第十一 章卫星海洋遥感

　　11.1引言

　　11.1.1卫星海洋遥感及空间海洋观测历史背景

　　卫星海洋遥感，或称空间海洋学，是利用电磁波与大气和海洋的相互作用原理，从卫星平台观测和研究海洋的分支学科。它属于多学科交叉的新兴学科，其内容涉及物理学、海洋学和信息学科，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。卫星海洋遥感是20世纪后期海洋科学取得重大进展的关键技术之一。

    空间海洋观测始于1957年苏联发射的第一颗人造地球卫星。1960年4月美国宇航局(NASA)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。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。其后，Gemini与Apollo宇宙飞船获得大量的彩色图象以及多光谱图象。尽管这些航天计划主要试验目的是空间技术，但它已展现了从卫星观测和研究海洋的潜力。

    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。地球实验海洋卫星GEOS—3主要用于测量卫星至海面的距离。天空实验室Skylab航天器同时证实了可见光和近红外遥感对地球进行连续观测的潜力。以此为基础，NASA研制了一系列高分辨率多光谱扫描仪。这些扫描仪装载在Landsat系列卫星上沿用至今，除陆地信息外，提供了有关河口和沿岸水域的海色及浑浊度信息。同时，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，这些卫星装载了红外扫描辐射计和微波辐射计，用以估计海表温度和大气温度、湿度剖面，主要用于气象学研究。

    1978年美国NASA发射了三颗卫星，为海洋观测和研究提供了一种崭新的技术手段。这三颗卫星是：喷气动力实验室(JPL)研制的SeasatA卫星，God－dard空间飞行中心(GSFC)研制的TIROS—N和Nimbus—7卫星。它们充分展现了卫星对海洋的监测能力。

    第一颗海洋实验卫星SeasatA上装载了微波辐射计SMMR、微波高度计RA、微波散射计SASS、合成孔径雷达SAR、可见红外辐射计VIRR等5种传感器。提供的海洋信息包括海表温度、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。虽因电源故障，SeasatA寿命仅为108天，却获得极其宝贵的大量的海洋信息。因此，SeasatA被称为卫星海洋遥感的里程碑。

    TIROS—N上装载高级甚高分辨率辐射计AVHRR和TIROS业务化垂直探测器TOVS。NOAA于1981年推出MCSST卫星海表温度业务化反演算法。因此，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。它实际上是NOAA—6及其后发射的NOAA极轨系列卫星的样机。

    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。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。

    上述三颗卫星构成了海洋卫星的三部曲，它标志着卫星海洋遥感新纪元的开始，并反映了可见光、红外、微波海洋遥感的概貌。

    一、空间平台及轨道

    装载传感器的空间运载工具称为空间平台，它包括人造卫星、宇宙飞船、天空实验室等。卫星作为海洋遥感的空间平台，除安装传感器外，还有如下设备：电源、热控制器、方位控制器、数据处理系统等。电源通常采用太阳能电池，并与蓄电池相连以提供夜间能源。热控制器为保证传感器及其它电子装置正常工作。方位控制器用于控制空间平台的方位，例如极轨卫星，必须控制其缓慢自转并使卫星的同一侧面保持朝下并指向地心。假设地球是形状规则、密度均匀的正球体，仅考虑地球引力，则卫星按椭圆轨道运行，地球位于椭圆的一个焦点上。卫星距地面的距离为

    式中θ为卫星近地点(轨道离地球最近的点)与所处位置的半径矢量之间的夹角，e为卫星椭圆轨道的偏心距，a为椭圆的长半轴。θ、a、e为表征卫星位置的三个轨道参数。卫星沿轨道运行的周期为

