第十一海洋遥感和浮标观测
海洋水色遥感 海洋遥感PPT课件
2021/6/17
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5.4 海洋水色要素浓度反演
（1）叶绿素浓度反演
a.代数法（基于模型的解析算法）
浮游植物色素浓度C的反演：
利用吸收系数：
a( ) aw ( ) f1 ( ) exp( f 2 ( )) C
利用衰减系数：
b( 500 nm) 0.3C 0.62
4.海洋水色遥感的几个基本概念
a. 海洋水体分类
根据Morel等提出的双向分类法，可分为：
- Ⅰ类水体：光学特性主要由浮游植物及其分解物决定；
- Ⅱ类水体：光学特性除了与浮游植物及其分解物有关外，
还由悬浮物、黄色物质决定，其水色由水体的各成分以非
线性方式来影响。
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5.1 概述
综合以上诸式可得：
※遥感反射率：
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r
E d ( ,0 )
Eu ( ,0 ) Q Lu ( ,0 )
Lw
L
(
,
0
)
u
Eu ( ,0 )
R
ti REd ( ,0 ) ti (1 ) R
Lw ( , v )
E0 ( ) cos st ( , s )
常用的经验关系：蓝绿比值经验算法
C A(
Lw (i ) B
)
Lw ( j )
log C log A B log(
Lw (i )
)
Lw ( j )
利用水体随着叶绿素浓度的增大，离水辐射度光谱峰从
蓝波段向绿波段偏移的机理而提出蓝绿比值经验算法。
海洋水文观测的要求和观测方法介绍海洋水文观测方式有哪些
海洋水文观测的要求和观测方法介绍海洋水文观测方式有哪些一、海洋水文观测的要求：1.准确性：观测数据应具有高准确性，以确保研究的可靠性和科学性。
2.实时性：观测数据应能够及时获取和传输，以满足海洋灾害预警和应急响应的需要。
3.连续性：观测数据应能够连续地获取，以获取水文过程的完整性和变化规律。
4.综合性：观测项目应能够综合考虑多种要素，包括海洋温度、盐度、流场、海洋酸化度等。
5.空间性：观测项目应能够在空间上进行覆盖，包括区域性观测和点源观测。
二、海洋水文观测方法：1.航行观测法：通过在航行途中测量海洋水文参数，如温度、盐度、酸碱度等。
该方法具有较大的覆盖面和灵活性，但其观测数据受到船舶运动、测量仪器误差等因素的影响。
2.浮标观测法：通过在海洋中放置浮标，通过遥测等方式获取海洋水文参数。
该方法能够长时间连续观测目标区域的水文参数，但受制于浮标的耐波能力和遥测设备的通信能力。
3.定点观测法：通过埋设固定观测设备在特定海域进行水文观测。
该方法能够准确观测特定海域的水文参数，但受制于观测设备的稳定性和维护需求。
4.卫星遥感法：通过卫星遥感数据获取海洋表面温度、海洋风场等水文参数。
该方法具有广覆盖、连续性好以及观测范围大等优势，但受制于卫星分辨率和云层干扰等因素。
5.声学观测法：通过声学设备在水下测量海洋水文参数，如水深、水温、盐度等。
该方法适用于水下环境观测，具有高精度和较长距离的优势，但受制于水下能见度和声学传播的物理特性。
综上所述，海洋水文观测的要求包括准确性、实时性、连续性、综合性和空间性；观测方法包括航行观测法、浮标观测法、定点观测法、卫星遥感法和声学观测法。
这些观测方法在不同的研究需求下，在海洋水文观测中发挥着重要的作用。
海洋观测的守护者：10米、6米和3米观测监测浮标
海洋观测的守护者：10米、6米和3米观测监测浮标在浩瀚无垠的海洋中，为了深入了解海洋环境、气候变化以及生态系统的动态，科学家们布置了各式各样的观测浮标。
其中，10米观测浮标、6米观监测浮标和3米观测监测浮标以其独特的功能和重要性，成为了海洋观测领域的重要工具。
一、10米观测浮标：高空视野的守望者10米观测浮标因其架设高度较高，能够提供更广阔的视野，捕捉更多的海洋环境信息。
这类浮标通常搭载有多种传感器，如风速仪、风向标、温度计和湿度计等，用于实时监测海洋上空的气象数据。
这些数据对于预测海洋气象灾害、评估海洋环境对气候变化的影响具有重要意义。
