衛星海洋遙感
衛星海洋遙感及空間海洋觀測曆史背景
衛星海洋遙感，或稱空間海洋學，是利用電磁波與大氣和海洋的相互作用原理，從衛星平台觀測和研究海洋的分支學科。它屬於多學科交叉的新興學科，其內容涉及物理學、海洋學和信息學科，並與空間技術、光電子技術、微波技術、計算機技術、通訊技術密切相關。衛星海洋遙感是20世紀後期海洋科學取得重大進展的關鍵技術之一。
空間海洋觀測始於1957年蘇聯發射的第一顆人造地球衛星。1960年4月美國宇航局(NASA)發射了第一顆電視與紅外觀測衛星TIROS—Ⅰ，隨後發射的TIROS—Ⅱ衛星開始涉及海溫觀測。1961年美國執行水星計劃，宇航員有機會在高空親眼觀察海洋。其後，Gemini與Apollo宇宙飛船獲得大量的彩色圖象以及多光譜圖象。盡管這些航天計劃主要試驗目的是空間技術，但它已展現了從衛星觀測和研究海洋的潛力。
1969年NASA在Williams大學召開研討會，推動了1973年Skylab航天器和1975年GEOS—3衛星高度計的發展。地球實驗海洋衛星GEOS—3主要用於測量衛星至海麵的距離。天空實驗室Skylab航天器同時證實了可見光和近紅外遙感對地球進行連續觀測的潛力。以此為基礎，NASA研製了一係列高分辨率多光譜掃描儀。這些掃描儀裝載在Landsat係列衛星上沿用至今，除陸地信息外，提供了有關河口和沿岸水域的海色及渾濁度信息。同時，美國海洋大氣局(NOAA)在1970年1月發射改進型TIROS衛星，在1972—1976年發射NOAA—1,2,3,4,5衛星，這些衛星裝載了紅外掃描輻射計和微波輻射計，用以估計海表溫度和大氣溫度、濕度剖麵，主要用於氣象學研究。
1978年美國NASA發射了三顆衛星，為海洋觀測和研究提供了一種嶄新的技術手段。這三顆衛星是：噴氣動力實驗室(JPL)研製的SeasatA衛星，God－dard空間飛行中心(GSFC)研製的TIROS—N和Nimbus—7衛星。它們充分展現了衛星對海洋的監測能力。
第一顆海洋實驗衛星SeasatA上裝載了微波輻射計SMMR、微波高度計RA、微波散射計SASS、合成孔徑雷達SAR、可見紅外輻射計VIRR等5種傳感器。提供的海洋信息包括海表溫度、海麵高度、海麵風場、海浪、海冰、海底地形、風暴潮、水汽和降雨等。雖因電源故障，SeasatA壽命僅為108天，卻獲得極其寶貴的大量的海洋信息。因此，SeasatA被稱為衛星海洋遙感的裏程碑。
TIROS—N上裝載高級甚高分辨率輻射計AVHRR和TIROS業務化垂直探測器TOVS。NOAA於1981年推出MCSST衛星海表溫度業務化反演算法。因此，TIROS—N奠定了衛星海表溫度進入氣象、海洋業務化預報的基礎。它實際上是NOAA—6及其後發射的NOAA極軌係列衛星的樣機。
Nimbus—7裝載了7台傳感器，其中多通道掃描微波輻射計SMMR和沿岸帶海色掃描儀CZCS與海洋觀測有關。CZCS專用於海色測量，它奠定了海色衛星遙感的基礎。1978—1986年間CZCS提供了8年的全球海色圖象以及海洋次表層葉綠素濃度參數。
上述三顆衛星構成了海洋衛星的三部曲，它標誌著衛星海洋遙感新紀元的開始，並反映了可見光、紅外、微波海洋遙感的概貌。
衛星海洋遙感係統
一、空間平台及軌道
