海洋遥感监测技术.ppt

14海洋遥感监测技术 任何物体都有不同的电磁波反射或辐射特征 60年代在航空摄影和判读的基础上随航天技术和电子计算机技术的发展 逐渐形成了一种综合性感测技术 遥感技术 遥感技术是20世纪60年代兴起的一种不直接与目标物接触而感知其性质和状态的探测技术 是根据电磁波的理论 应用各种传感仪器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息 进行收集 处理 并最后成像 从而对地面各种景物进行探测和识别的一种综合技术 14 1海洋遥感概述 1 遥感技术 遥感技术是从人造卫星 飞机或其他飞行器上收集地物目标的电磁辐射信息 判认地球环境和资源的技术 遥感是一种远离目标 通过非直接接触而判定 测量并分析目标性质的技术 海洋不断地向周围辐射电磁波能量 同时 海面还会反射 或散射 太阳和人造辐射源 如雷达 照射其上的电磁波能量 利用专门设计的传感器 把这些能量接收 记录下来 再经过传输 加工和处理 就可以得到海洋的图象或数据资料 常规的海洋观测手段时空尺度有局限性 因此不可能全面 深刻地认识海洋现象产生的原因 也不可能掌握洋盆尺度或全球大洋尺度的过程和变化规律 海洋光学遥感应用技术是利用航天 航空遥感器测量海洋水体的可见光和近红外的光谱信息来提取海洋的叶绿素 悬浮泥沙和黄色物质以及其它污染物质等水色因子 为海洋环境监测与海洋资源开发服务 遥感按常用的电磁谱段不同分为可见光遥感 红外遥感 多谱段遥感 紫外遥感和微波遥感 2 遥感技术分类 根据使用的遥感平台不同 遥感通常分为航天遥感 航空遥感和卫星遥感 航空遥感 泛指从飞机 气球 飞艇等空中平台对地面感测的遥感技术系统 卫星遥感 航天遥感 航空遥感 卫星遥感 用卫星作为平台的遥感技术称为卫星遥感 航天遥感 利用各种空间飞行器为平台的遥感技术系统 它以地球人造卫星为主体 包括载人飞船 航天飞机和空间站等 一是使用的遥感平台不同 航天遥感使用的是空间飞行器 航空遥感使用的是空中飞行器 这是最主要的区别 航天遥感与航空遥感的区别 航天遥感与航空遥感相比 感测的地域要大得多 二是遥感的高度不同 航天遥感使用的极地轨道卫星的高度一般约1000公里 静止气象卫星轨道的高度约3600公里 而航空遥感使用的飞行器的飞行高度只有几百米 几公里 几十公里 气象卫星以搜集气象数据为主要任务的遥感卫星 为气象预报 台风形成和运动过程监测 冰雪覆盖监测和大气与空间物理研究等提供大量实时数据 陆地卫星以搜集地球资源和环境信息为主 海洋卫星以搜集海洋资源及其环境信息为主要任务的遥感卫星 遥感卫星主要有 气象卫星 陆地卫星 和 海洋卫星 三种类型 卫星遥感 海洋卫星类别 主要用于探测海洋水色要素 如叶绿素浓度 悬浮泥沙含量 有色可溶有机物等 此外也可获得浅海水下地形 海冰 海水污染以及海流等有价值的信息 美国于1997年8月发射的SeaStar卫星是一例 此外 还有其他多颗这样的卫星 海洋水色卫星 海洋水色卫星 海洋地形卫星 海洋动力环境卫星 主要用于探测海表面拓扑 即海平面高度的空间分布 此外 还可探测海冰 有效波高 海面风速和海流等 美法合作于1992年8月发射的TOPEX Poseidon卫星和GFO卫星是目前最精确的海洋地形探测卫星 此外 美国EOS计划发射的LaserALT 1和ALT 2 可用于精确测量陆表和冰面地形 海洋地形卫星 主要用于探测海洋动力环境要素 如海面风场 浪场 流场 海冰等 此外 还可获得海洋污染 浅水水下地形 海平面高度信息 欧洲空间局 ESA 于1991年7月和1995年4月相继发射的ERS 1和ERS 2是这类卫星中最具代表性的 此外 除了海洋卫星以外 还有不少海洋探测器搭载的卫星 但功能不外乎海洋水色 海表拓扑和海洋动力环境等方面内容 海洋动力环境卫星 海洋光学遥感应用技术是利用航天 航空遥感器测量海洋水体的可见光和近红外的光谱信息来提取海洋的叶绿素 悬浮泥沙和黄色物质以及其它污染物质等水色因子 为海洋环境监测与海洋资源开发服务 14 2海洋光学遥感监测技术 海洋遥感始于第二次世界大战期间 发展最早的是在河口海岸制图和近海水深测量中利用航空遥感技术 1950年美国使用飞机与多艘海洋调查船协同进行了一次系统的大规模湾流考察 这是第一次在物理海洋学研究中利用航空遥感技术 此后 