此外，10米观测浮标还能够监测海面波浪、海流等海洋动力现象，为海洋工程、航运安全等提供重要参考。
通过长期、连续的观测，科学家们能够更深入地了解海洋环境的动态变化，为海洋资源的可持续利用提供科学依据。
二、6米观监测浮标：综合信息的集大成者6米观监测浮标位于海面与水下之间的关键位置，能够同时观测海面以上和以下的环境信息。
这类浮标通常搭载有水质监测仪、溶解氧传感器、pH计等设备，用于实时监测海水的水质参数。
这些参数对于评估海洋生态系统的健康状况、预测赤潮等生态灾害具有重要意义。
同时，6米观监测浮标还能够观测海洋动力现象，如海面波浪、海流等，以及海洋生物分布和种群动态。
通过综合观测和分析，科学家们能够更全面地了解海洋环境的动态变化，为海洋资源的管理和保护提供有力支持。
三、3米观测监测浮标：近距离接触的守护者3米观测监测浮标位于海面附近，能够近距离接触和观测海洋环境。
这类浮标通常搭载有高清摄像头、水下摄像机等设备，用于实时拍摄和记录海洋生态环境中的生物、地形等。
这些图像资料对于了解海洋生物的生活习性、评估海洋生态系统的多样性具有重要意义。
此外，3米观测监测浮标还能够观测海底地形、沉积物分布等信息，为海洋地质研究和海洋工程提供支持。
通过长期、连续的观测，科学家们能够更深入地了解海洋环境的微观变化和生态系统的动态平衡。
海洋气象观测数据的收集与处理技术
海洋气象观测数据的收集与处理技术随着现代科技的快速发展，海洋气象观测数据的收集与处理技术也得到了长足的进步与改善。
海洋气象观测数据对于预测海洋气象状况、保障海上交通安全以及海洋环境保护起着重要的作用。
本文将重点讨论海洋气象观测数据的收集与处理技术。
海洋气象观测数据的收集是指通过各种观测方法和设备获取海洋气象相关的数据。
目前，主要采用以下几种方式进行海洋气象观测数据的收集：1. 卫星观测技术：利用卫星在轨运行，通过遥感仪器获取海洋气象数据。
颗粒物浓度、海洋表面温度、海洋风场等数据通过卫星可以实时观测和记录。
这种观测方法可以覆盖广阔的海域，实现对大范围海域的监测。
2. 浮标观测技术：通过在海上布设浮标，利用浮标上的各种传感器获取海洋气象数据。
这些传感器可以测量海洋表面温度、盐度、气压、风速、风向等数据。
浮标观测技术相对较便宜且易于维护，适用于海上长期观测。
3. 岸基观测技术：在海岸线上布设气象站，通过气象站上的各种气象仪器获取海洋气象数据。
岸基观测技术可以提供更加详细和准确的数据，适用于对特定区域进行深入观测。
除了上述常用的观测技术外，还有其他一些新兴的观测方法，例如无人机观测技术和水下观测技术等，这些技术的不断发展进一步拓宽了海洋气象观测数据的收集范围和准确性。
海洋气象观测数据的处理技术是指对收集到的数据进行整理、分析和应用的过程。
数据处理技术的发展使得研究人员能够更加深入地理解海洋气象的变化规律和趋势。
1. 数据质量控制：数据质量控制是对原始观测数据进行校验和筛选，以确保数据的准确性和可靠性。
数据质量控制过程包括对异常数据的排除、数据的插补以及数据的校正等步骤。
2. 数据分析方法：为了更好地利用海洋气象观测数据，需要运用各种数据分析方法来发掘数据中的信息。
常用的数据分析方法包括时间序列分析、空间插值分析、聚类分析等。
这些方法有助于研究人员理解海洋气象现象的变化规律和内在关系。
3. 数据可视化：数据可视化是将处理后的数据用图表、图像等形式展示出来，使得研究人员能够直观地理解数据中的信息。
海洋表面温度异常的观测与分析方法研究
海洋表面温度异常的观测与分析方法研究海洋表面温度异常是指海洋表面温度与长期平均水温之间的差异。
它是气候变化中的重要指标之一，对于了解海洋环境变化和预测天气现象具有重要意义。
本文将探讨海洋表面温度异常观测和分析的方法。
一、海洋表面温度异常的观测方法1. 卫星遥感技术卫星遥感技术是目前海洋表面温度异常观测的主要手段之一。
通过卫星搭载的红外传感器，可以获取大范围、高分辨率的海洋表面温度数据。
这些数据可以用来分析海洋环流系统的变化，检测异常现象并进行预测。
2. 浮标观测法浮标观测法是通过在海洋中放置浮标，实时监测海洋表面温度的变化。
浮标可以悬浮在水面上，利用内部传感器记录温度数据，并通过无线传输技术将数据传回陆地。
