海洋卫星遥感
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第十一章 卫星海洋遥感
11.1 引言
•
11.1.1卫星海洋遥感及空间海洋观测历史背景
•
卫星海洋遥感，或称空间海洋学，是利用电磁波与大气和海洋的相互作用原理，
从卫星平台观测和研究海洋的分支学科。它属于多学科交叉的新兴学科，其内容涉及
物理学、海洋学和信息学科，并与空间技术、光电子技术、微波技术、计算机技术、
有如下设备：电源、热控制器、方位控制器、数
据处理系统等。电源通常采用太阳能电池，并与
蓄电池相连以提供夜间能源。热控制器为保证传
感器及其它电子装置正常工作。方位控制器用于
控制空间平台的方位，例如极轨卫星，必须控制
其缓慢自转并使卫星的同一侧面保持朝下并指向
地心。假设地球是形状规则、密度均匀的正球体，
仅考虑地球引力，则卫星按椭圆轨道运行，地球
• 三、数据传输 • 星载传感器通常产生测量电压或频率信号，然后进行数据编码。大
部分情况下以数字信号的形式传输到地面接收站。在采用二进制编码 中，一般用0～255或0～1023或0～2047对辐射扫描数据进行数字化 处理，每个象元要求8bit、10bit或12bit。由于海洋信息往往比陆地低 许多，因此，对于专为海洋应用的传感器，可将数字化数据的最大值 和最小值限制在一定范围内，在给定数据传输率的条件下，提高传感 器的输出准确度。对于非扫描式传感器，由于其测量频率较低，可以 在提高数据传输率的同时，尽可能提高数据分辨率。对于扫描式传感 器，其数据几乎是连续产生，则须在采样率、数字化间隔及数据传输 率之间求得平衡。一般情况下传感器自身还产生少量校准信号，例如 标准黑体信号，使传感器的输出能够精确的加以校正。此外，卫星还 提供相关的位置、方位、环境参数以及电源本身的辅助信息。在设计 数模控制器时，产生一个与某一固定输入电压相对应的数字化数据作 为测试扫描信号的校准数据。在扫描传感器中，每个扫描数列都配有 这种校准数据。这些信号都随数据流一起传输到地面接收站。
通讯技术密切相关。卫星海洋遥感是20世纪后期海洋科学取得重大进展的关键技术之
一。
• 空间海洋观测始于1957年苏联发射的第一颗人造地球卫星。1960年4月美国宇航局 (NASA)发射了第一颗电视与红外观测卫星TIROS—Ⅰ，随后发射的TIROS—Ⅱ卫星开 始涉及海温观测。1961年美国执行水星计划，宇航员有机会在高空亲眼观察海洋。其 后，Gemini与Apollo宇宙飞船获得大量的彩色图象以及多光谱图象。尽管这些航天计 划主要试验目的是空间技术，但它已展现了从卫星观测和研究海洋的潜力。
•
• 1978年美国NASA发射了三颗卫星，为海洋观测和研究提供了一种崭新的技 术手段。这三颗卫星是：喷气动力实验室(JPL)研制的SeasatA卫星，God－ dard空间飞行中心(GSFC)研制的TIROS—N和Nimbus—7卫星。它们充分展 现了卫星对海洋的监测能力。
• 第一颗海洋实验卫星SeasatA上装载了微波辐射计SMMR、微波高度计RA、 微波散射计SASS、合成孔径雷达SAR、可见红外Fra Baidu bibliotek射计VIRR等5种传感器。 提供的海洋信息包括海表温度、海面高度、海面风场、海浪、海冰、海底地 形、风暴潮、水汽和降雨等。虽因电源故障，SeasatA寿命仅为108天，却获 得极其宝贵的大量的海洋信息。因此，SeasatA被称为卫星海洋遥感的里程 碑。
• 上述三颗卫星构成了海洋卫星的三部曲，它标志着卫星海洋遥感新纪元的 开始，并反映了可见光、红外、微波海洋遥感的概貌。
• 11.1.2卫星海洋遥感系统
•
一、空间平台及轨道
• 装载传感器的空间运载工具称为空间平台，它
包括人造卫星、宇宙飞船、天空实验室等。卫星
作为海洋遥感的空间平台，除安装传感器外，还
• TIROS—N上装载高级甚高分辨率辐射计AVHRR和TIROS业务化垂直探测 器TOVS。NOAA于1981年推出MCSST卫星海表温度业务化反演算法。因此， TIROS—N奠定了卫星海表温度进入气象、海洋业务化预报的基础。它实际 上是NOAA—6及其后发射的NOAA极轨系列卫星的样机。
• Nimbus—7装载了7台传感器，其中多通道扫描微波辐射计SMMR和沿岸带 海色扫描仪CZCS与海洋观测有关。CZCS专用于海色测量，它奠定了海色卫 星遥感的基础。1978—1986年间CZCS提供了8年的全球海色图象以及海洋 次表层叶绿素浓度参数。
