卫星遥感在海洋观测中的应用

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1、中国航天 一九九七年 第八期卫星遥感在海洋观测中的应用李允武；张淑芝；葛运国 海洋覆盖着地球面积的 71%，容纳了全球 97%的水量，为人类提供了丰富的资源和广阔的活 动空间。随着人口的增长和陆地非再生资源的大量消耗，开发利用海洋对人类生存与发展的 意义日显重要。据统计，全世界海洋经济总产值 1985 年为3500 亿美元，如今已突破 1 万亿 美元。海洋对全球自然环境和自然灾害的发生有着举足轻重的影响，而人类活动又反作用于 环境，破坏了自然界的平衡。 因为海洋对人类非常重要，所以，国内外多年来投入了大量的人力和物力，利用先进的科学 技术，以求全面而深入地认识和了解海洋，指导人们科学合理地开发

2、海洋，改善环境质量， 减少损失。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，也不可能掌握洋盆尺度或全球大洋尺度的过程和变化规律。在过去的 20 年中， 随着航天、海洋学、计算机、遥感等科学技术的进步，产生了一门崭新的学科卫星海洋 学。它形成了从海洋状态波谱分析到海洋现象判读等一套完整的理论与方法。 海洋卫星遥感与常规的海洋调查手段相比具有许多独特的优点： 第一， 它不受地理位置、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。第二， 卫星遥感能提供大

3、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。第三， 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。第四，卫星遥感获取的海洋信息量非常大。以美国的海洋卫星 1为例，虽然在轨有效运 行时间只有 105 天，但所获得的全球海面风向风速资料，相当于上一个世纪以来所 有船舶观测资料的总和，星上的微波辐射计对全球大洋做了 100多万次海面温度测 量，相当于过去 50 年来常规方法测量的总和。第五， 能同步观测风、流、污染、海气相互作用和能量收支情况。海洋现象必须在全球大 洋同步观测，这只有通过海洋卫星遥感才能做到

4、。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。以下分别简介它们在海洋观测中的应用。一、雷达散射计这是一种主动式斜视观测的微波装置。利用特定频率的雷达波脉冲照射到粗糙海面后产生的 布喇格后向散射回波信号，可以反演出海面风速、风向和风应力以及海面波浪场，因而也就 有了测风散射计和测波散射计。其测量精度与散射计的工作频率、观测角、天线极化方式、 大气传输校正及所用的反演算法有关。海洋卫星 1上的雷达散射计SAAS的风速测量准确 度达2m/s,风向测量准确度为20。下表列出了欧洲遥感卫星(ERS)-1雷达散射计 的主要性能。利用

5、散射计测得的风浪场资料，为海况预报提供了丰富可靠的依据。积累的历 史资料将为海岸和近海工程设计提供科学的设计标准。欧洲遥感卫星-1微波散射计的风浪场测量性能测量参数测量范围精确度空间分辨率地面定位精确度全球覆盖周期风速4 2 4 m /s2 m /s5 OkmX5O km5 km3天风向0 360205OkmX5O km5 km3天波向0 180205kmX5 km5 km3天波长1001000m25%5kmX5 km5 km3天二、星载雷达高度计星载雷达高度计也是一种主动式微波传感器。测量脉冲经海面反射之后的往返时间可得出卫 星的高度，用它可进行下列测量：1 大地水准面 大地水准面可以反演出

6、重力异常，又与地下物质密度分布、洋中脊、断裂带、海沟等相关。 这对地质探测和海洋测绘意义重大。测地卫星(Geosa t)上的高度计，获得的数据准确，时间 跨度长。欧洲遥感卫星 1的高度计测高精确度优于10cm，托佩克斯/海神卫星(TOPEX P OSEIDON)测高精确度(均方根)小于24cm。我国利用测地卫星高度计数据计算了东 海大地水准面高度。2 海冰 高度计对冰冠和极地研究具有很大价值。利用海洋卫星星载雷达高度计能准确地测量冰面高 度和冰的体积，因而能跟踪陆冰层，还可测量海上冰盖的消长，监测海冰的分布和运动。这 对全球海平面和气候变化的研究是至关重要的。3 潮汐高度计观测潮汐的突出特点是

