第二讲-海洋遥感概述-(1)分解

海洋遥感基础什么是海洋遥感？海洋遥感（oceanremotesensing）利用传感器对海洋进行远距离非接触观测，以获取海洋景观和海洋要素的图像或数据资料。遥感主要有三个应用方面：陆地遥感海洋遥感（难度最大）气象遥感海洋遥感是一门交叉学科。涉及海洋学、物理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。是2O世纪后期海洋科学取得重大进展的关键学科之一。形成了从海洋图谱分析到海洋现象自动识别等一套完整的理论与方法。研究内容海面风场海表温度（SST）、海表盐度、海色海洋动力要素：海浪、海面高度、内波海冰、海底地形、油膜及其它海洋污染物鱼群监测SST对于海洋研究的重要性海洋观测难度大，因此更依赖于卫星遥感观测在全球气候变化、大洋环流、赤潮监测等多个领域具有重要作用发展前景看好，对于考研以及今后的个人发展具有重要意义。发展简史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。1957年苏联发射第一颗人造卫星1960年NASA发射了第一颗电视与红外(infrared)观测卫星，开始从航天高度上探测海洋1961年美国水星(Aqua)计划。1973年Skylab证实了可见光(visiblelight)和近红外(nearinfrared)遥感对地球连续观测的能力。1975年GEOS-3卫星高度计(SatelliteAltimeter)。2.NOAA（美国海洋大气局)1972-1976发射NOAA-1，2，3，4，5卫星，装载了红外扫描辐射计(infraredscatteringradiometer)和微波辐射计(microwaveradiometer)，估计海表温度(seasurfacetemperature)、大气温度(atmospheretemperature)、湿度剖面(moistureprofile)。1978年NASA发射了三颗卫星，喷气动力实验室（JPL）研制的Seasat-A、戈达德太空飞行中心（GSFC）研制的TIROS-N和Nimbus-7卫星3.Seasat-A海洋实验卫星装载：微波辐射计SMMR、微波高度计(MicrowaveAltimeter)RA、微波散射计(MicrowaveScatterometer)SASS、合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar)SAR、可见红外辐射计VIRR5种传感器提供的海洋信息：SST、海面高度、海面风场、海浪(seawave)、海冰、海底地形、风暴潮(stormsurges)、水汽(vapour)和降雨(precipitation)等。寿命108天，被称为卫星海洋遥感的里程碑。4.TIROS-N上装载了AVHRR(高级甚高分辨率辐射计)和TIROS业务化垂直探测器TOVS.奠定了卫星海表温度进入气象、海洋业务化预报的基础。5.Nimbus-7装载了7台传感器，其中多通道扫描微波辐射计SMMR和沿岸带海色扫描仪CZCS与海洋观测有关，奠定了海色卫星遥感的基础。1978-86CZCS提供了8年的全球海色(seacolor)图像以及海洋次表层叶绿素浓度参数(parametersofoceansubsurface'schlorophyllconcentration)。发展简史1985年以来，海洋卫星遥感全面进入应用阶段。发展简史1985年以来发射的主要卫星发展简史主要传感器类型我国的海洋遥感2002年才发射了第一海洋卫星HY-1A。2007年4月11日发射了HY-1B。我国的海洋遥感发展目标建立起一整套海洋卫星应用体系，包括：以可见光、红外探测水色水温为主的海洋水色卫星系列(HY-1)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系列(HY-2)以多光谱成像仪、合成孔径雷达、微波散射计、辐射计、雷达高度计等多种遥感器为主载荷的海洋环境综合卫星系列(HY-3)希望到2015年，形成以我国海洋系列卫星为主导的立体海洋监测网，使我国的海洋卫星及其应用水平达到国际先进水平，并进入世界海洋遥感先进行列。海洋遥感现状优点目前遥感技术已应用于海洋学各分支学科的各个方面海洋遥感技术的应用，使得内波、中尺度涡、大洋潮汐、极地海冰观测、海－气相互作用等的研究取得了新的进展。•如气象卫星红外图像象，直接记录了海面温度的分布，海流和中尺度涡漩的边界在红外图像象上非常清晰。•利用这种图像象可直接测量出这些海洋现象的位置和水平尺度，进行时间系列分析和动力学研究。不足某些传感器的测量精度和空间分辨力还不能满足需要，很难做到定量测量；有的遥感资料不够直观，分析解译难度很大；传感器主要利用电磁波传递信息，穿透海水的能力较弱，很难直接获得海洋次表层以下的信息。发展前景EOS计划：投入100亿美元，18年完成TERRA：1999-12-18：35颗中的第一颗卫星。搭载5个传感器：CERES：云和地球辐射能量系统，确定云净辐射作用和地球辐射收支。MISR：多角光谱成像辐射仪，中分辨率（275-1100m）成像观测，研究地表覆盖、气溶胶(aerosol)、云散射的角度分布特征。Modis：中分辨光谱成像辐射仪，36波段和250-1000m的分辨率，对地球陆地、海洋和大气进行逐日综合评价。陆地覆盖特征及陆地变化、海洋生产力(oceanproduction)、陆地和海洋上气溶胶特性、可降水量、大气温度廓线、云滴尺度、云高和云顶温度探测。MOPITT：对流层(troposphere)污染观测仪,全球三个高度层CO分布图，及分辨率(resolution)为22km全球甲烷(methane)分布图。