[科普中國(guó)]-海洋遙感

簡(jiǎn)介

海洋不斷向環(huán)境輻射電磁波能量，海面還會(huì)反射或散射太陽(yáng)和人造輻射源（如雷達(dá)）射來(lái)的電磁波能量，故可設(shè)計(jì)一些專(zhuān)門(mén)的傳感器，把它裝載在人造衛(wèi)星、宇宙飛船、飛機(jī)、火箭和氣球等攜帶的工作平臺(tái)上，接收并記錄這些電磁輻射能，再經(jīng)過(guò)傳輸、加工和處理，得到海洋圖像或數(shù)據(jù)資料。遙感方式有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種：①主動(dòng)式遙感。先由遙感器向海面發(fā)射電磁波，再由接收到的回波提取海洋信息或成像。這種傳感器包括側(cè)視雷達(dá)、微波散射計(jì)、雷達(dá)高度計(jì)、激光雷達(dá)和激光熒光計(jì)等。②被動(dòng)式遙感。傳感器只接收海面熱輻射能或散射太陽(yáng)光和天空光的能量，從中提取海洋信息或成像。這種傳感器包括各種照相機(jī)、可見(jiàn)光和紅外掃描儀、微波輻射計(jì)等。按工作平臺(tái)劃分，海洋遙感可分為航天遙感、航空遙感和地面遙感3種方式。

海洋遙感技術(shù)，主要包括以光、電等信息載體和以聲波為信息載體的兩大遙感技術(shù)。

海洋聲學(xué)遙感技術(shù)是探測(cè)海洋的一種十分有效的手段。利用聲學(xué)遙感技術(shù)，可以探測(cè)海底地形、進(jìn)行海洋動(dòng)力現(xiàn)象的觀測(cè)、進(jìn)行海底地層剖面探測(cè)，以及為潛水器提供導(dǎo)航、避碰、海底輪廓跟蹤的信息。

海洋遙感技術(shù)是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要手段。衛(wèi)星遙感技術(shù)的突飛猛進(jìn)，為人類(lèi)提供了從空間觀測(cè)大范圍海洋現(xiàn)象的可能性。目前，美國(guó)、日本、俄羅斯等國(guó)已發(fā)射了10多顆專(zhuān)用海洋衛(wèi)星，為海洋遙感技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的支撐平臺(tái)。

基本原理海洋不斷地向周?chē)椛潆姶挪芰浚瑫r(shí)，海面還會(huì)反射（或散射）太陽(yáng)和人造輻射源（如雷達(dá)）照射其上的電磁波能量,利用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的傳感器,把這些能量接收、記錄下來(lái),再經(jīng)過(guò)傳輸、加工和處理,就可以得到海洋的圖象或數(shù)據(jù)資料。

基本性能海洋遙感系統(tǒng)必須具備如下性能：①具有同步、大范圍、實(shí)時(shí)獲取資料的能力，觀測(cè)頻率高。這樣可把大尺度海洋現(xiàn)象記錄下來(lái)，并能進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)和海況預(yù)報(bào)。②測(cè)量精度和資料的空間分辨能力應(yīng)達(dá)到定量分析的要求。③具備全天時(shí)(晝夜)、全天候工作能力和穿云透霧的能力。④具有一定的透視海水能力，以便取得海水較深部的信息。

基本特征海洋遙感與陸地遙感相比，具有明顯的特點(diǎn)。2

1、海洋反射信號(hào)弱，現(xiàn)象間光譜差異小。海洋遙感探測(cè)中，大氣影響是一個(gè)不可忽略的因素。在傳感器所接收的輻射能中，大氣路程輻射比海洋本身輻射高一個(gè)數(shù)量級(jí)，占據(jù)了信息的絕大部分。故大氣校正是開(kāi)展海洋衛(wèi)星遙感的一個(gè)必不可少的步驟。在陸地遙感中， 陸地上的地物波譜差異較大，不同地物具有不同的“地物譜”，加之地物反射或發(fā)射電磁波的能力較強(qiáng)，傳感器能夠接收到較強(qiáng)的信號(hào)，并能在傳感器上得到很好的反映。在同一大氣條件下，大氣對(duì)不同地物輻射的影響是一致的。因此，如不作絕對(duì)定量研究，即使不做大氣校正工作，仍可以提取到滿足應(yīng)用要求的地物信息。

