[科普中国]-海洋遥感

简介

海洋不断向环境辐射电磁波能量，海面还会反射或散射太阳和人造辐射源（如雷达）射来的电磁波能量，故可设计一些专门的传感器，把它装载在人造卫星、宇宙飞船、飞机、火箭和气球等携带的工作平台上，接收并记录这些电磁辐射能，再经过传输、加工和处理，得到海洋图像或数据资料。遥感方式有主动式和被动式两种：①主动式遥感。先由遥感器向海面发射电磁波，再由接收到的回波提取海洋信息或成像。这种传感器包括侧视雷达、微波散射计、雷达高度计、激光雷达和激光荧光计等。②被动式遥感。传感器只接收海面热辐射能或散射太阳光和天空光的能量，从中提取海洋信息或成像。这种传感器包括各种照相机、可见光和红外扫描仪、微波辐射计等。按工作平台划分，海洋遥感可分为航天遥感、航空遥感和地面遥感3种方式。

海洋遥感技术，主要包括以光、电等信息载体和以声波为信息载体的两大遥感技术。

海洋声学遥感技术是探测海洋的一种十分有效的手段。利用声学遥感技术，可以探测海底地形、进行海洋动力现象的观测、进行海底地层剖面探测，以及为潜水器提供导航、避碰、海底轮廓跟踪的信息。

海洋遥感技术是海洋环境监测的重要手段。卫星遥感技术的突飞猛进，为人类提供了从空间观测大范围海洋现象的可能性。目前，美国、日本、俄罗斯等国已发射了10多颗专用海洋卫星，为海洋遥感技术提供了坚实的支撑平台。

基本原理海洋不断地向周围辐射电磁波能量，同时，海面还会反射（或散射）太阳和人造辐射源（如雷达）照射其上的电磁波能量,利用专门设计的传感器,把这些能量接收、记录下来,再经过传输、加工和处理,就可以得到海洋的图象或数据资料。

基本性能海洋遥感系统必须具备如下性能：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。

基本特征海洋遥感与陆地遥感相比，具有明显的特点。2

1、海洋反射信号弱，现象间光谱差异小。海洋遥感探测中，大气影响是一个不可忽略的因素。在传感器所接收的辐射能中，大气路程辐射比海洋本身辐射高一个数量级，占据了信息的绝大部分。故大气校正是开展海洋卫星遥感的一个必不可少的步骤。在陆地遥感中， 陆地上的地物波谱差异较大，不同地物具有不同的“地物谱”，加之地物反射或发射电磁波的能力较强，传感器能够接收到较强的信号，并能在传感器上得到很好的反映。在同一大气条件下，大气对不同地物辐射的影响是一致的。因此，如不作绝对定量研究，即使不做大气校正工作，仍可以提取到满足应用要求的地物信息。

2、海洋遥感理论性强。海洋遥感从数据的预处理到专题信息提取都是理论性很强的工作。在信息处理中，大气辐射理论、海洋各种要素的遥感机理、反演模式等，都涉及海洋学、物理学、地理学等众多学科，是理论性很强的科学。

3、影响海洋要素遥感信息的因素多。海洋要素处于广阔的动态空间中，受到众多因素的影响。 比如泥沙含量就受许多海况要素的影响，海面风会阻止悬浮泥沙下沉；波浪则会掀起海底沉积物；潮流能使海水挟沙混合运动增强；温差则会造成海水上下涡动；沉积物和底质会影响悬浮泥沙的浓度。这些因素影响了海水泥沙含量，最终影响到所获取的泥沙遥感信息。因此，海洋要素随时受到不同因素的影响，遥感信息呈现很强的时态性。这使得在海洋要素遥感信息分析时，必须考虑探测周围环境中的主要影响因素，如所研究海区的特征和探测时的海况条件 (如海面风、浪、流等)，以便得到正确的结论；在海洋遥感信息提取时，海洋要素的反演模式也变得较为复杂。

