场）。主要采用热红外波段和微波波段的信息进行海表面温度的遥感反演。2/5/20232006-6-22MODIS反演海温2/5/20231.5海洋遥感的应用（2）海洋水色遥感利用海洋水色遥感图像得到的离水辐射率,来反演相关的水色要素，如叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、可溶有机物含量、浊度等信息。

利用可见光、红外多光谱影像就可判读出赤潮发生的位置、范围、赤潮扩散漂移方向等信息,以便及时地采取措施加以控制。2/5/20232006-6-22Modis反演叶绿素浓度2/5/2023HY-1A卫星反演的珠江口悬浮泥沙浓度2/5/2023MODIS反演浊度2/5/2023航空高光谱图像探测赤潮（红色）假彩色图像赤潮与正常海水区分2/5/2023不同藻类引发的赤潮夜光藻丹麦细柱藻红色中缢虫2/5/20231.5海洋遥感的应用（3）海洋动力遥感观测风力、波浪、潮流等是塑造海洋环境的动力，可以通过遥感技术获得。比如：海洋风力的监测可通过QuickSCAT卫星散射计实现，有助于台风、大风预报和波浪预报；海浪观测可以通过SAR反演波浪方向谱，或通过动力模式来解决表面波场问题；采用雷达高度计可观测潮流或潮汐。2/5/2023NASAQuikSCAT准实时风场2/5/20232000/11/15UTC09:44RadarSatSAR反演的海面风场

2/5/2023卫星高度计观测海洋湾流（速度）

2003-7-272003-7-202/5/20231.5海洋遥感的应用（4）海洋水准面、浅水地形与水深遥感测量可通过卫星高度计确定海洋水准面（±20cm），即通过测量雷达发射脉冲与海面回波脉冲之间的延时而得到高度计天线离海面的距离。

水下地形的SAR图像为明暗相间的条带，利用这个关系可定量获取水下地形信息。