ASTER:高级空间热辐射反辐射计，采集自可见光至热红外地高分辨率（15-90m）多光谱资料，用于局部和区域过程研究。EOS计划概况全球环境变化、全球气候变化和自然灾害增多等全球性问题。从1991年起，NASA正式启动了把地球作为一个整体环境系统进行综合观测的地球观测系统（EOS）计划。最终目标是根据EOS卫星系统长达15年的连续观测，获得确切的地球系统变化数据和信息，最终增强人类预报天气/气候变化和自然灾害监测的能力。首次提供覆盖全球的拍照，开始为期15年的对地球表面和大气参数的全面的基本测量；通过观测试图发现人类活动对气候影响的证据，改进探测人类活动对气候影响的能力，提供全球的数据，并利用先进的计算机系统建立模型，有助于预测气候的变化；通过提供观测资料，提高对灾害天气如干旱、洪涝在时间和地理分布上的预报能力；利用TERRA数据，改进季节性和年度天气预报；进一步开发对森林火灾、洪水及干旱等灾害的监测和预报，灾害的特征确定及减灾技术的研究；开始对全球气候及环境变化进行长期的监测和数据的积累。卫星海洋遥感的应用卫星遥感为海洋科学、地球科学、环境科学、气象科学、物理科学、地理科学、电子工程和光学等学科提供了广阔的应用和发展空间。卫星海洋学（satelliteoceanography）是随着人造地球卫星的诞生而发展起来的海洋科学的新分支，它包括两个方面的研究，即遥感的海洋学解释和遥感的海洋学应用。遥感的海洋学解释涉及到对各种海洋环境参量的反演机制和信息提取方法研究;遥感的海洋学应用涉及到各个具体研究领域的目标和研究手段。海面反射、散射或自发辐射的各个波段的电磁波携带着海表面温度、海平面高度、海表面粗糙度以及海水所含各种物质浓度的信息。传感器能够测量在各个不同波段的海面反射、散射或自发辐射的电磁波能量，通过对携带信息的电磁波能量的分析，人们可以反演某些海洋物理量。传感器的遥感精度随着卫星遥感技术的发展在不断地提高，目前正在接近、达到甚至超过现场观测数据的精度。海洋表面是一个非常重要的界面海洋与大气的能量及其它交换过程都是通过这个界面进行的；海洋内部的变化也会部分地透过这一表面表现出来。运用计算机三维数值模拟和卫星遥感数据同化技术，人们就可以通过获得的海洋表面遥感信息，了解海洋内部的海洋学特征和物理变化过程因为遥感监测在海面的空间分辨率与波长成正比，所以接收波长较短的可见光与红外电磁波的传感器获得的遥感图像具有更好的空间分辨率。云的覆盖阻挡了可见光波段电磁波的透过，微波遥感弥补了不足。总之，可见光和红外遥感提供了人们对较高的空间分辨率监测的需求，微波遥感满足了人们对全天候监测的愿望。目前，运用卫星、航天飞机和普通飞机遥感技术，人们实现了对海表面温度（seasurfacetemperature）海表面盐度（seasurfacesalinity）海平面异常（sealevelanomaly）海流（oceancurrent）海表面风（seasurfacewind）海浪（seawaves）海洋内波（oceaninternalwaves）悬浮物浓度（suspendedmatterconcentration）叶绿素浓度（chlorophyllconcentration）色素浓度（pigmentconcentration）水色（oceancolor）大气剖面温度和湿度（atmosphereprofiletemperatureandhumidity）垂程水汽含量（verticalwatervaporcolumnthickness）可降雨量（totalcolumnprecipitablewatervapor）气溶胶光学厚度（aerosolopticalthickness）海洋遥感的优势具备全天时(昼夜)、全天候工作能力和穿云透雾的能力有一定的透视海水能力，以便取得海水较深部的信息。因为能够获取长时间、大范围、近实时和近同步监测资料，卫星遥感在海洋监测和研究中正在发挥越来越大的作用。利用卫星数据传输设备，浮标数据和许多其他现场海洋学观测数据可以实现近实时获取。通过卫星遥感手段达到对全球范围的海洋进行实时、全方位和立体监测，能够获得稳定可靠的多种长期观测资料。海洋观测资料是人类开发、利用和保护海洋的重要基础。卫星遥感技术作为获取海洋观测资料的重要手段，已经得到广泛的应用。然而，卫星遥感数据并不能完全取代传统的海洋学观测。例如，海洋内部垂直断面的测量必须依靠浮标或其他传统海洋学观测技术。卫星遥感数据与传统海洋学现场观测数据是互补的关系。美国“海洋卫星”1号的卫星照片显示的海洋现象海面风场大气和海洋湍流界面海流状况南极夏季边缘冰区的冰块海底地形2001年全球海表面温度（SST：SeaSurfaceTemperature）年平均等温线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：SeaSurfaceTemperature）的等温线图像；图中色标（colourbar）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（ElNiño）事件有密切关联，因而是科学家监测的重要目标。1998年1月的月平均海表面异常（SLA：SeaSurfaceAnomaly）图像美国宇航局喷气推进实验室提供的TOPEX/POSEIDON卫星高度计观测资料制作的1998年1月的月平均全球海表面异常图像；图中色标（colourbar）的单位是cm。该图清晰显示了西太平洋赤道暖水区海平面的降低和赤道东太平洋海平面的增高。这是西太平洋赤道暖水区的海水沿赤道向东倒流的结果，属于在厄尔尼诺（ElNiño）事件中发生的典型现象。指定海域海表面高度（SSH）异常与南方涛动指数的关系使用卫星遥感的多年时间序列资料，能够更加深入细致地研究海洋。上图为ERS-1/2卫星的高度计