4、海洋遥感的特性描述方法不同于陆地遥感。 陆地地物因光谱差异明显，往往具有特定的“地物光谱”。而海洋表层性质较为均一，反射度和对比度都较小，难以发现不同海洋要素的特征光谱。海洋遥感是通过其它参数反映海洋要素特征的。其中海水吸收系数、体散射函数、散射系数、衰减系数、相函数和单次散射反射比是几个重要的海洋参量，可用来描述海水本身特征的，我们称之为海洋要素的“地物谱”。 比如海水吸收系数 ,是描述电磁波在传播过程中由于海水的吸收引起强度衰减的一个物理量，它随海水成分如盐、叶绿素及悬浮物等的变化而变化。不同的海水吸收系数，反映了成分或成分含量不同的海水。

5、海洋遥感要求传感器有较高的时间分辨力。 广阔的海洋是时刻处于运动中的水体，比如海洋动力环境要素中的海面风场、浪场、流场、潮汐及涡旋等等，都是瞬息变化的要素。因此，海洋遥感的时域特性是很重要的，只有保持海洋观测很好的动态性，才能及时准确地反映海洋要素的变化过程。相对而言，陆地遥感中，往往地物变化周期要长得多，动态性要差得多。

6、海洋遥感对传感器的光谱分辨率要求高。 因为不同海洋要素光谱差异很小，故只有把传感器波段细化，才能使海洋要素得到很好的反映。 如SeaWiFS就把可见光分为 7个波段 (波长分别为 443 nm, 490 nm, 510 nm， 520 nm, 550 nm, 670 nm, 750 nm)，波段范围较窄，以适应不同水色要素的探测要求。

遥感方式按照传感器工作方式，可以把海洋遥感划分为主动式和被动式两种。主动式遥感，传感器向海面发射电磁波,然后接收由海面散射回来的电磁波,从散射回波中提取海洋信息或成象。主动式传感器包括侧视雷达、微波散射计、雷达高度计、激光雷达和激光荧光计等。被动式遥感,传感器不发射电磁波,只接收海面热辐射能量或散射太阳光和天空光能量，从这些能量中提取海洋信息或成象。被动式传感器有各种照相机、可见光和红外扫描仪、微波辐射计等。按工作平台划分，海洋遥感则可分为航天、航空和地面三种遥感方式。

应用海洋遥感主要应用于调查和监测大洋环流、近岸海流、海冰、海洋表层流场、港湾水质、近岸工程、围垦、悬浮沙、浅滩地形、沿海表面叶绿素浓度等海洋水文、气象、生物、物理及海水动力、海洋污染、近岸工程等方面 。近年来对于海岸带及海岛的遥感尤为活跃，它可以提供跟踪大尺度洋流、中尺度涡流实时调查信息 (包括风浪场的准确信息)、海面上空的云图和风暴潮及台风信息、海洋初级生产力和海洋生物环境方面的信息、有关重力场、海平面、大地水准面等海面地形的测高资料及快速大尺度监测和区分海面溢油及其它海面污染的方法与图像等方面信息。1

发展情况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。从航天高度上探测海洋始于1960年。这一年美国成功地发射了世界第一颗气象卫星"泰罗斯-1”号。卫星在获取气象资料的同时，还获得了无云海区的海面温度场资料，从而开始把卫星资料应用于海洋学研究。美国1978年又发射了“海洋卫星-1”号（见海洋卫星）。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，并先后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。

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象上非常清晰。利用这种图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。但是，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。因此，有待进一步改进。

相关情况探索中国海洋遥感之路

海洋报记者张向冰（2004-10-15） 进入21世纪以来，遥感技术日益成为备受国际科技界关注的热点。从应用的领域来看，科学家们通过对现状的调查，总结出遥感科技主要有三个方面：一是陆地遥感；二是海洋遥感；三是气象遥感。其中，科技难度系数最大的当属海洋遥感。 “目前，我国海洋遥感技术与国际先进水平尚有较大差距，但有些部分是领先的。”10月12日，北京大学遥感与地理理信息系统研究所所长童庆禧院士，在第三届西北太平洋海洋遥感国际研讨会上，向本报记者介绍和分析了原因。一是起步较晚。我国在2002年才发射了第一海洋卫星，而发达国家早在几十年前就完成了这项任务；二是我国海洋遥感整体技术与先进国家有差距。原因是我国海洋遥感技术研究的基础非常薄弱，技术队伍不成熟；三是针对海洋遥感问题研究的深度和广度，以及对其机理研究还没有形成系统。童院士称，由于海洋是全球性系统，因此要从全球的范围进行科学研究。而我国主要还局限于近海研究和观测，监测的范围很小；四是对海洋遥感空间数据综合分析能力明显不足，主要是研究队伍与实际需要存在差距。因此，要不断扩大科研队伍的建设。

