第一章+绪论+-+海洋遥感

2020/2/24海洋遥感TheOceanicRemoteSensing唐家奎副教授[e-mail]18618361613中国科学院研究生院资环学院2020/2/24课程安排总学时40时间周2、4，9-10节地点综合楼709考核平时作业（报告讨论4次），40%成绩考试时间：12月13号，地点综合楼404（第20次课）笔试开卷，60%2020/2/24学生在掌握海洋遥感原理的基础上，重点掌握海洋主要参数遥感反演以及海洋现象卫星探测的原理与方法，通过本课程学习，能较系统地掌握海洋遥感的原理、信息提取和应用方法，了解海洋遥感的最新进展。为日后开展海洋遥感方向研究奠定基础。教学目的2020/2/24教学内容设置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载荷第四章光学传感器与水色遥感第五章微波传感器与应用第六章合成孔径雷达与应用第七章海洋表面温度遥感第八章海洋风场遥感第九章海洋表面动力地形的卫星测量第十章海洋盐度遥感第十一章海洋现象的遥感探测第十二章GPS、激光等新方法趋势、展望为什么学基础补充学习经典遥感探测方式海洋环境动力参数海洋综合现象新方法新思路2020/2/24第一章绪论海洋遥感的意义海洋遥感的概念海洋遥感的特点海洋遥感的应用与发展相关数据、资料获取2020/2/241.1海洋遥感的意义（1）海岸带调查研究的重要性海岸带自古以来就是人类赖以生存和进行生产活动的重要场所，是世界海洋国家社会经济发达地区。对海岸带进行相关调查与研究对于沿海资源的合理开发与利用非常重要。2020/2/241.1海洋遥感的意义（2）海洋资源的重要性海洋占全球面积海水占水体面积（体积）71％95％（97％）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。2020/2/241.1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。2020/2/241.1海洋遥感的意义（3）海洋遥感在海洋研究中的重要性纵上所述，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。2020/2/241.1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。2020/2/241.1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的重要性体现在：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。2020/2/241.2海洋遥感的概念海洋遥感（TheOceanicRemoteSensing）是指以海洋及海岸带作为监测、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。1.基本概念2020/2/241.2海洋遥感的概念2.研究内容海洋遥感的研究内容包括物理机制、海洋卫星传感器方案、反演理论和模型、图象处理与信号处理、卫星数据海洋学应用、海洋GIS等。遥感数据同化——解决更复杂的海洋现象多源数据融合趋势地面测量2020/2/241.2海洋遥感的概念•物理海洋学遥感：主要包括海面温度、海浪谱、海风矢量、全球海平面变化、内波、盐度等；•生物海洋学和化学海洋学遥感：如对海洋水色、黄色物体、叶绿素浓度等的监测；海冰监测；海洋污染监测等；•目标识别——舰船、尾迹（军事、执法）2.研究内容–具体应用领域2020/2/241.2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、微波技术、计算机技术、通讯技术密切相关。形成了从海洋波谱分析到海洋现象自动识别等一套完整的理论与方法。3.涉及的相关学科2020/2/241.3海洋遥感的特点①不受地表、海面、天气和人为条件的限制，可以探测地理位置偏远、环境条件恶劣等不能直接进入的海区;②宏观特性可进行大面积同步测量，能够进行半球或全球探测（如叶绿素浓度用于研究全球碳循环）；③可动态的、长期的、周期性的对海洋现象进行监测；④具有实时或准实时的特性；⑤多个探测器相配套（如对海冰的监测）。1.整体特点2020/2/24（1）全天候全天时探测（2）半球或全球探测（3）定性、定量探测（4）长期不间断监测（5）轨道定位精度高（6）高灵敏度、高量化等级、宽动态范围（7）多光谱、高光谱（8）探测器配套性好卫星海洋探测的特点2020/2/241.3海洋遥感的特点①传感器设计方面：光学遥感器应具有带宽较窄、IFOV较大的特点；微波波段在海洋遥感中应用较多;②传感器定标与数据处理应用方面：需要调查船、浮标、潜水器等仪器实测资料的支持；③数据预处理方面：消除大气的干扰非常重要；④数据应用方面：适用于海洋数值模型的检验和改进（如数据同化）。2.具体特点2020/2/241.4海洋遥感的应用与发展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2020/2/241.4海洋遥感的应用与发展1.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丰富的海面温度信息。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2020/2/241.4海洋遥感的应用与发展1.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，提供了有关河口和沿岸水域的海色及浑浊度信息。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2020/2/241.4海洋遥感的应用与发展1.经历的4个主要阶段–探索阶段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）。2020/2/241.4海洋遥感的应用与发展1.经历的4个主要阶段–卫星与传感器的试验阶段（1978-1984）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。继美国第一颗海洋卫星发射以后，世界各国陆续开始研究并发射与海洋观测相关的卫星。2020/2/24(1)海洋水色卫星主要用于探测海洋水色要素，如叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、有色可溶有机物等，此外也可获得浅海水下地形、海冰、海水污染以及海流等有价值信息。（2）海洋地形卫星主要用于探测海表面拓扑，即海平面高度的空间分布。此外，还可探测海水、有效波高、海面风速和海流等。（3）海洋动力环境卫星主要用于探测海洋动力环境要素，如海面风场、浪场、海冰等，此外，还可获得海洋污染，浅水水下地形、海平面高度等方面信息。海洋卫星类别2020/2/24目前共有探测器：合成孔径雷达，雷达高度计，微波散射计，微波辐射计，海洋水色仪[CCD成像仪，可见光扫描辐射计]，红外扫描辐射计，中分辨率成像光谱仪，激光雷达等用途总的类别为：海面风向、风速、有效波高、波向、波谱、大洋洋流、海流、内波、海面拓扑、海面高度、冰面拓扑、海冰覆盖、海冰厚度、海冰温度、冰面纹理、水下地形、水深、海面温度、海水叶绿素、泥沙、海水热污染、水质、溢油、岛礁调查、水陆分界、岸线、滩涂、河口、航道、风暴监测、舰船卫星海洋探测器种类及用途2020/2/241.4海洋遥感的应用与发展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、可见红外辐射计等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。TIROS-N上装载AVHRR和业务化垂直探测器。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及其后发射的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。2020/2/241.4海洋遥感的应用与发展1.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。2020/2/24海洋卫星的发射情况2020/2/241.4海洋遥感的应用与发展2.我国海洋遥感的发展–卫星与传感器发展历程（1）始于70年代末，首次接收美国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，但真正投人业务运行是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；2020/2/241.4海洋遥感的应用与发展（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。2008年5月，我国首颗新一代极轨气象卫星风云三号发射升空，装载10余种先进探测仪器；2010年11月5日中国成功发射第二颗“风云三号”气象卫星。（4）2002年5月，发射的HY-1卫星，是我国第一颗海洋水色探测卫星，正式启动海洋卫星体系建设的“三步曲”：发射海洋水色卫星系列、发射海洋动力环境卫星系列、发射海洋环境综合监测卫星系列。2007年4月11日HY-1B成功发射。2.我国海洋遥感的发展–卫星与传感器发展历程2020/2/241.4海洋遥感的应用与发展2.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）