    式中G为重力常数，M为地球质量，GM=3.98603×1014m3/s2。如果轨道为圆形，则卫星的水平速度为

    地球平均半径)，则(11—3)式可用h和g表示为

    二、卫星传感器

    目前用于海洋观测的所有卫星传感器，均根据电磁辐射原理获取海洋信息。遥感技术采用的电磁波包括可见光、红外、微波。其中，可见光谱范围在0.4～0.7μm，红外波谱在1～100μm，微波波段在0.3～100GHz。传感器按工作方式可分为主动式和被动式。被动传感器如可见红外扫描辐射计，微波辐射计等；主动式如微波高度计、微波散射计、合成孔径雷达等。

    卫星传感器的种类很多，目前用于海洋研究的传感器主要有：

    ①海色传感器：主要用于探测海洋表层叶绿素浓度、悬移质浓度、海洋初级生产力、漫射衰减系数以及其他海洋光学参数。

    ②红外传感器：主要用于测量海表温度。

    ③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。

    ④微波散射计：主要用于测量海面10m处风场。

    ⑤合成孔径雷达：主要用于探测波浪方向谱、中尺度涡旋、海洋内波、浅海地形、海面污染以及海表特征信息等。

    ⑥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、CO2海—气交换等。

    三、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。由于海洋信息往往比陆地低许多，因此，对于专为海洋应用的传感器，可将数字化数据的最大值和最小值限制在一定范围内，在给定数据传输率的条件下，提高传感器的输出准确度。对于非扫描式传感器，由于其测量频率较低，可以在提高数据传输率的同时，尽可能提高数据分辨率。对于扫描式传感器，其数据几乎是连续产生，则须在采样率、数字化间隔及数据传输率之间求得平衡。一般情况下传感器自身还产生少量校准信号，例如标准黑体信号，使传感器的输出能够精确的加以校正。此外，卫星还提供相关的位置、方位、环境参数以及电源本身的辅助信息。在设计数模控制器时，产生一个与某一固定输入电压相对应的数字化数据作为测试扫描信号的校准数据。在扫描传感器中，每个扫描数列都配有这种校准数据。这些信号都随数据流一起传输到地面接收站。

    四、卫星地面接收站

    NOAA卫星地面接收站遍及各地和各部门，在中国和国际上有许多产品。NOAA卫星地面接收站如图11—1所示。相对来说，其价格较低。

    值得一提的是，由于海洋是动态环境，原则上所有数据都应归档，因此，卫星海洋遥感的数据存档对数据库、图象库、海洋GIS的研究提出了新课题。

    五、图象处理与数据处理

    卫星海洋遥感图象处理与数据处理的程序框图如图11—2所示。其中，从卫星数据反演海洋环境参数的细节将在下面各节涉及。其它部分的细节需要参考有关计算机图象处理、信号处理、模式识别方面的书籍。

    六、海洋卫星资料的反演

    所谓卫星资料的反演，是指从卫星原始数据获得定量海洋环境参数的数学物理方法，即从电磁场到物质性质或地球物理性质的逆运算。从卫星平台观测海洋，海洋信息经过复杂的海洋/大气系统而被星载传感器接收，然后再传输到卫星地面站。被动遥感(可见、红外、微波)的反演问题，主要是消除信息传输过程中海洋/大气的影响。主动遥感(微波为主)的反演问题，主要是从微波与海面相互作用中提取海洋信息。

    海洋信息往往比陆地信息小2～3个量级，并且海洋属于动态环境，因此，海洋卫星资料的反演问题更为复杂和重要。反演方法有准解析、数值模拟、统计回归或以上几种的结合。反演方法和模式有适用于全球的，也有适用于区域的。后者一般比前者有高的反演精度。

    从通讯理论观点看，海洋卫星资料的反演可归结如图11—3所示。一般来说，它是一个非线性系统。海洋/大气传输过程由一个不可解的积微分方程描述。电磁波与海洋相互作用的物理机制更为复杂。