• 1969年NASA在Williams大学召开研讨会，推动了1973年Skylab航天器和1975年 GEOS—3卫星高度计的发展。地球实验海洋卫星GEOS—3主要用于测量卫星至海面的 距离。天空实验室Skylab航天器同时证实了可见光和近红外遥感对地球进行连续观测 的潜力。以此为基础，NASA研制了一系列高分辨率多光谱扫描仪。这些扫描仪装载在 Landsat系列卫星上沿用至今，除陆地信息外，提供了有关河口和沿岸水域的海色及浑 浊度信息。同时，美国海洋大气局(NOAA)在1970年1月发射改进型TIROS卫星，在 1972—1976年发射NOAA—1,2,3,4,5卫星，这些卫星装载了红外扫描辐射计和微波辐 射计，用以估计海表温度和大气温度、湿度剖面，主要用于气象学研究。
位于椭圆的一个焦点上。
• 二、卫星传感器 • 目前用于海洋观测的所有卫星传感器，均根据电磁辐射原理获取海
洋信息。遥感技术采用的电磁波包括可见光、红外、微波。其中，可 见光谱范围在0.4～0.7μm，红外波谱在1～100μm，微波波段在0.3～ 100GHz。传感器按工作方式可分为主动式和被动式。被动传感器如 可见红外扫描辐射计，微波辐射计等；主动式如微波高度计、微波散 射计、合成孔径雷达等。 • 卫星传感器的种类很多，目前用于海洋研究的传感器主要有： • ①海色传感器：主要用于探测海洋表层叶绿素浓度、悬移质浓度、 海洋初级生产力、漫射衰减系数以及其他海洋光学参数。 • ②红外传感器：主要用于测量海表温度。 • ③微波高度计：主要用于测量平均海平面高度、大地水准面、有效 波高、海面风速、表层流、重力异常、降雨指数等。 • ④微波散射计：主要用于测量海面10m处风场。 • ⑤合成孔径雷达：主要用于探测波浪方向谱、中尺度涡旋、海洋内 波、浅海地形、海面污染以及海表特征信息等。 • ⑥微波辐射计：主要用于测量海面温度、海面风速以及海冰水汽含 量、降雨、CO2海—气交换等。
11.1 引言
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11.1.1卫星海洋遥感及空间海洋观测历史背景
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卫星海洋遥感，或称空间海洋学，是利用电磁波与大气和海洋的相互作用原理，
从卫星平台观测和研究海洋的分支学科。它属于多学科交叉的新兴学科，其内容涉及
物理学、海洋学和信息学科，并与空间技术、光电子技术、微波技术、计算机技术、
有如下设备：电源、热控制器、方位控制器、数
据处理系统等。电源通常采用太阳能电池，并与
蓄电池相连以提供夜间能源。热控制器为保证传
感器及其它电子装置正常工作。方位控制器用于
控制空间平台的方位，例如极轨卫星，必须控制
其缓慢自转并使卫星的同一侧面保持朝下并指向
地心。假设地球是形状规则、密度均匀的正球体，
仅考虑地球引力，则卫星按椭圆轨道运行，地球
• 三、数据传输 • 星载传感器通常产生测量电压或频率信号，然后进行数据编码。大
部分情况下以数字信号的形式传输到地面接收站。在采用二进制编码 中，一般用0～255或0～1023或0～2047对辐射扫描数据进行数字化 处理，每个象元要求8bit、10bit或12bit。由于海洋信息往往比陆地低 许多，因此，对于专为海洋应用的传感器，可将数字化数据的最大值 和最小值限制在一定范围内，在给定数据传输率的条件下，提高传感 器的输出准确度。对于非扫描式传感器，由于其测量频率较低，可以 在提高数据传输率的同时，尽可能提高数据分辨率。对于扫描式传感 器，其数据几乎是连续产生，则须在采样率、数字化间隔及数据传输 率之间求得平衡。一般情况下传感器自身还产生少量校准信号，例如 标准黑体信号，使传感器的输出能够精确的加以校正。此外，卫星还 提供相关的位置、方位、环境参数以及电源本身的辅助信息。在设计 数模控制器时，产生一个与某一固定输入电压相对应的数字化数据作 为测试扫描信号的校准数据。在扫描传感器中，每个扫描数列都配有 这种校准数据。这些信号都随数据流一起传输到地面接收站。
通讯技术密切相关。卫星海洋遥感是20世纪后期海洋科学取得重大进展的关键技术之
一。