2、海洋遙感理論性強(qiáng)。海洋遙感從數(shù)據(jù)的預(yù)處理到專(zhuān)題信息提取都是理論性很強(qiáng)的工作。在信息處理中，大氣輻射理論、海洋各種要素的遙感機(jī)理、反演模式等，都涉及海洋學(xué)、物理學(xué)、地理學(xué)等眾多學(xué)科，是理論性很強(qiáng)的科學(xué)。

3、影響海洋要素遙感信息的因素多。海洋要素處于廣闊的動(dòng)態(tài)空間中，受到眾多因素的影響。 比如泥沙含量就受許多海況要素的影響，海面風(fēng)會(huì)阻止懸浮泥沙下沉；波浪則會(huì)掀起海底沉積物；潮流能使海水挾沙混合運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)；溫差則會(huì)造成海水上下渦動(dòng)；沉積物和底質(zhì)會(huì)影響懸浮泥沙的濃度。這些因素影響了海水泥沙含量，最終影響到所獲取的泥沙遙感信息。因此，海洋要素隨時(shí)受到不同因素的影響，遙感信息呈現(xiàn)很強(qiáng)的時(shí)態(tài)性。這使得在海洋要素遙感信息分析時(shí)，必須考慮探測(cè)周?chē)h(huán)境中的主要影響因素，如所研究海區(qū)的特征和探測(cè)時(shí)的海況條件 (如海面風(fēng)、浪、流等)，以便得到正確的結(jié)論；在海洋遙感信息提取時(shí)，海洋要素的反演模式也變得較為復(fù)雜。

4、海洋遙感的特性描述方法不同于陸地遙感。 陸地地物因光譜差異明顯，往往具有特定的“地物光譜”。而海洋表層性質(zhì)較為均一，反射度和對(duì)比度都較小，難以發(fā)現(xiàn)不同海洋要素的特征光譜。海洋遙感是通過(guò)其它參數(shù)反映海洋要素特征的。其中海水吸收系數(shù)、體散射函數(shù)、散射系數(shù)、衰減系數(shù)、相函數(shù)和單次散射反射比是幾個(gè)重要的海洋參量，可用來(lái)描述海水本身特征的，我們稱(chēng)之為海洋要素的“地物譜”。 比如海水吸收系數(shù) ,是描述電磁波在傳播過(guò)程中由于海水的吸收引起強(qiáng)度衰減的一個(gè)物理量，它隨海水成分如鹽、葉綠素及懸浮物等的變化而變化。不同的海水吸收系數(shù)，反映了成分或成分含量不同的海水。

5、海洋遙感要求傳感器有較高的時(shí)間分辨力。 廣闊的海洋是時(shí)刻處于運(yùn)動(dòng)中的水體，比如海洋動(dòng)力環(huán)境要素中的海面風(fēng)場(chǎng)、浪場(chǎng)、流場(chǎng)、潮汐及渦旋等等，都是瞬息變化的要素。因此，海洋遙感的時(shí)域特性是很重要的，只有保持海洋觀測(cè)很好的動(dòng)態(tài)性，才能及時(shí)準(zhǔn)確地反映海洋要素的變化過(guò)程。相對(duì)而言，陸地遙感中，往往地物變化周期要長(zhǎng)得多，動(dòng)態(tài)性要差得多。

6、海洋遙感對(duì)傳感器的光譜分辨率要求高。 因?yàn)椴煌Ｑ笠毓庾V差異很小，故只有把傳感器波段細(xì)化，才能使海洋要素得到很好的反映。 如SeaWiFS就把可見(jiàn)光分為 7個(gè)波段 (波長(zhǎng)分別為 443 nm, 490 nm, 510 nm， 520 nm, 550 nm, 670 nm, 750 nm)，波段范圍較窄，以適應(yīng)不同水色要素的探測(cè)要求。