在差距面前，如何审视中国海洋遥感科技？童庆禧院士认为，我国十分重视海洋遥感技术的发展，特别是我国在海洋卫星研究方面有着自己的特色。目前，正在准备发射第二颗海洋卫星，将来还要研制和发射一系列海洋卫星，这将大大缩短与世界先进国家在海洋遥感技术上的距离。目前，我国海洋卫星遥感技术，以及刚刚装备的海洋监测飞机，已经在海洋环境监测等诸多方面发挥了重要的作用。同时还要通过遥感技术研究，建立我国独特的遥感海洋科学，使之达到世界先进水平。

据了解，当今世界一些濒临海洋的发达国家，都非常重视海洋遥感研究与发展。美国于1978年就发射了海洋卫星；日本在20世纪90年代初期也已发射了海洋卫星；俄罗斯有一系列卫星，其中“宇宙”系列卫星就包含了海洋遥感观测技术；欧洲资源卫星主要以海洋为目标，以法国为代表；北欧海洋遥感与观测技术的代表则首推挪威和瑞典。

那么，如何寻找到一条适应我国海洋遥感科技的高速发展之路？“拓展我国与国际间合作是必由之路。”国家海洋局第二海洋研究所潘德炉院士认为，我国海洋遥感虽然起步较晚，应用水平也不足，发展前景却十分广阔。只有通过加强国际间合作，才能促进我国海洋遥感事业不断前进。目前，我国正与日本、韩国合作，进行海洋遥感监测与速报技术的研究。如果获得成功，将使我国海洋卫星监测技术处于世界领先地位。到那时，我们获取海洋环境信息，就像我们现在听天气预报一样便利。

中国科学院南海海洋研究所博士生导师唐丹玲教授从事遥感技术研究整整十年。作为刚从日本回到祖国工作的“海归派”，她认为我国遥感技术与国外先进国家虽然有一定距离，但整体实力上我国进步很快，基本接近世界先进水平。但我国的海洋遥感技术研究，仍需进一步加强国际间合作。由于海洋遥感技术本身具有的特性，也要求了这是一项国际间合作性的学科。她回到国内后，很快建立了热带海洋环境动力学重点实验室，希望利用国内现有的条件，不断地把国外先进的海洋遥感技术“带进来“，带出一支实力派的海洋遥感科技队伍，为国家海洋遥感科学事业作出贡献。

国际间合作，无疑已成为我国海洋遥感发展的必由之路。但是，发展我国海洋遥感科学，缺少的仅仅是国际间合作，以及部分技术上的差距吗？国家卫星海洋应用中心唐军武博士对我国海洋遥感技术研究存在的问题，向记者做出了分析。他认为，国外海洋遥感技术的研究与发展很快，而且很有深度，区域性合作的观念很强烈，特别是全球性海洋观念很强。我们缺少的不仅仅是诸如遥感器等硬件技术上的距离，主要矛盾是我国学科分割现象太严重，导致不能够有效地进行学科整合。仅从这一点来说，我们就与日本存在着相当大的观念上的距离。日本在进行海洋遥感科学中，是建立在大学科和综合背景之中进行的，只要对该海洋遥感研究有帮助的学科，都可以“拿来”进行交叉和整合，避免了重复研究和科研投资。而这一点我们做的还远远不够。

“扩大国际间合作，重要的一点就是要实实在在地进行科学交流，而目前我们的思想观念还相对保守。”北京大学遥感与地理信息系统研究所副教授曾琪明，面对记者无奈地指出“瓶颈”之痛。他认为，在核心技术保密的情况下，应适当向国外专家开放一些实验室，以利于国际间学科的合作与交流，以利于学习、吸收国外一些新技术。这实际上是一个观念问题，科学发展观的理论支撑，离不开转变传统的思想观念。海洋遥感科学亦概莫能外。3