这种方法可以提供高时空分辨率的温度观测数据，对于及时监测海洋异常现象具有重要意义。
3. 船载观测法船载观测法是一种传统的海洋表面温度异常观测方法。
通过在船只上安装温度传感器，可以在航行过程中对海洋表面温度进行实时监测。
这种方法可以提供较高精度的温度数据，但受船只航行路线的限制，覆盖范围相对较窄。
二、海洋表面温度异常的分析方法1. 统计分析法统计分析法是一种常用的海洋表面温度异常分析方法。
通过对观测数据进行统计处理，可以得出海洋表面温度的分布特征和变化趋势。
常用的统计方法包括平均值、标准差、相关系数等。
这些统计指标可以帮助我们更好地理解海洋表面温度异常的变化规律。
2. 数值模拟法数值模拟法是一种基于物理方程和数值计算的海洋表面温度异常分析方法。
通过建立数学模型，模拟海洋表面温度的变化过程，并与实际观测数据进行比对，可以评估模型的准确性和可靠性。
数值模拟法可以提供更详细的温度分布信息，对于研究海洋环境变化具有重要意义。
3. 时空插值法时空插值法是一种通过已有数据对缺失数据进行推算的海洋表面温度异常分析方法。
通过建立插值模型，将观测数据的空间分布和时间变化关联起来，可以填补观测数据中的空白区域，得到更全面的海洋表面温度数据。
海洋遥感
1.它不受地表、海面、天气和人为件 的限制，可以探测地理位置偏远、环 境条件恶劣等不能直接进入的地区 2.其宏观特性使它能进行大范围海洋 资源普查、海洋制图以及海冰、海洋 污染监测 3.能周期性地监测大洋环流、海面温 度场的变化、鱼群的迁移、污染物的 运移 4.多波段、高光谱海洋遥感可以提供 海量海洋遥感信息 5.能达到同步观测风、流、污染、海 气相互作用，并获取能量收支信息
物理海洋学遥感，如对海面温度、
海浪谱、海风矢量、 全球海平面变化等的遥感
海洋 遥感
生物海洋学和化学海洋学遥感，
如对海洋水色、黄色物体、 叶绿素浓度等的遥感 海冰监测，如监测海冰类型、 分布和动态变化；
海洋污染监测，如油膜污染等。
海洋遥感发展
•海洋遥感始于第二次世界大战期间。发展最早的是在 河口海岸制图和近海水深测量中利用航空遥感技术。 •1950年美国使用飞机与多艘海洋调查船协同进行了 一次系统的大规模湾流考察，这是第一次在物理海洋 学研究中利用航空遥感技术。 •此后，航空遥感技术更多地应用于海洋环境监测、近 海海洋调查、海岸带制图与资源勘测方面 •从航天高度上探测海洋始于1960年。这一年美国成 功地发射了世界第一颗气象卫星"泰罗斯-1”号。卫星 在获取气象资料的同时，还获得了无云海区的海面温 度场资料，从而开始把卫星资料应用于海洋学研究。
NASA使用MODIS在2000年11月对全球 海洋叶绿素浓度（mg/m3）分布的观测 图中红色代表高浓度，绿色代表中等浓度， 蓝色代表低浓度。图中显示蓝色的热带海洋 只有很低的叶绿素浓度，故被称为海中沙漠
南海四季叶绿素分布
南海春季叶绿素a分布图（1998年4月）
南海夏季叶绿素a分布图（1998年7月）
NOAA国家海洋资料中心提供的卫星数据制作的2001年全球海洋的年平均海表 面温度（SST：Sea Surface Temperature）的等温线图像； 图中色标（colour bar）的单位是℃（摄氏度）。 该图清晰显示了西太平洋赤道暖水区的范围和温度大小。 西太平洋赤道暖水区向大气输运的热通量对于全球海洋大气热循环有举足轻重的 影响，它的范围和温度变化与厄尔尼诺（El Niñ o）事件有密切关联，因而是科 学家监测的重要目标。
海洋观测规范 第6部分：数据处理与质量控制-编制说明
国家标准海洋观测规范第6部分：数据处理和质量控制编制说明《海洋观测规范第6部分：数据处理和质量控制》标准起草组二〇一九年六月海洋观测规范第6部分：数据处理和质量控制编制说明一、制定标准的背景、目的和意义按照中华人民共和国国务院第615号令, 《海洋观测预报管理条例》已经于2012年6月1日起施行。
根据《海洋观测预报管理条例》第十四条：“从事海洋观测活动应当遵守国家海洋观测技术标准、规范和规程。
”海洋观测数据获取、传输和加工处理等工作只有遵循统一的标准、规范和规程，才能实现信息有效共享，提高海洋观测资料的使用效益。
因此，拟修订《海滨观测规范》国家标准为《海洋观测规范》。