• 空间海洋观测始于1957年苏联发射的第一颗人造地球卫星。1960年4月美国宇航局 (NASA)发射了第一颗电视与红外观测卫星TIROS—Ⅰ，随后发射的TIROS—Ⅱ卫星开 始涉及海温观测。1961年美国执行水星计划，宇航员有机会在高空亲眼观察海洋。其 后，Gemini与Apollo宇宙飞船获得大量的彩色图象以及多光谱图象。尽管这些航天计 划主要试验目的是空间技术，但它已展现了从卫星观测和研究海洋的潜力。
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• 1978年美国NASA发射了三颗卫星，为海洋观测和研究提供了一种崭新的技 术手段。这三颗卫星是：喷气动力实验室(JPL)研制的SeasatA卫星，God－ dard空间飞行中心(GSFC)研制的TIROS—N和Nimbus—7卫星。它们充分展 现了卫星对海洋的监测能力。
• 第一颗海洋实验卫星SeasatA上装载了微波辐射计SMMR、微波高度计RA、 微波散射计SASS、合成孔径雷达SAR、可见红外Fra Baidu bibliotek射计VIRR等5种传感器。 提供的海洋信息包括海表温度、海面高度、海面风场、海浪、海冰、海底地 形、风暴潮、水汽和降雨等。虽因电源故障，SeasatA寿命仅为108天，却获 得极其宝贵的大量的海洋信息。因此，SeasatA被称为卫星海洋遥感的里程 碑。
• 上述三颗卫星构成了海洋卫星的三部曲，它标志着卫星海洋遥感新纪元的 开始，并反映了可见光、红外、微波海洋遥感的概貌。
• 11.1.2卫星海洋遥感系统
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一、空间平台及轨道
• 装载传感器的空间运载工具称为空间平台，它
包括人造卫星、宇宙飞船、天空实验室等。卫星
作为海洋遥感的空间平台，除安装传感器外，还
• TIROS—N上装载高级甚高分辨率辐射计AVHRR和TIROS业务化垂直探测 器TOVS。NOAA于1981年推出MCSST卫星海表温度业务化反演算法。因此， TIROS—N奠定了卫星海表温度进入气象、海洋业务化预报的基础。它实际 上是NOAA—6及其后发射的NOAA极轨系列卫星的样机。
• Nimbus—7装载了7台传感器，其中多通道扫描微波辐射计SMMR和沿岸带 海色扫描仪CZCS与海洋观测有关。CZCS专用于海色测量，它奠定了海色卫 星遥感的基础。1978—1986年间CZCS提供了8年的全球海色图象以及海洋 次表层叶绿素浓度参数。
• 1969年NASA在Williams大学召开研讨会，推动了1973年Skylab航天器和1975年 GEOS—3卫星高度计的发展。地球实验海洋卫星GEOS—3主要用于测量卫星至海面的 距离。天空实验室Skylab航天器同时证实了可见光和近红外遥感对地球进行连续观测 的潜力。以此为基础，NASA研制了一系列高分辨率多光谱扫描仪。这些扫描仪装载在 Landsat系列卫星上沿用至今，除陆地信息外，提供了有关河口和沿岸水域的海色及浑 浊度信息。同时，美国海洋大气局(NOAA)在1970年1月发射改进型TIROS卫星，在 1972—1976年发射NOAA—1,2,3,4,5卫星，这些卫星装载了红外扫描辐射计和微波辐 射计，用以估计海表温度和大气温度、湿度剖面，主要用于气象学研究。
位于椭圆的一个焦点上。
• 二、卫星传感器 • 目前用于海洋观测的所有卫星传感器，均根据电磁辐射原理获取海
洋信息。遥感技术采用的电磁波包括可见光、红外、微波。其中，可 见光谱范围在0.4～0.7μm，红外波谱在1～100μm，微波波段在0.3～ 100GHz。传感器按工作方式可分为主动式和被动式。被动传感器如 可见红外扫描辐射计，微波辐射计等；主动式如微波高度计、微波散 射计、合成孔径雷达等。 • 卫星传感器的种类很多，目前用于海洋研究的传感器主要有： • ①海色传感器：主要用于探测海洋表层叶绿素浓度、悬移质浓度、 海洋初级生产力、漫射衰减系数以及其他海洋光学参数。 • ②红外传感器：主要用于测量海表温度。 • ③微波高度计：主要用于测量平均海平面高度、大地水准面、有效 波高、海面风速、表层流、重力异常、降雨指数等。 • ④微波散射计：主要用于测量海面10m处风场。 • ⑤合成孔径雷达：主要用于探测波浪方向谱、中尺度涡旋、海洋内 波、浅海地形、海面污染以及海表特征信息等。 • ⑥微波辐射计：主要用于测量海面温度、海面风速以及海冰水汽含 量、降雨、CO2海—气交换等。