海洋遥感技术 -海洋遥感导论

编织自己的梦想 · 发表于海洋技术发展 2023-10-27 00:51:32

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地球表面开放水体约占全球面积的74%，其中海洋面积最大，约占95%。水也是研究地表物质能量交换的重要载体和关键因子。使用遥感来对水体与海洋进行监测主要使用两种技术手段：光学遥感和微波遥感。

光学遥感研究水体主要是通过水的光谱反射辐射特征（如反射率、辐射温度、或遥感专题指数）与准同步实测的各种水体参数（叶绿素含量、悬浮泥沙浓度、水深、水温等）的关系，建立一系列相关模型来提取或反演水体参数；微波遥感则是建立水体微波辐射、散射特征（亮度温度、后向散射系数）与准同步实测的水体参数（水面温度、含盐量、水面形态等）之间的定量关系模型，以实现对水面温度、海洋渔业、水面风浪等现象的监测与预报。

一、水体遥感原理

1.电磁波与水体的相互作用

众所周知，电磁波与各种地表物体的作用分别有反射、散射、吸收、透射。因此我们分析电磁波与水体的相互作用也从这四个方面来考虑。

电磁波与水体的相互作用

遥感器所接收的水体总辐射亮度主要有四个部分：水面对太阳直射光以及天空光的反射光、水中散射光、水底反射光、大气散射光。我们可以看到前三个部分包含有水的信息，但是这三部分仅仅占遥感器获得的总辐射亮度的不到10%，而水体遥感则是从这部分若信息中及逆行研究，同时应当注意水体遥感必须进行大气校正。

此外我们应当注意：

①所述的水体散射与反射主要出现在一定深度的水体中，称之为“体散射”。水体的光谱特性（即水色）主要表现为体散射而非表面散射，与陆地特征是不同的。水体的光谱性质主要是通过透射率，而不仅是通过表面特征决定的，它包含了一定深度水体的信息，且这个深度及反映的光谱特性是随时空而变化的。

②所谓水色，指的是水体在可见光、近红外波段的光谱特性，主要取决于水体中叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、营养盐含量、底部形态和水深等因素。

2.水体的光谱特征

根据探测手段的不同，水体的光谱特征是水体在可见光-近红外波段的特性，主要针对基于光学手段的水体遥感；而水体的微波辐射特征则是在水体在微波波段的特性，是基于微波手段的水体遥感的物理基础。

对于水体来说，可见光波段中的蓝绿波段反射率比红波段高，且近红外、短波红外部分仅有很少的反射能量，与植被的光谱特征差异极其明显。

水体的反射光谱特征

除了水体的共性之外，内陆水体与海洋水体各有自身的特性。大洋开阔水体的物质组成较为简单，水色要素以叶绿素A为主；内陆水体的成分较为复杂，除了叶绿素，还有悬浮泥沙、黄色物质等。

3.水体的微波辐射特征

水体的微波辐射取决于两个主要因素：海面以及海洋一定深度的复介电常数（ ε\varepsilon ）和海面粗糙度。复介电常数反映海水的电学性质，由表层物质（主要是盐度）以及温度决定。海面粗糙度则是海面至一定深度内的几何形状结构。

例如，平静的海面可以视为平坦表面，以镜面反射为主，后向散射极小；而风浪海面则是一个粗糙面，散射回波明显增强。

在水体遥感方面，雷达遥感与光学遥感存在一些不同：一时雷达信号受云雨影响小；二是雷达后向散射信号仅表达水体表面的表面散射，而光学遥感则是反映水体的体散射和表面散射。

二、水体参数的遥感反演

当前利用遥感技术可以直接或间接探测的水体参数主要有叶绿素A浓度、悬浮泥沙含量、水深、水温等，而水色遥感反演方法主要可以划分为经验法、半经验法和辐射传输模型3类，类似于定量遥感反演方法的分类。

1.经验法（仍是主流）

通过在遥感数据和地面实测数据（水色参数）之间建立统计回归分析模型的方法，进行水体参数的估测。

2.半经验法

利用光学参数与水体参数之间的物理关系，以及光学参数和遥感数据之间存在的经验关系，将光学参数（吸收系数、散射系数等）作为水体参数反演的中介，得到综合经验摩西那个和物理关系的半经验方法。

3.辐射传输模型（得到发展和完善）

以水体上行辐射与水体成分的吸收、散射特性之间的辐射传输理论为基础，通过多种辐射传输方程的近似求解，建立反演模型。

1.水体光谱特征与水中叶绿素含量

水中叶绿素浓度是浮游生物分布的指标，是衡量水体初级生产力和富营养化作用的最基本的指标。叶绿素分为叶绿素a和b，当前研究更关注叶绿素a的浓度。

由于叶绿素a的浓度影响可见光范围内的某些吸收峰值，因此通过这些峰值的大小可以定量识别水中叶绿素a的含量。

不同叶绿素浓度的水体波谱曲线

2.水体光谱特征与悬浮泥沙含量

水体悬浮物指所有悬浮在水体中的颗粒物质，除了悬浮泥沙物质，还包括生物活体有机物质等。悬浮泥沙含量主要是无机悬浮颗粒，是主要讨论的对象。

水中悬浮泥沙浓度的增加，导致水体在可见光波段的反射亮度整体增加，同时反射峰值波长向长波方向移动。因此根据水体光谱特性可以进行悬浮泥沙含量信息的提取。

不同悬浮物浓度的水体反射率

3.水体光谱特征与水深

水深指水的穿深能力，即水体的透光性能，由衰减长度来衡量。

清水不同深度的光谱特性

浊水不同深度的光谱特性

4.水体热特征与水温

水体表面温度一般被认为是水体顶层1-10CM处的温度，水体表面温度是由来自太阳的热辐射能量与各种原因构成的热通量之间热量平衡的结果。一般使用传感器探测到的亮度温度来表示水体温度。

三、海洋遥感应用

遥感的几大特点包括宏观、客观和动态。这在海流、海浪、海风等大面积海洋现象中更加显示了其优越性。海洋遥感的特点有以下几个：

大尺度、同步覆盖海洋所占面积大，但反射的能量小，易受大气干扰微波遥感在穿云破雾、全天时全天候工作方面远远超出光学遥感

目前海洋卫星和传感器也是很多的，光学卫星主要在可见光-近红外波段探测水色、水温等；微波传感器则应用更广：测距、定轨、监测海面风场、浪高、海流等。

注释与预告

参考文献：《遥感应用分析原理与方法》赵英时著

预告：3.4地表能量与辐射平衡遥感

哥哥姐姐弟弟妹妹们，咕了两周，我终于回来了。

遥感的特点我几次在各种书上看到过，也听不同的老师讲过，但都比较仓促，目前印象深的就是宏观、客观、动态这三点，会抽时间再好好总结一下。

遥感卫星我也想总结一下（每次都画饼，但是在拖延方面从不懈怠）。