遙感方式按照傳感器工作方式，可以把海洋遙感劃分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。主動(dòng)式遙感，傳感器向海面發(fā)射電磁波,然后接收由海面散射回來(lái)的電磁波,從散射回波中提取海洋信息或成象。主動(dòng)式傳感器包括側(cè)視雷達(dá)、微波散射計(jì)、雷達(dá)高度計(jì)、激光雷達(dá)和激光熒光計(jì)等。被動(dòng)式遙感,傳感器不發(fā)射電磁波,只接收海面熱輻射能量或散射太陽(yáng)光和天空光能量，從這些能量中提取海洋信息或成象。被動(dòng)式傳感器有各種照相機(jī)、可見(jiàn)光和紅外掃描儀、微波輻射計(jì)等。按工作平臺(tái)劃分，海洋遙感則可分為航天、航空和地面三種遙感方式。

應(yīng)用海洋遙感主要應(yīng)用于調(diào)查和監(jiān)測(cè)大洋環(huán)流、近岸海流、海冰、海洋表層流場(chǎng)、港灣水質(zhì)、近岸工程、圍墾、懸浮沙、淺灘地形、沿海表面葉綠素濃度等海洋水文、氣象、生物、物理及海水動(dòng)力、海洋污染、近岸工程等方面 。近年來(lái)對(duì)于海岸帶及海島的遙感尤為活躍，它可以提供跟蹤大尺度洋流、中尺度渦流實(shí)時(shí)調(diào)查信息 (包括風(fēng)浪場(chǎng)的準(zhǔn)確信息)、海面上空的云圖和風(fēng)暴潮及臺(tái)風(fēng)信息、海洋初級(jí)生產(chǎn)力和海洋生物環(huán)境方面的信息、有關(guān)重力場(chǎng)、海平面、大地水準(zhǔn)面等海面地形的測(cè)高資料及快速大尺度監(jiān)測(cè)和區(qū)分海面溢油及其它海面污染的方法與圖像等方面信息。1

發(fā)展情況海洋遙感始于第二次世界大戰(zhàn)期間。發(fā)展最早的是在河口海岸制圖和近海水深測(cè)量中利用航空遙感技術(shù)。1950年美國(guó)使用飛機(jī)與多艘海洋調(diào)查船協(xié)同進(jìn)行了一次系統(tǒng)的大規(guī)模灣流考察，這是第一次在物理海洋學(xué)研究中利用航空遙感技術(shù)。此后，航空遙感技術(shù)更多地應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、近海海洋調(diào)查、海岸帶制圖與資源勘測(cè)方面。從航天高度上探測(cè)海洋始于1960年。這一年美國(guó)成功地發(fā)射了世界第一顆氣象衛(wèi)星"泰羅斯-1”號(hào)。衛(wèi)星在獲取氣象資料的同時(shí)，還獲得了無(wú)云海區(qū)的海面溫度場(chǎng)資料，從而開(kāi)始把衛(wèi)星資料應(yīng)用于海洋學(xué)研究。美國(guó)1978年又發(fā)射了“海洋衛(wèi)星-1”號(hào)（見(jiàn)海洋衛(wèi)星）。蘇聯(lián)也于1979年和1980年先后發(fā)射了兩顆海洋衛(wèi)星“宇宙-1076”號(hào)和“宇宙-1151”號(hào)。

中國(guó)從1977年開(kāi)始海洋遙感技術(shù)的研究，并先后在海岸帶與灘涂資源調(diào)查、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海冰觀測(cè)、海洋氣象預(yù)報(bào)、海洋漁場(chǎng)分析、大尺度海洋現(xiàn)象研究和基礎(chǔ)理論工作中進(jìn)行了遙感技術(shù)的試驗(yàn)，其中臺(tái)風(fēng)跟蹤、海冰遙感和海洋環(huán)境污染航空遙感監(jiān)測(cè)已進(jìn)入實(shí)用階段。

