海洋监测技术 10海洋遥感监测技术

10.海洋遥感监测技术•常规的海洋观测手段时空尺度有局限性，因此不可能全面、深刻地认识海洋现象产生的原因，也不可能掌握海洋尺度或全球大洋尺度的过程和变化规律。•海洋光学遥感应用技术是利用航天、航空遥感器测量海洋水体的可见光和近红外的光谱信息来提取海洋的叶绿素、悬浮泥沙和黄色物质以及其它污染物质等水色因子，为海洋环境监测与海洋资源开发服务。观测物质或近地目标从紫外线到微波的某些波长的电磁发射现象遥感运用现代的运载工具和电子、光学仪器以主动和被动方式接受地（水）表或其以下一定深度处的研究对象发射或反射从紫外线到微波的,能通过大气的某些波段的电磁波信息,经过加工处理,获得研究对象的有用信息,达到探测目标物的整个信息的接收、传输、处理和应用处理。获取信息的范围大;资料新颖,能讯速反映动态变化;获取的信息内容丰富,可以同时取得不同的目标特征。若把几个波段合成为假彩色相片,就能增强和突出其中的某些图像信息,提高人们对图像的判断能力。成图迅速。由于卫星离地面较远,卫星摄影接近正射投影,所以地表每一点似乎都在卫星的垂直平面上,因而可提高成图工效;获取信息方便,不受地形限制.对于高山冰雪、戈壁沙漠、海洋等地区,一般方法不易获得的资料,卫星像片则可以获得大量有用的资料.同时,卫星还可以不受任何政治、地球条件的限制,覆盖地球的任何一角和整个地球。遥感技术的特点空间平台：装载传感器的空间运载工具，包括人造卫星(man-madesatellite)卫星传感器：根据电磁辐射(electromagneticradiation)原理获取海洋信息。数据传输系统：星载传感器通常产生测量电压或频率(frequency)信号，大部分以数字信号形式传输到地面接收站。地面接收站：数据处理系统：对卫星轨道和仪器校正。数据分发系统：行政性组织机构，将数据分到科学家手里。卫星遥感观测系统组成传感器分类遥感技术采用的电磁波包括可见光(visiblelight)、红外(infrared)、微波(microwave)。可见光谱范围在0.4—0.7μm，红外波谱在1—100μm，微波光谱在1.8cm—6m(对应波段：0.3—100GHz)。传感器按工作方式分为主动式(active)和被动式(passive)。遥感器，也称传感器，是指接收目标辐射或反射电磁波信息的仪器。目前用于海洋研究的传感器有：海色传感器：主要用于探测海洋表层叶绿素浓度、悬浮质浓度、海洋初级生产力、漫射衰减系数以及其他海洋光学参数。红外传感器：主要用于测量海表温度。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。微波散射计：主要用于测量海面10m处风场。合成孔径雷达：主要用于探测波浪风向谱、中尺度漩涡、海洋内波、浅海地形、海面污染以及海表特征信息等。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、C海-气交换等。被动式：可见红外扫描辐射计(radiometer)，微波辐射计(microwaveradiometer)。主动式：微波高度计(MicrowaveAltimeter)（垂直下视）微波散射计(MicrowaveScatterometer)（侧视）合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar)(侧视合成）等海洋遥感系统具备性能：①具有同步、大范围、实时获取资料的能力，观测频率高。这样可把大尺度海洋现象记录下来，并能进行动态观测和海况预报。②测量精度和资料的空间分辨能力应达到定量分析的要求。③具备全天时(昼夜)、全天候工作能力和穿云透雾的能力。④具有一定的透视海水能力，以便取得海水较深部的信息。•海洋遥感始于第二次世界大战期间。•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。•从航天高度上探测海洋始于1960年。