海洋遥感特点及应用

(一)海洋及海洋遥感的特点

研究全球环境，脱离了占71%的海洋不行，海洋又是人类尚未开发的处女地，因而海洋遥感具有深远意义。海洋主要是由不断运动着的海水组成。大片的海水构成了一个庞大、完整的动力系统，.并有相当的深度。海洋现象具有范围广、幅度大，变化速度快的特点。常规的海上调查是通过穿航线、取样等来完成的。海洋如此辽阔、海洋实地调查无论规模、范围、频度均受到限制。它除了对海上航线及附近地区进行观测外，对其它大部分水域是无能为力的。而海洋遥感却是个最重要的探测手段。

从海洋光学的角度看，给海面辐射的光源有太阳直射光和天空漫射光。它们照射海面后约 3.5%被海面直接反射回空中，为海面反射光。它的强度与海面性质有关（如海冰、海面粗糙度等)。其余的光则透射到海中，大部分被海水所吸收，部分被海水中的悬浮粒所散射产生水中散射光，它与海水的混浊度相关。衰减后的水中散射光部分到达海底形成海底反射光。水中反射光的向上部分以及浅海条件下的海底反射光，组成水中光。水中光、海面反射光、天空反射光以及大气散射光共同被空中探测器所接收。其中前两者内包含有水中信息，因而可以通过高空探测水中光和海面光以获得关于浮游生物、浊水污水等的质量和数量信息，以及海面性质的有关信息。

此外，海水对不同电磁波谱段有不同的透明度，即光对海水的穿透能力受海水混浊度的影响很大。光对不同混浊度海水的穿

透能力不同。水体对0.45-0.55微米波长的光的散射最弱，衰减系数最小，穿透能力最强。随着水的混浊度增大，衰减系数增大，穿透能力减弱，最大穿透深度的光谱段也由蓝变绿，所以海水颜色随其混浊度强大而由蓝一绿一黄逐渐过渡。

尽管海水由于叶绿素、浑浊度或表面形态不一而具有不同的波借特征，而且不同波谱段对海水有不同的穿透力，同一波谱段对不同类型的海水有不同的穿透力，但是，海洋的光谱特征差异与陆上地表物体相比要小得多，因而所成的图象反差很低。另外，海洋信息的获取还受到海洋环境的各种干扰因素的影响，如不同太阳入射角、不同观察高度、不同气候条件(云层影响)、不同海面条件(海面粗糙度、波浪及传播方向)、不同底质条件以及水体本身不同的生物、化学、物理因素等。因而，对于海洋遥感来说，除了采用可见光、红外光段外，必须开辟新的电磁波谱段—微波等。

海洋微波辐射取决于两个主要因素。一是海面及一定深度下的复介电常数。它是由表层物质组成及所处热力学温度决定的。海水虽成分复杂(有各种盐类、有机质、悬浮粒等)，但从微波辐射角度，则可以看成是含有Nacl等盐类的导电溶液。其介电常数是海水温度、盐度的函数。因而海洋微波遥感可测得海面温度和含盐度。二是海面至一定深度内的几何形状结构，即海面粗糙度。从这个角度可将海面分为：

平静海面—海面无风或风速很小，可用物理光学理论处理。

风浪海面—海面有风浪而成为一个随机起伏的.租糙面。此时电磁波在界面上产生复杂多变的多次反射和散射。大风浪在海面还形成白泡沫带（含大量气泡和水滴)，因而粗糙海面与平静海面的辐射亮度温度具有明显差异。通过建立辐射亮度温度与海浪谱、海面风速的关系以测定之。

污染海面—一般指石油污染等形成的两层介质。它引起亮度温度的显著差异。

冻结海面—海面有海冰、冰山等。由于冰雪介电常数较水体小，比辐射率大很多，因而可以根据亮度温度反差来确定海冰的位置、范围、结构、含水量、类型、质量和冰龄。

微波共有一定的云层穿透能力。对于云层它比可见光、热红外光段的能量衰减要小得多。

针对上述海洋特点，海洋遥感也需要有它自己独特的研究手段和传感器。归纳起来海洋遥感具备以一下特点:

(1)要有高空和宇宙空间的遥感平台，以进行大面积的同步覆盖。

(2)以微波为主。微波可以在各种天气条件下，透过云层获取全天候、全天时的世界海洋信息。此外，海洋微波信息中包含有大量海面温度、海水含盐度以及海面形态结构等信息。

(3)电磁波与激光、声波的结合是扩大海洋遥感深度的一条新路。遥感不能仅局限于海的表面，而要有一定的深度。海洋遥感从可见光到红外到微波虽都被利用，但仍局限于海表面很薄的一层。利用激光，遥感水层的深度有了扩大。而利用声波遥感则可以克服深度上的局限性，将遥感技术应用范围延伸到海底。

(4)海洋遥感要有其它海洋调查手段和海面实测资料(海洋调查船、浮标、潜水器等海洋常规调查)作参考，方能有效地发挥作用。

海洋系列卫星的应用

海洋卫星系列可以提供大量信息，但因海洋卫星所获取的资料许多未被公开，我们真正可以得到的信息尚有限。这也就在一定程度上限制了它的应用。对于它的应用领域的研究，目前还处于试验阶段。但是，对海洋的开发利用，已是世界十分关注的问题，这将推动着海洋遥感的迅猛发展。下面举几方面的例子说明。 1.海面温度和水色的研究