裝載傳感器的空間運載工具稱為空間平台，它包括人造衛星、宇宙飛船、天空實驗室等。衛星作為海洋遙感的空間平台，除安裝傳感器外，還有如下設備：電源、熱控製器、方位控製器、數據處理係統等。電源通常采用太陽能電池，並與蓄電池相連以提供夜間能源。熱控製器為保證傳感器及其它電子裝置正常工作。方位控製器用於控製空間平台的方位，例如極軌衛星，必須控製其緩慢自轉並使衛星的同一側麵保持朝下並指向地心。假設地球是形狀規則、密度均勻的正球體，僅考慮地球引力，則衛星按橢圓軌道運行，地球位於橢圓的一個焦點上。衛星距地麵的距離為
式中θ為衛星近地點(軌道離地球最近的點)與所處位置的半徑矢量之間的夾角，e為衛星橢圓軌道的偏心距，a為橢圓的長半軸。θ、a、e為表征衛星位置的三個軌道參數。衛星沿軌道運行的周期為
式中G為重力常數，M為地球質量，GM=3.98603×1014m3/s2。如果軌道為圓形，則衛星的水平速度為
地球平均半徑)，則(11—3)式可用h和g表示為
二、衛星傳感器
目前用於海洋觀測的所有衛星傳感器，均根據電磁輻射原理獲取海洋信息。遙感技術采用的電磁波包括可見光、紅外、微波。其中，可見光譜範圍在0.4～0.7μm，紅外波譜在1～100μm，微波波段在0.3～100GHz。傳感器按工作方式可分為主動式和被動式。被動傳感器如可見紅外掃描輻射計，微波輻射計等；主動式如微波高度計、微波散射計、合成孔徑雷達等。
衛星傳感器的種類很多，目前用於海洋研究的傳感器主要有：
①海色傳感器：主要用於探測海洋表層葉綠素濃度、懸移質濃度、海洋初級生產力、漫射衰減係數以及其他海洋光學參數。
②紅外傳感器：主要用於測量海表溫度。
③微波高度計：主要用於測量平均海平麵高度、大地水準麵、有效波高、海麵風速、表層流、重力異常、降雨指數等。
④微波散射計：主要用於測量海麵10m處風場。
⑤合成孔徑雷達：主要用於探測波浪方向譜、中尺度渦旋、海洋內波、淺海地形、海麵汙染以及海表特征信息等。
⑥微波輻射計：主要用於測量海麵溫度、海麵風速以及海冰水汽含量、降雨、CO2海—氣交換等。
三、數據傳輸
星載傳感器通常產生測量電壓或頻率信號，然後進行數據編碼。大部分情況下以數字信號的形式傳輸到地麵接收站。在采用二進製編碼中，一般用0～255或0～1023或0～2047對輻射掃描數據進行數字化處理，每個象元要求8bit、10bit或12bit。由於海洋信息往往比陸地低許多，因此，對於專為海洋應用的傳感器，可將數字化數據的最大值和最小值限製在一定範圍內，在給定數據傳輸率的條件下，提高傳感器的輸出準確度。對於非掃描式傳感器，由於其測量頻率較低，可以在提高數據傳輸率的同時，盡可能提高數據分辨率。對於掃描式傳感器，其數據幾乎是連續產生，則須在采樣率、數字化間隔及數據傳輸率之間求得平衡。一般情況下傳感器自身還產生少量校準信號，例如標準黑體信號，使傳感器的輸出能夠精確的加以校正。此外，衛星還提供相關的位置、方位、環境參數以及電源本身的輔助信息。在設計數模控製器時，產生一個與某一固定輸入電壓相對應的數字化數據作為測試掃描信號的校準數據。在掃描傳感器中，每個掃描數列都配有這種校準數據。這些信號都隨數據流一起傳輸到地麵接收站。
四、衛星地麵接收站
NOAA衛星地麵接收站遍及各地和各部門，在中國和國際上有許多產品。NOAA衛星地麵接收站如圖11—1所示。相對來說，其價格較低。
值得一提的是，由於海洋是動態環境，原則上所有數據都應歸檔，因此，衛星海洋遙感的數據存檔對數據庫、圖象庫、海洋GIS的研究提出了新課題。
五、圖象處理與數據處理