•美国1978年又发射了“海洋卫星-1”号。苏联也于1979年和1980年先后发射了两颗海洋卫星“宇宙-1076”号和“宇宙-1151”号。•中国从1977年开始海洋遥感技术的研究。在海岸带与滩涂资源调查、海洋环境监测、海冰观测、海洋气象预报、海洋渔场分析、大尺度海洋现象研究和基础理论工作中进行了遥感技术的试验，其中台风跟踪、海冰遥感和海洋环境污染航空遥感监测已进入实用阶段。海洋卫星海洋卫星•通过卫星遥感获得数据,再结合海洋水温水深、海流、海底地形、盐度、溶解氧等海洋要素的电磁波特性，可以对海底地形、海洋水温气象因素和海洋生物进行深入的研究，从宏观上了解海洋生态系统的动态变化，为海洋研究提供了新的技术手段，开拓了新的研究领域。•不受地理位置、天气和人为条件的限制，可以覆盖地理位置偏远、环境条件恶劣的海区及由于政治原因不能直接去进行常规调查的海区。卫星遥感是全天时的，其中微波遥感是全天候的。•卫星遥感能提供大面积的海面图像，每个像幅的覆盖面积达上千平方公里，对海洋资源普查、大面积测绘制图及污染监测都极为有利。•卫星遥感能周期性地监视大洋环流、海面温度场的变化、鱼群的迁移、污染物的运移等。•卫星遥感获取的海洋信息量非常大。2海洋卫星遥感监测的特点目前常用的海洋卫星遥感仪器主要有雷达散射计、雷达高度计、合成孔径雷达、微波辐射计及可见光／红外辐射计海洋水色扫描仪等。雷达高度计图片雷达散射仪合成孔径雷达微波辐射计10.3海洋卫星遥感监测应用技术10.3.1卫星遥感在海洋渔业的应用•海洋中的生物及其周围的环境是海洋生态系统中的统一有机体。•渔民可以根据长期的捕捞经验对鱼类在某些区域集群做出判断，但根据这些经验所指示出的渔场范围有限，而且需要有丰富的经验才能做出正确的判断。•卫星遥感可以实现对海洋信息大范围、高精度全天侯的同步采集，在渔场环境分析和渔情分析预报方面有极大的优势。10.3.2卫星遥感海洋水色环境监测原理：水体及其污染物的光谱特性是利用遥感信息进行水环境监测和评价的依据。不同种类和浓度的污染物使水体在颜色、密度、透明度和温度等方面产生差异，导致水体反射波谱能量发生变化，根据遥感图像在色调、灰阶、纹理等特征上反映的影像信息的差别，从而识别出污染源、污染范围、面积和浓度。叶绿素分布是与海洋初级生产力、海水富营养化、赤潮等密切相关的指标，也是研究全球气候变化的重要依据。•目前利用HY-1A卫星资料已能够较准确地提供大洋和远海的叶绿素分布，对了解该海域海洋生态环境和海洋生物资源具有重要的科学意义。•通过对各大河口和重点海域的监测，获取了黄河口、长江口和珠江口等重要河口悬浮泥沙分布、近岸二类水体特征等海洋水色基础信息，为开展海洋科学研究、海洋功能区划和海域使用管理提供了较为丰富的基础数据。图6海洋卫星监测到的西北太平洋及印度洋（部分）叶绿素分布图图7HY－1A卫星反演的黄河口悬浮泥沙分级图图8HY－1A卫星反演的海温实况图HY－1A卫星反演的珠江口悬浮泥沙分级图海表温度是海洋环境非常重要的基础信息。•HY-1A卫星水色扫描仪配备了2个热红外通道，在获取海面水色信息的同时，具备了获取海面温度的能力。•利用HY-1A卫星数据反演获得的海面温度正在海洋环境预报、赤潮监测、渔场环境分析等方面得到广泛应用。经过云替补处理的HY－1A卫星反演的海温伪彩色图HY－1A卫星CCD监测到的黄河口污染区域HY-1A卫星CCD监测到的辽东湾赤潮发生区域海洋一号卫星（HY-1）HY-1卫星是我国第一颗应用于海洋水色遥感和海洋环境监测的海洋卫星，星上有效载荷为一台10波段COCTS水色扫描仪和一台4波段CCD成像仪。COCTS主要用于探测海洋水色要素（包括叶绿素浓度、悬浮固体含量和可溶有机物等）和海洋表面温度分布；CCD成像仪主要用于获取海岸带的图像资料，对海岸带地区的资源和植被进行动态监测。