目前遙感技術(shù)已應(yīng)用于海洋學(xué)各分支學(xué)科的各個(gè)方面。海洋遙感技術(shù)的應(yīng)用，使得內(nèi)波、中尺度渦、大洋潮汐、極地海冰觀測(cè)、海－氣相互作用等的研究取得了新的進(jìn)展。如氣象衛(wèi)星紅外圖象，直接記錄了海面溫度的分布，海流和中尺度渦漩的邊界在紅外圖象上非常清晰。利用這種圖象可直接測(cè)量出這些海洋現(xiàn)象的位置和水平尺度，進(jìn)行時(shí)間系列分析和動(dòng)力學(xué)研究。但是，某些傳感器的測(cè)量精度和空間分辨力還不能滿足需要，很難做到定量測(cè)量；有的遙感資料不夠直觀，分析解譯難度很大；傳感器主要利用電磁波傳遞信息，穿透海水的能力較弱，很難直接獲得海洋次表層以下的信息。因此，有待進(jìn)一步改進(jìn)。

相關(guān)情況探索中國(guó)海洋遙感之路

海洋報(bào)記者張向冰（2004-10-15） 進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，遙感技術(shù)日益成為備受?chē)?guó)際科技界關(guān)注的熱點(diǎn)。從應(yīng)用的領(lǐng)域來(lái)看，科學(xué)家們通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀的調(diào)查，總結(jié)出遙感科技主要有三個(gè)方面：一是陸地遙感；二是海洋遙感；三是氣象遙感。其中，科技難度系數(shù)最大的當(dāng)屬海洋遙感。 “目前，我國(guó)海洋遙感技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平尚有較大差距，但有些部分是領(lǐng)先的。”10月12日，北京大學(xué)遙感與地理理信息系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)童慶禧院士，在第三屆西北太平洋海洋遙感國(guó)際研討會(huì)上，向本報(bào)記者介紹和分析了原因。一是起步較晚。我國(guó)在2002年才發(fā)射了第一海洋衛(wèi)星，而發(fā)達(dá)國(guó)家早在幾十年前就完成了這項(xiàng)任務(wù)；二是我國(guó)海洋遙感整體技術(shù)與先進(jìn)國(guó)家有差距。原因是我國(guó)海洋遙感技術(shù)研究的基礎(chǔ)非常薄弱，技術(shù)隊(duì)伍不成熟；三是針對(duì)海洋遙感問(wèn)題研究的深度和廣度，以及對(duì)其機(jī)理研究還沒(méi)有形成系統(tǒng)。童院士稱(chēng)，由于海洋是全球性系統(tǒng)，因此要從全球的范圍進(jìn)行科學(xué)研究。而我國(guó)主要還局限于近海研究和觀測(cè)，監(jiān)測(cè)的范圍很小；四是對(duì)海洋遙感空間數(shù)據(jù)綜合分析能力明顯不足，主要是研究隊(duì)伍與實(shí)際需要存在差距。因此，要不斷擴(kuò)大科研隊(duì)伍的建設(shè)。

在差距面前，如何審視中國(guó)海洋遙感科技？童慶禧院士認(rèn)為，我國(guó)十分重視海洋遙感技術(shù)的發(fā)展，特別是我國(guó)在海洋衛(wèi)星研究方面有著自己的特色。目前，正在準(zhǔn)備發(fā)射第二顆海洋衛(wèi)星，將來(lái)還要研制和發(fā)射一系列海洋衛(wèi)星，這將大大縮短與世界先進(jìn)國(guó)家在海洋遙感技術(shù)上的距離。目前，我國(guó)海洋衛(wèi)星遙感技術(shù)，以及剛剛裝備的海洋監(jiān)測(cè)飛機(jī)，已經(jīng)在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等諸多方面發(fā)揮了重要的作用。同時(shí)還要通過(guò)遙感技術(shù)研究，建立我國(guó)獨(dú)特的遙感海洋科學(xué)，使之達(dá)到世界先進(jìn)水平。

據(jù)了解，當(dāng)今世界一些瀕臨海洋的發(fā)達(dá)國(guó)家，都非常重視海洋遙感研究與發(fā)展。美國(guó)于1978年就發(fā)射了海洋衛(wèi)星；日本在20世紀(jì)90年代初期也已發(fā)射了海洋衛(wèi)星；俄羅斯有一系列衛(wèi)星，其中“宇宙”系列衛(wèi)星就包含了海洋遙感觀測(cè)技術(shù)；歐洲資源衛(wèi)星主要以海洋為目標(biāo)，以法國(guó)為代表；北歐海洋遙感與觀測(cè)技術(shù)的代表則首推挪威和瑞典。