衛星海洋遙感圖象處理與數據處理的程序框圖如圖11—2所示。其中，從衛星數據反演海洋環境參數的細節將在下麵各節涉及。其它部分的細節需要參考有關計算機圖象處理、信號處理、模式識別方麵的書籍。
六、海洋衛星資料的反演
所謂衛星資料的反演，是指從衛星原始數據獲得定量海洋環境參數的數學物理方法，即從電磁場到物質性質或地球物理性質的逆運算。從衛星平台觀測海洋，海洋信息經過複雜的海洋/大氣係統而被星載傳感器接收，然後再傳輸到衛星地麵站。被動遙感(可見、紅外、微波)的反演問題，主要是消除信息傳輸過程中海洋/大氣的影響。主動遙感(微波為主)的反演問題，主要是從微波與海麵相互作用中提取海洋信息。
海洋信息往往比陸地信息小2～3個量級，並且海洋屬於動態環境，因此，海洋衛星資料的反演問題更為複雜和重要。反演方法有準解析、數值模擬、統計回歸或以上幾種的結合。反演方法和模式有適用於全球的，也有適用於區域的。後者一般比前者有高的反演精度。
從通訊理論觀點看，海洋衛星資料的反演可歸結如圖11—3所示。一般來說，它是一個非線性係統。海洋/大氣傳輸過程由一個不可解的積微分方程描述。電磁波與海洋相互作用的物理機製更為複雜。
七、GIS係統
地理信息係統(GIS)是一門介於信息科學、空間科學和地球科學之間的交叉學科和新技術學科，是空間數據處理與計算機技術相結合的產物。地理信息指與研究對象空間地理分布有關的信息，它表示物體與環境固有的數量、質量、分布特性的聯係和規律。地理信息係統是采集、存儲、管理、分析和描述整個或部分地球表麵與空間地理分布有關的數據的係統。GIS按範圍可分為全球的、區域的和局部的。按內容可分為專題的、地區的和工具式的。海洋GIS係統是基於海洋空間信息特點而建立的專題地理信息係統，是具有海洋空間數據輸入、存儲管理、查詢檢索、分析運算和多種輸出功能的軟件工具。目前，在海洋GIS領域尚未設計開發出一種完備的產品。它的研製具有十分重要的意義和廣泛的應用前景，其難點和關鍵技術在於動態數據庫和圖象庫，以及足夠好的模型庫。
衛星遙感對海洋科學研究的價值
衛星海洋遙感是海洋科學的一個新的分支學科。它是物理學、信息科學和海洋科學三門學科交叉的產物，其理論基礎為電磁波與海洋、大氣的相互作用以及海洋/大氣輻射傳遞。衛星海洋遙感涉及廣闊的電磁波範圍，包括可見光、紅外和微波。可見光遙感利用太陽光源，紅外遙感利用海麵熱輻射，微波遙感分為海麵微波輻射被動源和星載微波雷達主動源。將來，激光可能成為星載主動源。衛星海洋遙感的研究內容包括物理機製、海洋衛星傳感器方案、反演理論和模型、圖象處理與信號處理、衛星數據海洋學應用、海洋GIS等。值得注意的是，衛星海洋遙感對於海洋的觀測和研究不僅限於船舶與浮標所測量的參數以及在此基礎上所得出的海洋學規律，衛星海洋遙感還開辟了一個新的考慮問題的視角。
其次，衛星海洋遙感為海洋觀測和研究提供了一個嶄新的數據集。這個數據集之大，超過百餘年來船舶與浮標數據的總和。這個數據集覆蓋了相當部分海洋環境參數和信息，包括海表溫度、大氣水汽、葉綠素濃度、懸移質濃度、DOM濃度、海洋初級生產力、海洋光學參數、大氣氣溶膠、海平麵高度、大地水準麵、海流、重力異常、海洋降雨、有效波高、海浪方向譜、海麵白帽、內波、淺海地形、海麵風場、海麵油膜、海麵汙染、CO2海/氣交換等方麵。這個數據集的工作平台在離地球800～1000km的衛星上，與傳統的船舶、浮標數據相比，具有以下無可比擬的優點：