    七、GIS系统

    地理信息系统(GIS)是一门介于信息科学、空间科学和地球科学之间的交叉学科和新技术学科，是空间数据处理与计算机技术相结合的产物。地理信息指与研究对象空间地理分布有关的信息，它表示物体与环境固有的数量、质量、分布特性的联系和规律。地理信息系统是采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间地理分布有关的数据的系统。GIS按范围可分为全球的、区域的和局部的。按内容可分为专题的、地区的和工具式的。海洋GIS系统是基于海洋空间信息特点而建立的专题地理信息系统，是具有海洋空间数据输入、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出功能的软件工具。目前，在海洋GIS领域尚未设计开发出一种完备的产品。它的研制具有十分重要的意义和广泛的应用前景，其难点和关键技术在于动态数据库和图象库，以及足够好的模型库。

    卫星海洋遥感是海洋科学的一个新的分支学科。它是物理学、信息科学和海洋科学三门学科交叉的产物，其理论基础为电磁波与海洋、大气的相互作用以及海洋/大气辐射传递。卫星海洋遥感涉及广阔的电磁波范围，包括可见光、红外和微波。可见光遥感利用太阳光源，红外遥感利用海面热辐射，微波遥感分为海面微波辐射被动源和星载微波雷达主动源。将来，激光可能成为星载主动源。卫星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。值得注意的是，卫星海洋遥感对于海洋的观测和研究不仅限于船舶与浮标所测量的参数以及在此基础上所得出的海洋学规律，卫星海洋遥感还开辟了一个新的考虑问题的视角。

    其次，卫星海洋遥感为海洋观测和研究提供了一个崭新的数据集。这个数据集之大，超过百余年来船舶与浮标数据的总和。这个数据集覆盖了相当部分海洋环境参数和信息，包括海表温度、大气水汽、叶绿素浓度、悬移质浓度、DOM浓度、海洋初级生产力、海洋光学参数、大气气溶胶、海平面高度、大地水准面、海流、重力异常、海洋降雨、有效波高、海浪方向谱、海面白帽、内波、浅海地形、海面风场、海面油膜、海面污染、CO2海/气交换等方面。这个数据集的工作平台在离地球800～1000km的卫星上，与传统的船舶、浮标数据相比，具有以下无可比拟的优点：

    (1)大面积同步测量，且具有很高或较高的空间分辨率。可满足区域海洋学研究乃至全球变化研究的需求。20世纪后期国际海洋界执行和参与的大型研究计划，如世界气候研究计划(WCRP)，热带海洋与全球大气研究计划(TOGA)，世界大洋环流实验(WOCE)，全球海洋通量联合研究计划(JGOFS)，海岸带海陆相互作用计划(LOICZ)等，都采用了卫星海洋遥感所提供的数据集。

    (2)可满足动态观测和长期监测的需求。90年代，各国海洋卫星计划已构成10～20年时间尺度的连续观测，以满足海洋环境业务化监测和气候研究的迫切要求。

    (3)实时或准实时性。可满足海洋动力学观测和海洋环境预报的需求。目前，卫星对于同一海域的观测时间间隔为半小时至一个月。

    (4)卫星资料不仅具有大面积同步测量的特点，同时具有自动求面积平均值的特点，尤其适用于数值模型的检验和改进。卫星资料在海洋数值模式中的数据同化是当今的前沿研究课题之一。

    (5)卫星观测可以涉及船舶、浮标不易抵达的海区。

    第三，卫星海洋遥感多传感器资料可推动海洋科学交叉学科研究的发展。卫星海洋遥感各种传感器所提供的海洋环境参数和信息，涉及海洋动力学、海洋生物学、海岸带、全球变化、海气相互作用、海洋通量、海洋生态学等。90年代以来，国际上的海洋卫星计划提供了多传感器同步应用的条件。这样，不仅推动了卫星海洋遥感自身的深入发展，同时，推动了卫星海洋遥感与各海洋学分支的交叉研究以及海洋学各分支学科的交叉研究。

    1991年ERS—1卫星发射成功，它被称为90年代海洋卫星计划的先驱。其上装载了四个传感器，包括ATSR，SAR，SCAT，ALT。下表列出90年代国际上主要用于海洋观测的卫星计划，从中看出，卫星海洋遥感技术已趋于成熟并进入业务化运行。