修订后的标准分为六个部分，分别为《海洋观测规范第1部分：总则》、《海洋观测规范第2部分：海滨观测》、《海洋观测规范第3部分：浮标潜标观测》、《海洋观测规范第4部分：岸基雷达观测》、《海洋观测规范第5部分：卫星遥感观测》、《海洋观测规范第6部分：数据处理和质量控制》。
《海洋观测规范第六部分：数据处理和质量控制》目的是为海洋观测数据处理和质量控制建立科学的、具有前瞻性的标准，使其达到科学化、标准化、制度化，以适应海洋发展的战略需要，促进海洋工作规范化、制度化、标准化发展。
《海洋观测规范第六部分：数据处理和质量控制》标准实施后，观测所获得海洋数据的处理有了统一的执行标准，可对海洋观测数据的处理与质量控制工作进行规范，从而为社会发展、海洋经济建设、防灾减灾、应急管理、国防安全等服务。
二、工作简况1、任务来源、计划项目编号，标准负责起草和参加起草的单位2012年9月，按照《海滨观测规范》国家标准修订工作会要求，国家海洋信息中心承担了《海洋观测规范第6部分：数据处理和质量控制》的起草编制任务。
标准负责起草的单位：国家海洋信息中心、国家卫星海洋应用中心。
2、主要工作过程、标准主要起草人及其所做的工作（1）主要工作过程2012年9月成立了标准起草工作组。
第十一章：卫星海洋遥感
NOAA-3 visible range VHRR image of Hurricanes Ione (left) and Kirsten (right.) The rare effect of two interacting hurricanes is termed the Fujiwhara effect. Photo Date: 1974 August 24 1749 GMT
第十一章：卫星海洋遥感
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
海洋科学导论 11.1.3
§ 11.1
概述（引言）
卫星海洋遥感系统
3.数据传输 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或0～1023或0～2047对辐射扫描数 据进行数字化处理，每个象元要求8bit、10bit或12bit。 数据接收站
第十一章 ： 卫星海洋遥感
第十二章 ： 中国近海区域海洋学
复习考试 ：
6学时
4学时
第十一章：卫星海洋遥感
海洋科学导论
主 要 内 容：
§11.1 引言 §11.2 卫星海表温度遥感
§11.3 海色卫星遥感
§11.4 微波高度计
§11.5 微波散射计
§11.6 星载合成孔径雷达
第十一章：卫星海洋遥感
第十一章：卫星海洋遥感
海洋科学导论 11.1.2
§ 11.1
概述（引言）
海洋遥感及空间海洋观测历史背景
1960年4月NASA （美国宇航局）发射了第一颗电视与红外 观测卫星（TIROS－I ）。随后发射的TIROS－II卫星开始涉 及海温观测；
1960年4月NASA 发射了第一颗电视与红外观测卫星（TIROS－I ）
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➢雨云7号Nimbus-7 太阳同步极地轨道 ➢日本海洋观测卫星MOS1
太阳同步轨道
Nimbus7
MOS1
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➢欧空局ERS-1/2 太阳同步极地轨道
➢加拿大雷达卫星 RADARSAT-1/2
ERS RADARSAT
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11.2 海洋遥感的观测内容
遥感观测层次 ➢微波、红外遥感
➢观测海洋表面现象 ➢遥感海表温度与传统观测海表温度区别? ➢可见光遥感 ➢可观测海洋表面现象，如海洋污染等 ➢也可观测海洋内部特征，如水色等
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七、浅海测深 ➢原理
➢可见光遥感：阳光穿透深度内 ➢微波遥感：浅海地形对海面小尺度波的调制 ➢传感器 ➢摄影仪器 ➢真实孔径雷达、合成孔径雷达