7、能提供全球大洋潮高分布，使潮汐的动力方程数值解的置信度 大大提高。它还可以反映地壳构造的信息。4 水深 根据海洋卫星高度计数据可以绘出相对于基准椭球面的平均海平面等高线图。该图基本上包 含了大地水准面的信息。从该图可以一目了然地看出海沟和洋中脊等迄今未知的大洋水深的 主要特征。5 海面风强度和有效波高 由高度计的后向散射截面积可以反演海面粗糙度。高度计测量有效波高的精度和准确度不低 于现场测量仪器。由微波高度计与微波散射计测得的资料还可以计算出波能密度。利用高度 计数据对风速的估计，在风速为01 Om/s范围时，误差低于1m/s。6 “厄尔尼诺”现象 利用星载高度计测量出赤道太平洋海域海面高度

8、的时间序列，可以分析出其大尺度波动传播 和变化的特征，对“厄尔尼诺”现象的出现和发展进行预报。7 海洋大中尺度环流 卫星高度计能在整个大洋范围测出海面动力高度，因而，它是唯一的大洋环流监测手段。三、合成孔径雷达(SAR)这是一种高方位分辨率的相干成像雷达。它利用了相位和振幅信息，是一种准全息系统，可 分为侧视、斜视、多普勒锐化和聚束测绘等工作方式。它利用合成天线技术获取良好的方位 分辨率，利用脉冲压缩技术获得良好的距离分辨率。自在海洋卫星上试验成功后，许多后续发射的航天器上都相继搭载了不同类型的合成孔径雷 达，例如，欧洲遥感卫星-1，日本地球遥感卫星-1 和雷达卫星上都载有以观测海洋和海冰为

9、主的合成孔径雷达。随着 SAR 成像机理不断被人们所认识，其应用领域日趋广泛和深入。概括起来，其主要用途 包括以下几项：1通过对SAR图像作快速傅里叶变换，可确定二维的海浪谱及海表面波的波长、波向和内 波。这对国民经济建设和军事应用都具有重大意义，其中尤以可探测出海洋内波的功能在军 事上有极大的应用价值。2 根据SAR图像亮暗分布的差异，可以提取到海冰的冰龄、厚度、分布、水冰边界、冰 山高度等重要信息。3 利用SAR图像不仅可及时发现海洋中较大面积的石油污染，而且可以监测突发性污染事 件。依靠连续的 SAR 图像还可以对污染范围和扩散方向进行跟踪。这样的图像可作为执法管 理和清污处理的依据。4

10、 由于 SAR 图像上的亮暗分布与海底地形、地貌有一种直接相关性，在一定的风浪条件下， 可以进行浅海水深和水下地形测绘，为专属经济区的勘察与划界提供科学依据，对浅海油气 勘探与开发、海底油管和电缆铺设、海上交通运输和海上军事活动等具有重大意义。四、微波辐射计海面温度是海洋学研究必测的最基本参数之一，水温是划分水团的主要依据之一，还被用于 分析海洋锋和流系。在气象学中，海水温度场是全球气候变化模式的主要输入量，热带气旋 的产生，海 气交换和“厄尔尼诺”现象等，都与海水温度相联系。水温是控制生物种群分 布及其回游和繁殖过程的基本量，因而在海洋渔场渔情分析预报中占有重要地位。在海洋地 质学和地球化学

11、中，水温影响着絮凝过程、沉积过程、化学反应和地球化学过程。另外还有 水体的热污染探测，也与水温有关。微波辐射计是被动微波传感器，通过测量由海面发射的热辐射温度来遥感海面的温度。以美国泰罗斯 N卫星上的甚高分辨率辐射仪(AVHRR)为代表的传感器，可以精确地绘制出海面 分辨率为1km、温度精度优于1C的海面温度图像。通过卫星遥感海面温度得出的全球大洋 等温线分布，揭示了以前常规方法所没有发现的复杂现象，甚至纠正了以前所得出的不正确 结论。五、可见光近红外波段中的多光谱扫描仪可见光/近红外波段中的多光谱扫描仪(MSS, TM)和海岸带水色扫描仪(CZCS)均为被动式传 感器。它能测量海洋水色、悬浮

