海色衛星遙感
海色遙感是唯一可穿透海水一定深度的衛星海洋遙感技術。它利用星載可見紅外掃描輻射計接收海麵向上光譜輻射，經過大氣校正，根據生物光學特性，獲取海中葉綠素濃度及懸浮物含量等海洋環境要素。因而，它對海洋初級生產力、海洋生態環境、海洋通量、漁業資源等具有重要意義。
在海色遙感研究中，海水劃分為Ⅰ類水域和Ⅱ類水域：前者以浮遊植物及其伴生物為主，海水呈現深藍色，大洋屬於這一類。後者含有較高的懸浮物、葉綠素和DOM以及各種營養物質，海水往往呈現藍綠色甚至黃褐色。中國近海就是典型的Ⅱ類水域。
繼1978年NimbuS—7/CZCS衛星資料的成功應用之後，衛星海色遙感逐漸成為一些著名的國際海洋研究計劃的技術關鍵和重要內容。
SeaWiFS與CZCS海色傳感器
裝載於Nimbus—7上的海色傳感器CZCS(CoastalZoneColorScanner)是一個以可見光通道為主的多通道掃描輻射計。前4個通道的中心波長分別為443nm，520nm，550nm，670nm，位於可見光範圍。第5個通道位於近紅外，中心波長為750nm。第6個通道位於熱紅外，波長範圍10.5～12.5μm。CZCS可見光波段的光譜帶較窄，僅為20nm，地麵分辨率0.825km，觀測角沿軌跡方向傾角可達到20°，用以減少太陽耀斑的影響。刈幅寬度1636km，8bit量化。表11—2給出CZCS傳感器的技術參數。
表11—2CZCS傳感器技術指標及波段設計
270K處噪聲等效溫度誤差
SeaWiFS(Sea—ViewingWideField—Of—ViewSensor)是裝載在美國SEASTAR衛星上的第二代海色遙感傳感器，1997年8月發射成功，運行狀況良好。SeaWiFS共有8個通道，前6個通道位於可見光範圍，中心波長分別為412nm、443nm、490nm、510nm、555nm、670nm。7、8通道位於近紅外，中心波長分別為765nm和865nm。SeaWiFS地麵分辨率為1.1km，刈幅寬度1502～2801km，觀測角沿軌跡方向傾角為20°，0°，-20°。10bit量化。表11—3給出了SeaWiFS的技術參數。
表11—3SeaWiFS傳感器主要技術指標及波段設計
SeaWiFS在CZCS基礎上進行了改進和提高：1)增加了光譜通道，即412nm、490nm、865nm。412nm針對於Ⅱ類水域DOM的提取，490nm與漫衰減係數相對應，865nm用於精確的大氣校正。2)提高了輻射靈敏度，Sea-WiFS靈敏度約為CZCS的兩倍。在CZCS反演算法中被忽略因子的影響，如多次散射、粗糙海麵、臭氧層濃度變化、海表麵大氣壓變化、海麵白帽等，都在Sea-WiFS反演算法中作了考慮。
與海色衛星遙感有關的海洋光學特性
海洋光學理論是海色衛星遙感的基礎。首先，海色傳感器可見光通道是按照海洋中主要組分的光學特性設置的，每個通道對應於海洋中各種組分吸收光譜中的強吸收帶和最小吸收帶。443nm通道位於葉綠素強吸收帶，520nm通道葉綠素的吸收比水明顯大，可以補充葉綠素信息。550nm通道則接近葉綠素吸收的最小值，在強透射帶內，同時，對應較小的海水吸收。圖11—8至11—9是葉綠素和DOM的光譜吸收曲線。
在討論海色反演算法之前，需要介紹以下海洋光學關係式
其中Lw(λ)是海麵後向散射光譜輻射，稱為離水輻亮度。ρ為海氣界麵的菲涅爾反射係數，nw是水的折射率，Q為光譜輻照度與光譜輻亮度之比，與太陽角有關，完全漫輻射時Q=π。R＝Eu(0-)/Ed(0-)，是海麵下的向上輻照度Eu(0-)和向下輻照度Ed(0-)的比。R與水體的固有光學特性有關
R≈0.33bb/a(11-9)
bb是水體的總後向散射係數，a為水體總體積吸收係數。
定義輻照度衰減係數為
K(λ)=-d(lnE)/dz(11-10)
它是表征海中輻照度隨深度而衰減的因子。K(490)是由遙感數據得到光學性質的一個典型例子，它的反演算法為
海色反演原理
一、輻射量定標
海色傳感器輸出的計數值DC(DigitalCount)，並非真正意義上的物理量。因此，必須利用標準源將計數值換算成輻亮度，這一過程叫做輻射量定標。一般說來，傳感器接收的輻亮度由下式確定：
Lt(λ)＝S(λ)DC＋I(λ)(11-12)
其中，S、I為斜率和截距，對於CZCS，在實驗室中用直徑為76cm的積分球對輻射計預先進行校準。衛星發射後用機內白熾燈光源和塗黑儀器箱進行星上定標。另外深空也作為一個定標源。傳感器按固定的程序測量目標和定標源，測量的數據傳送回地麵通過公式(11—12)來校正S和I。
二、大氣校正算法