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八、海冰 ➢确定不同类型的海冰及其分布 ➢传感器
➢光学传感器：摄像机 ➢微波传感器：合成孔径雷达
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九、溢油污染 ➢主要检测海面油膜 ➢原理
➢可见光遥感 •利用海水和油膜的反射和辐射特性不同
➢微波遥感 •油膜抑制海面小尺度波，使海面趋于平滑， 减弱散射信号
➢传感器 ➢光学传感器：摄像机 ➢微波传感器：合成孔径雷达
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海面油膜
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十、泥沙、叶绿素 ➢反演叶绿素，估计全球初级生产力 ➢监测河流入海口泥沙扩散 ➢传感器
➢光学传感器：水色计
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四、海浪 ➢主要为解决表面波场问题 ➢观测原理
➢表面波浪对海面上小尺度波的调制 ➢传感器：
➢高度计
•有效波高，范围1~20 m，准确度±1 m
➢合成孔径雷达
•通过海浪谱得到有效波高、传播方向
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高度计接收的回波波形
回波前沿上升时间与有效波高相关, 斜率近似反比
波谷反射
波峰反射
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海区天气
有云层或轻 度降水
传感器种类 微波0~20 m/s；风速准确度 ±2 m/s，风向准确度±20˚；
空间分辨率25 km
范围5~35 m/s；准确度 ±25%
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QuikSCAT产品－全球风场
产品日期： 2009/10/20 升轨时间：当地时间06:00 降轨时间：当地时间18:00
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二、潜标 1. 固定潜标 ➢布设于海面以下某深度，连续观测海洋内部海流、 水温、盐度、水下噪声、内波等 特点： ➢能在海面以下几十米至几千米的剖面上对海洋环 境进行长期连续的观测，具有全天候工作能力 ➢不受恶劣海况和人类海面活动的干扰
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二、潜标 2. 活动潜标(ARGO)
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全球海洋叶绿素分布
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十一、内波
合成孔径雷达图像
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十二、潮汐 十三、水团 十四、海洋水准面 ……
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11.3 浮标与潜标观测
一、浮标
➢锚定浮标 ➢水文气象资料浮标 ➢水质监测浮标 ➢波浪浮标
➢漂流浮标 ➢表面漂流浮标 ➢中性浮标 ➢小型漂流器
特点：在恶劣海况下全天候或全天时工作
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一、海表温度 ➢海洋中应用最广泛的一种，反演算法已很成熟， 形成业务化 ➢无云海区：遥感的绝对准确度可达到1˚C，相对 准确度±0.5˚C ➢主要遥感仪器：机载红外辐射计、海水温度扫描 仪、海洋水色扫描仪、高分辨率辐射计、可见光、 红外线扫描仪、微波辐射计等
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由TERRA 卫星的中等分辨率成像光谱辐射计 (MODIS)观测数据反演获得的全球海表面温度