那么，如何尋找到一條適應(yīng)我國(guó)海洋遙感科技的高速發(fā)展之路？“拓展我國(guó)與國(guó)際間合作是必由之路。”國(guó)家海洋局第二海洋研究所潘德?tīng)t院士認(rèn)為，我國(guó)海洋遙感雖然起步較晚，應(yīng)用水平也不足，發(fā)展前景卻十分廣闊。只有通過(guò)加強(qiáng)國(guó)際間合作，才能促進(jìn)我國(guó)海洋遙感事業(yè)不斷前進(jìn)。目前，我國(guó)正與日本、韓國(guó)合作，進(jìn)行海洋遙感監(jiān)測(cè)與速報(bào)技術(shù)的研究。如果獲得成功，將使我國(guó)海洋衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。到那時(shí)，我們獲取海洋環(huán)境信息，就像我們現(xiàn)在聽(tīng)天氣預(yù)報(bào)一樣便利。

中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所博士生導(dǎo)師唐丹玲教授從事遙感技術(shù)研究整整十年。作為剛從日本回到祖國(guó)工作的“海歸派”，她認(rèn)為我國(guó)遙感技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家雖然有一定距離，但整體實(shí)力上我國(guó)進(jìn)步很快，基本接近世界先進(jìn)水平。但我國(guó)的海洋遙感技術(shù)研究，仍需進(jìn)一步加強(qiáng)國(guó)際間合作。由于海洋遙感技術(shù)本身具有的特性，也要求了這是一項(xiàng)國(guó)際間合作性的學(xué)科。她回到國(guó)內(nèi)后，很快建立了熱帶海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，希望利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的條件，不斷地把國(guó)外先進(jìn)的海洋遙感技術(shù)“帶進(jìn)來(lái)“，帶出一支實(shí)力派的海洋遙感科技隊(duì)伍，為國(guó)家海洋遙感科學(xué)事業(yè)作出貢獻(xiàn)。

國(guó)際間合作，無(wú)疑已成為我國(guó)海洋遙感發(fā)展的必由之路。但是，發(fā)展我國(guó)海洋遙感科學(xué)，缺少的僅僅是國(guó)際間合作，以及部分技術(shù)上的差距嗎？國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心唐軍武博士對(duì)我國(guó)海洋遙感技術(shù)研究存在的問(wèn)題，向記者做出了分析。他認(rèn)為，國(guó)外海洋遙感技術(shù)的研究與發(fā)展很快，而且很有深度，區(qū)域性合作的觀念很強(qiáng)烈，特別是全球性海洋觀念很強(qiáng)。我們?nèi)鄙俚牟粌H僅是諸如遙感器等硬件技術(shù)上的距離，主要矛盾是我國(guó)學(xué)科分割現(xiàn)象太嚴(yán)重，導(dǎo)致不能夠有效地進(jìn)行學(xué)科整合。僅從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，我們就與日本存在著相當(dāng)大的觀念上的距離。日本在進(jìn)行海洋遙感科學(xué)中，是建立在大學(xué)科和綜合背景之中進(jìn)行的，只要對(duì)該海洋遙感研究有幫助的學(xué)科，都可以“拿來(lái)”進(jìn)行交叉和整合，避免了重復(fù)研究和科研投資。而這一點(diǎn)我們做的還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

“擴(kuò)大國(guó)際間合作，重要的一點(diǎn)就是要實(shí)實(shí)在在地進(jìn)行科學(xué)交流，而目前我們的思想觀念還相對(duì)保守。”北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所副教授曾琪明，面對(duì)記者無(wú)奈地指出“瓶頸”之痛。他認(rèn)為，在核心技術(shù)保密的情況下，應(yīng)適當(dāng)向國(guó)外專(zhuān)家開(kāi)放一些實(shí)驗(yàn)室，以利于國(guó)際間學(xué)科的合作與交流，以利于學(xué)習(xí)、吸收國(guó)外一些新技術(shù)。這實(shí)際上是一個(gè)觀念問(wèn)題，科學(xué)發(fā)展觀的理論支撐，離不開(kāi)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的思想觀念。海洋遙感科學(xué)亦概莫能外。3