大氣校正的目的是消除大氣吸收和散射的影響，獲取海麵向上光譜輻亮度。CZCS大氣校正算法采用單次散射模型，其本質是一種對潔淨大氣中良好傳播的線性近似。傳感器接收到的輻亮度Lt(λ)由四部分組成，即
Lt(λ)=Lr(λ)+La(λ)+t(λ)Lw(λ)+Lra(λ)(11-13)
其中，Lr(λ)為大氣分子瑞利散射引起的光輻射，可由大氣傳輸理論精確計算得出。Lw(λ)是離水輻亮度，是大氣校正所得的結果。t(λ)是大氣透射率，t(λ)=tr(λ)t02(λ)ta(λ)，其中下標r、o2、a分別代表分子散射、臭氧、氣溶膠。Lra(λ)為瑞利散射和氣溶膠散射相互作用引起的光輻射，單次散射情況下可以忽略。La(λ)為氣溶膠散射引起的光輻射，由於氣溶膠不斷變化的特性，通常需要兩個波段來確定氣溶膠貢獻的大小和氣溶膠貢獻對波長的依賴關係。CZCS隻有670nm波段用於大氣校正，因此必須假設氣溶膠的分布均勻，通過尋找圖象的清水區，即Lw(670)＝0，得到La(670)，利用La(λ)與波長之間的關係外推得到La(λ)，然後由式(11—13)計算Lw(λ)。
三、生物光學算法
由海麵向上光譜輻亮度Lw反演海中葉綠素濃度、懸移質、DOM濃度的方法，稱為生物光學算法。由式(11-8)、(11-9)計算可得出，海表層葉綠素濃度與海洋光學參數之間的關係為
數，aw，ai分別為海水及第i組分的吸收係數，bbw，bbi分別為海水及第i組分的後向散射係數。現場觀測已證實了該公式的合理性。
鑒於海水組分濃度及其引起的後向散射特性與吸收特性之間關係的複雜性，由上述解析式很難求出fi的解，必須利用經驗算法。目前比較常用的計算色素濃度的方法為比值法，即利用兩個或兩個以上不同波段的輻亮度比值與葉綠素濃度的經驗關係。CZCS傳感器主要有兩種簡單的方法：
(1)Gordon等提出的適合於Ⅰ類水體的雙通道算法，利用綠(520nm/550nm)與藍(443nm)波段的比率來確定葉綠素的濃度，這一比值反映了隨葉綠素濃度增加海色由藍到綠的變化趨勢：
C1=1.13[Lw(443)/Lw(550)]-1.71
C2=3.33[Lw(520)/Lw(550)]-2.44(11-15)
C=C2當C2，C1＞1.5(mg/m3)
C=C1其他情況
(2)Clark提出的三通道算法
C=5.56[LW1＋LW2/LW3]-2.252(11-16)
SeaWiFS傳感器的生物光學算法在CZCS基礎上改進如下
C=exp[0.464-1.989ln(nLw(490)/nLw(555)](11-17)
圖11—10為SeaWiFS資料反演的中國海葉綠素濃度分布。
海色衛星資料的應用
一、海洋初級生產力與海洋漁業
初級生產力PP(PrimaryProduction)是海洋生物食物鏈的起點，與平均葉綠素相關，可表示為
PP＝∫(Pn-Rd)dt(11-18)
其中Pn＝Pg－Rl，Pn(Netphotosynthesis)為淨光合作用，Pg(Grossphotosyn-thesis)為總光合作用，Rl是光合作用有機體在日光中由於呼吸過程而損耗的所有固碳。Rd是光合作用有機體在黑暗中由於呼吸過程而損耗的所有固碳。
日均初級生產力可以用一經驗公式表示如下
其中ck為平均葉綠素濃度。葉綠素濃度初級生產力的時空變化對於生物海洋學、全球氣候變化和全球生態環境的研究具有重要意義。
海色和營養級數之間具有極強的相關性。因此，海色數據結合衛星海表溫度和海流參數可以預報漁場環境。日本OCTS傳感器雖然僅工作10個月，它在成功發射後很快進入衛星實時漁情預報業務。
二、海洋生態環境監測與研究
赤潮主要由於海域中浮遊生物的大量繁殖所引起。赤潮發生時，在藍綠波段(450nm)具有強烈吸收，在紅色和近紅外波段具有強烈散射，因此可以通過衛星觀測海水的光譜特性和海水中的葉綠素、色素濃度實現對赤潮的監測。配合與赤潮密切相關的其他多種衛星資料，建立風場-流場-熱力學模式，則有希望實現對赤潮的預測。
在海色衛星遙感圖象中，可以顯示鋒麵、渦旋、海流、水團等大中尺度海洋現象，與其它衛星資料結合研究，可揭示許多海洋現象的動力機製和過程，對於海洋生態環境動力學的研究十分有用。
三、河口海岸帶泥沙濃度及其運移
河口海岸帶的泥沙運移是一個倍受各方麵關注的問題。含有泥沙的水體具有以下特點：1)隨著泥沙含量的增加，光譜反射比也增加；2)光譜反射比的峰值逐漸由藍波段向紅端位移，也就是水體本身的散射特性逐漸被泥沙的散射所掩蓋。利用多光譜信息和反射比可從海色資料中提取出懸移質濃度及其運移的信息。懸移質遙感定量模式有以下形式：
1)R=A＋BlogS(11-20)
2)R=C＋S/(A＋BS)(11-21)
式中A、B、C為係數，S為懸移質含量，R為反射比。