利用HY-1卫星遥感数据，可以得到海洋初级生产力的时空分布状况，为海洋渔业提供渔业环境信息服务，为海洋养殖业资源状况和环境质量以及海洋生物资源的合理开发与利用提供科学数据；利用HY-1卫星的高分辨率数据，可以对海洋赤潮、溢油污染、海冰冰情和海岸带与河口悬浮固体进行动态监测，为海洋环境监测与保护、海洋工程提供基础信息。COCTS海洋水色扫描仪主要用于海洋水色和海温的探测，有8个可见光与近红外通道和2个热红外通道，空间分辨率1.1km，每行1024个像元，量化级数10bit，各波段间的像元配准小于0.3个像元。表6.1是COCTS传感器的技术指标。•10.3.4海洋灾害监测与预报（1）海洋赤潮污染监测利用HY-1A卫星资料进行海面污染监测是HY-1A卫星的重要任务之一，国家卫星海洋应用中心与国家海洋局北海分局建立了HY-1A卫星海洋污染监测应用示范系统，现已取得了阶段性成果。HY-1A卫星的CCD成像仪具有高空间分辨率和信噪比，利用它的较高清晰图像监测数据可以对我国的三大河口污染状况进行监测。HY-1A卫星辽东湾发现赤潮，绿色条状为赤潮区（2002年6月15日，1、2处为赤潮）HY-1卫星水色扫描仪在长江口发现赤潮遥感6/8/2通道合成实况红色点为遥感反演得到的赤潮区（2）遥感海上溢油监测•溢油事故往往造成大面积海域污染，造成严重的生态破坏，引起了各国政府的重视。•世界各国都积极参与海上溢油的监视和遥感监测。•基本方法就是航空遥感、卫星遥感和雷达遥感监测。航空遥感监测具有灵活、机动的优势，是世界发达国家进行海洋监测的重要手段，也是事故监测工作中使用最多而且有效的技术。最常使用的遥感器是红外/紫外(IR/V)扫描仪、合成孔径雷达(SAR)、侧视孔径雷达(SLAR)以及微波辐射计等。虽然航空遥感监测能够实施实时监测，但费用高，而且在远离海岸地区无能为力，很难达到业务化监测要求，同时也受天气的制约，而大多数事故都是在天气恶劣的情况下发生的，这对飞机安全造成了威胁。航空遥感监测卫星遥感具有监测范围大、方便、费用低、图像资料易于处理和解译等特点。因此受到人们的重视。卫星遥感监测国外开展的航天溢油探测应用研究可追溯到20世纪70年代。1972年至1975年美国与欧洲国家合作，用美国陆地资源卫星的资料，对地中海石油污染进行了总体监测，确定了污染面积、污染速度和扩散方向；1980年美国分别在卫星平台和航空平台上，对海上油污的波谱特性进行了大量的基础研究。1985年美国利用卫星影像，对弗吉尼亚州阿萨蒂格岛东南海域100公里长的油膜进行了监测试验，估算了污染面积，推断了油污来源。1998年美国海洋与大气管理局利用欧洲遥感卫星合成孔径雷达成功监测了波斯湾战争期间原油溢油。但卫星遥感成像比例尺小，地面分辨率低，一定程度限制了污染监测的应用效果。•用于溢油和环境探测的雷达主要有两种，即合成孔径雷达(SAR)和侧视机载雷达(SLAR)。后者是一种传统式雷达，造价较低，它的空间分辨率与天线长度有关。而合成孔径技术，则是利用多普勒效应原理，依靠短天线达到高空间分辨率的目的。雷达遥感监测目前合成孔径雷达在海面溢油监测中发挥重要作用。合成孔径雷达发射的电磁波与海面相互作用，从而对海面波浪成像。溢油在海面形成的油膜，对海面重力毛细波产生阻尼作用，因此有油膜的海面比没有油膜的海面光滑，在合成孔径雷达图像上呈低散射区。如果海面存在油膜，在风速和波浪高度合适的情况下，合成孔径雷达能够探测海面油膜。HY-1A卫星具有较强的监测海冰能力，利用HY-1A卫星资料，可反演出海冰厚度、海冰外缘线、海冰密集度和海冰温度等信息。国家海洋环境预报中心在海冰预报业务中，使用HY-1A卫星数据建成了海冰预报。（3）卫星遥感海冰监测HY－1A卫星海冰遥感图HY－1A卫星反演的渤海海冰密集度图HY－1A卫星反演的渤海海冰外缘线图HY－1A卫星反演的渤海海冰厚度图我国海洋卫星及其应用的总体发展目标是：•建立起一整套海洋卫星及其应用体系。•包括：以可见光、红外探测水色水温为主的海洋水色卫星（HY-1系列）、以微波探测海面风场、海面高度和海温为主的海洋动力环境卫星（HY-2系列）和以多光谱成像仪、合成孔径雷达