12、泥沙、水质等。以下为这类传感器在海洋几个方面的应用：1 在海洋渔业方面的应用海洋浮游植物是有机物的初级生产者和能量的主要转换者。它的数量变化直接影响海洋中鱼 虾等生物资源的数量变化。通常以叶绿素浓度(即水色)来表示浮游植物的含量。在中心波段0.443、0.52和0.55“m上可以遥感出海面叶绿素的浓度，并绘制出专题图。通过这些图， 配合温度，可以预报、预测中心渔场和渔汛，既能有效地开发渔业资源，又能避免过度捕捞， 保护资源，还可指导水产养殖业。2 在海洋污染监测方面的应用 用卫星上的可见光/多光谱辐射传感器不仅可以监测进入海洋中的陆源污染水体的迁移、扩 散等动态变化，还能监测石油污染。该传感器

13、在可见光波段测出石油污染海区的光谱反射比 比洁净海面大。用红光波段监测油膜，用蓝光波段区分油膜和航迹或泥浆水羽流，可以达到 最佳效果。海湾战争中的溢油监测就动用了卫星遥感。据欧空局统计， 1979 年欧洲国家采用 遥感方法监测溢油，至少可以获得370万美元的收益。多光谱扫描仪还用于监测赤潮。近几 年来赤潮已对我国海洋养殖业构成巨大威胁。1989 年 8 月渤海湾的裸甲藻赤潮造成了 3 亿 元的损失。1986 年12 月福建东瓷窑村因赤潮136 人中毒，1 人死亡。可见光红外多光谱 辐射计可给出赤潮全过程的位置、范围、水色类型、海面磷酸盐浓度变化以及赤潮扩散漂移 方向等信息。这些信息可存入计算机

14、，建立赤潮环境信息管理系统。3在海岸带开发中的应用 多光谱影像是海岸带的海岛岸线、潮滩及河口三角洲动态调查研究中应用最广泛的遥感资 料。我国利用19751 9 8 6年的资料对黄河三角洲悬浮泥沙进行了调查；对热带红树林的 生长、繁衍、退化和周围环境变化进行了监测；对河口水域悬浮泥沙进行了遥感，分析了水 下动力地貌，如浅滩迁移、河口拦门沙的演变、河道、水槽的淤积状况等；为港湾的建设、 港口的保护、海岸保护及河口三角洲开发利用提供了十分重要的遥感数据；对浅水水深和地 形地貌进行了测量。利用多光谱扫描仪的0.50.6p m和0.60 .m波段可遥感浅海水深、绘制浅海地形。在洁净海水中可穿透22m,精

15、度可达10%。据统计，我国利用海洋遥感 在海岸调查中至少可节省4280万元，在我国港口建设中至少可节省9200万元。4 在全球尺度海洋科学研究中的应用(1)在全球碳循环研究中可起到不可替代的作用。可以全面了解海洋在现今全球碳循环中的 作用和在海盆尺度上了解海洋初级生产者与食物链中高层动物之间的关系。 (2)可进行全球 海洋通量研究，获取重点海域海表面二氧化碳含量和海洋光学特性。 (3)可进行大气臭氧层 的研究。大气臭氧层的空洞会使海洋表面单细胞植物遭受杀伤和破坏，导致海洋生物量下降 6%12%。从观测到的生物量下降的变化，可以反演大气臭氧层的变化。(4)对海冰进行 研究。利用可见光红外遥感海冰

16、，可以得到海冰分布、海冰类型、海冰厚度、海冰漂流、 海水 海冰界线、海冰生长与消融过程等有关信息。(5)可以对“厄尔尼诺”现象进行研究。六、结束语以上只是从几种常用的卫星遥感设备的角度简述了卫星遥感的海洋应用，实际应用范围还远 不止于此，而且它的应用深度和广度还将进一步提高。当然，这些应用是以许多辅助手段为 基础的。例如数据处理算法的开发、大气传输校准、遥感数据的地面场定标和校验、不同型 号同类传感器数据的同化、历史数据和现场数据的归一化处理等，都必须依靠常规的现场观 测和先进的计算技术和通信技术的支持。卫星遥感具有大面积覆盖、快速、连续、全天时、 全天侯的工作能力，不仅能完成常规方法难以胜任的观测工作，而且可以节省大量的