➢可见光传感器
•被动遥感传感器 •只能在晴朗无云的白天得到有效观测 •分辨率高，可用于绘制海岸线，监视可见污染，估算 水面悬浮物浓度等
➢红外传感器
•被动遥感传感器 •可观测海面温度
➢微波传感器
•主动遥感传感器 •可全天时、全天候工作 •可获得全球海洋降雨率、海流、海浪、海表面风、海 冰等信息
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➢Seasat-1 太阳同步近极地近圆形 轨道 能覆盖全球95%的地区 五种传感器中的四种为 微波传感器
➢2011年8月16日发射，设计寿命3年 ➢海洋动力环境卫星 ➢装载雷达高度计、微波散射计、扫描微波辐射计和校正 微波辐射计等 ➢主要用于探测海面风场、温度场、海面高度、浪场、流 场等，以获取全球海洋风矢量场和表面风应力数据及全球 高分辨率大洋环流、海洋大地水准面、重力场和极地冰盖 数据
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三、海洋遥感传感器
C波段ERS SAR海浪参数反演
Sun and Kawamura, 2009 23
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五、海流 ➢观测表面流场 ➢原理
➢运动流体的表面相对于水准面产生倾斜，倾斜 坡度正比于流速－地转流 ➢传感器： ➢雷达高度计
•先测海面坡度再计算地转流速，准确度约±20 cm/s
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高度计观测示意图
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六、海表面高度异常
一、浮标 1. 锚定浮标 采集数据包括 ➢海面气象要素
•气温、气压、湿度、风速风向等 ➢海面状态要素
•海表温度、盐度、营养盐、表层海流、海浪等 ➢垂向海洋要素
•温度、盐度、海流
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美国NDBC浮标分布图
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一、浮标 2. 漂流浮标 重要测量要素为海流 特点：体积小、造价低、使用方便、适用范围广， 可在船上或飞机上投放
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二、海洋遥感发展历史 中国的海洋遥感卫星 ➢海洋一号
➢2002年5月15日发射，设计寿命2年 ➢配置海洋水色扫描仪和CCD成像仪 ➢用于观测海水光学特征、叶绿素浓度、海表温度、悬浮 泥沙含量、可溶有机物和海洋污染物质，并兼顾观测海水、 浅海地形、海流特征和海面上大气气溶胶等要素
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二、海洋遥感发展历史 中国的海洋遥感卫星 ➢海洋二号
AQUA/AMSR-E全球海表温度
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二、海表盐度 ➢观测原理
➢盐度能影响海水的介电常数，从而影响到海水 的微波发射率 ➢传感器：微波 ➢工作波段：21 cm L波段
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三、海面风场
➢观测原理
➢海面风导致海面粗糙度，影响微波后向散射信 号强度
➢传感器：微波散射计(专用)、高度计、微波辐射 计、合成孔径雷达
第十一海洋遥感和浮标观测
11.1 遥感概述
传统海洋观测方法不能得到大 面积、同时观测 遥感手段弥补了此空白
2
二、海洋遥感发展历史 2. 卫星海洋遥感 ➢卫星遥感始于20世纪60年代 ➢最早用于气象研究 ➢20世纪70年代海洋学家从气象卫星数据中成功提 取海面温度等信息，开启卫星海洋遥感 ➢气象卫星、陆地卫星、海洋卫星均可用于海洋观 测 ➢1978年6月26日美国发射了世界上第一颗海洋卫 星Seasat-1