利用微波和红外影像的色调差异，可绘制等温线图，以示海面温度分布状况。由于水对红外波段吸收很大，故红外测水温只

能测得水面下表皮层0.02毫米厚度的温度。水对微波区的电磁波的吸收比对红外区要小得多，因而微波测水温一般可得水面及水面以下约1毫米深度的水温。运用海洋卫星的多通道微波扫描辐射计(SMMR)测量表面温度的灵敏度，其均方根误差可达1.2℃或更好点，已绘制出整个太平洋海洋表层水温的第一张微波图。利用红外和微波辐射计测量结果，通过计算机绘制出全球大洋表面温度图，精度达1℃。

水色主要决定于营养盐(黄质浓度)、浮游生物（叶绿素浓度)、沉积物含量（海水混浊度)、污染物及底形和水深等因素。其中海水含盐度的差异，决定了其介电常数的不同，因而可从微波影像的亮度温度的差异中得以测定。而叶绿素含量被认为是了解世界海洋中生物循环的基础，是估算海洋生产力的基本指标，卫星可以提供浮游生物富集的分布状况。雨云7号卫星上的CZCS能够将水色图与水温图结合起来研究海洋中物理因素和生物过程对浮游生物生态的影响。水温、水色与海洋渔业、海洋污染直接相关。捕鱼中水色是最常见的指标之一，不同水团间住住有较清晰的锋面，其位置变化不定，船难以监测，然而由于锋面附近水色、水温的变化，CZCS便能对它进行有效的研究。美国曾用CZCS 可见光图像成功地监测加利福尼亚中部外海水色趋势及金枪鱼的捕捞位置。

此外，海洋卫星的热红外与X微波段是测热污染、油污染的得力工具。微波雷达效果更佳，因为被油膜污染的海面其辐射亮

度温度比非污染的海面要高易于识别。

2.海面形态及大地水准面的测量

海面大地水准面是指在仅有重力和旋转力的作用下，一个不运动的均匀的大洋所具有的表面。由于地球重力场不均匀，大地水准面并非规则的球面，而是有起伏的不规则的曲面。对它的研究在大地测量、天体测量等方面均有重要意义。海面起伏形态同时又受到地转流(洋流、旋涡等)潮流、风暴潮、增水和波浪作用的影响，因而使海面偏离了水准面。

海洋卫星的雷达高度计(ALT)可测得卫星在海洋上空的高度，精度达士10厘米。测得的海面起伏形态与大地水准面有关，因而可以通过对重力和卫星轨道的精确测量，获得海面形态参数，并进而消除波浪等干扰因素而测得海面大地水准面。美国用ALT 在三个月内所获得的数百万个数据绘制世界各大洋的海面起伏形态图，图上说明海面形态是起伏很大的。马里亚纳海沟可以产生-60米的变化，而海底山可以造成+5米的变化。海面起伏形态与地球重力场、海底地形及岩性成分等有关，海面起伏还与海流直接相关。不同时期海面起伏形态图叠加，便可得到全球海流分布图。

3.洋流

由于风应力以及海洋温度、盐度分布不均匀，在海洋中往往形成一些质量和流速、表面形态都不一致的水团和水流，称之为洋流。在洋流的边界处，由于切力不同，水流运动状况不同，使

它表面比周围海面稍高。即大尺度的海流会造成海水的堆积或减压，出现增水、减水现象，并在其边缘形成叶绿素堆积带和泡沫带，从而导致水温、水色或光谱反射率以及海面形态的变化，其变化程度取决于海流的强弱。因而，可以在海洋卫星图象中识别并确定洋流边界、涡旋及其运动状况。此外，ALT可测定海面坡度从而确定地转流速。这为寻找锋面渔场，为航海等均提供了可靠信息。

4．浅海水深测定

微波本身对水体并无穿透能力，水也不传导微波。运用海洋卫星合成孔径雷达(SAR)测水深是建立在对测大陆架浅海带重力波的折射现象的分析上。SAR对水体表面的波浪状况的测量有很好的效果，而重力波的状况(波形、波长、波高等)和水深有着密切的关系。因此可以通过对重力波的分析来获得水下地形状况，进行浅海制图。美国、加拿大正在做这方面工作以研究浅海带的水深。其中的关键问题是如何对重力波进行几何校正。

5.海冰

海冰具有复杂的物理结构。由于微波对冰具有穿透能力，则其内部结构对微波辐射特征产生影响。又由于冰雪介电常数较水体小，微波资料反映的亮度温度的差异不仅能识别出海冰、冰山的分布状态，而且能判断出冰的结构、类型、含水量等，一甚至可判断出冰龄。

6.海面风场

海面风场是海洋动力之一，是产生海流、波浪的基础。同时它关系到海气间的热交换，因此海面风场又是了解气候的重要因素。海洋卫星Seasat的雷达散射计(SASS)测风场是通过微波测风生成的浪及粗糙海面来推知海面风速(精度为士2米/秒)、风向(精度为士20度)，从而可以得到全球海面风场图。