航空遥感技术更多地应用于海洋环境监测 近海海洋调查 海岸带制图与资源勘测方面 14 2 1海洋遥感监测技术的发展 从航天高度上探测海洋始于1960年 这一年美国成功地发射了世界第一颗气象卫星 泰罗斯 1 号 卫星在获取气象资料的同时 还获得了无云海区的海面温度场资料 从而开始把卫星资料应用于海洋学研究 海洋卫星 美国1978年又发射了 海洋卫星 1 号 苏联也于1979年和1980年先后发射了两颗海洋卫星 宇宙 1076 号和 宇宙 1151 号 中国从1977年开始海洋遥感技术的研究 并先后在海岸带与滩涂资源调查 海洋环境监测 海冰观测 海洋气象预报 海洋渔场分析 大尺度海洋现象研究和基础理论工作中进行了遥感技术的试验 其中台风跟踪 海冰遥感和海洋环境污染航空遥感监测已进入实用阶段 通过卫星遥感获得数据 再结合海洋水温水深 海流 海底地形 盐度 溶解氧等海洋要素的电磁波特性 可以对海底地形 海洋水温气象因素和海洋生物进行深入的研究 从宏观上了解海洋生态系统的动态变化 为海洋研究提供了新的技术手段 开拓了新的研究领域 从可见光遥感机理出发找到了最佳监测可见光遥感波段 利用卫星探测到的离水辐射率与水色水温等要素尝试了离水辐射率多波段差值法 多波段差值比值法 水色水温综合法和纵向比较法等多种赤潮信息的提取模式 14 2 2光学遥感在海洋环境监测中应用技术 光学遥感信息在赤潮 溢油监测等方面有突破性进展 赤潮监测 在深入反复研究利用卫星资料进行赤潮监测方法基础上 成立赤潮监视业务试运行组 形成卫星资料接收 处理 赤潮监视专题图发报一条龙 1998年以来 准实时监视到发生在我国黄渤海 东海 福建和香港沿海的赤潮 海洋溢油污染是各种海洋污染中影响范围很广 危害时间相当长 对生态环境破坏最大的一种危害之一 卫星遥感可以大范围 同步 连续监测海洋溢油 并且成本较低 便于建立海洋溢油监测系统 因此卫星遥感监测海洋溢油必将成为海洋环境监侧的重要手段之一 油污监测技术 具有同步 大范围 实时获取资料的能力 观测频率高 这样可把大尺度海洋现象记录下来 并能进行动态观测和海况预报 测量精度和资料的空间分辨能力应达到定量分析的要求 具备全天时 昼夜 全天候工作能力和穿云透雾的能力 具有一定的透视海水能力 以便取得海水较深部的信息 14 2 3海洋卫星遥感监测技术特点 海洋遥感系统必须具备如下性能 4 卫星遥感获取的海洋信息量非常大 海洋卫星遥感与常规海洋调查手段相比的优点 1 不受地理位置 天气和人为条件的限制 可以覆盖地理位置偏远 环境条件恶劣的海区及由于政治原因不能直接去进行常规调查的海区 卫星遥感是全天时的 其中微波遥感是全天候的 2 卫星遥感能提供大面积的海面图像 每个像幅的覆盖面积达上千平方公里 对海洋资源普查 大面积测绘制图及污染监测都极为有利 3 卫星遥感能周期性地监视大洋环流 海面温度场的变化 鱼群的迁移 污染物的运移等 目前 常用的海洋卫星遥感仪器主要有雷达散射计 雷达高度计 合成孔径雷达 微波辐射计及可见光 红外辐射计海洋水色扫描仪等 14 3海洋卫星遥感监测技术应用 14 3 1卫星遥感在海洋渔业的应用 海洋中的生物及其周围的环境是海洋生态系统中的统一有机体 海洋中鱼类的集群范围 洄游路线和资源丰富不仅受水温影响 而且还与浮游植物生物量 营养物质尝试 海水盐度 溶解氧 潮汐和气象等因素密切相关 海洋浮游植物是有机物的初级生产者和能量的主要转换者 它的数量变化直接影响海洋中鱼虾等生物资源的数量变化 通常以叶绿素浓度 即水色 来表示浮游植物的含量 渔民可以根据长期的捕捞经验对鱼类在某些区域集群做出判断 但根据这些经验所指示出的渔场范围有限 而且需要有丰富的经验才能做出正确的判断 卫星遥感可以实现对海洋信息大范围 高精度全天侯的同步采集 在渔场环境分析和渔情分析预报方面有极大的优势 海洋污染源主要两大类 一是石油污染 包括船只排油 溢油事故 海上油井泄漏等 二是污水 包括工业污水和生活污水 14 3 2卫星遥感在海洋污染监测中的应用 当流入海洋的污水超过海洋的自净能力时 将使海洋生物受重金属或放射性物质的污染 甚至大量死亡 或污水中于氮 磷等化学元素或其化合物含量过高可能使局部海区的海水过营养化 发生赤潮现象 卫星遥感可以实现对海洋大范围 全天候的污染监测 利用卫星上的可见光 多光谱辐射传感器 不仅可以测定海面油膜的存在 还可以测定油膜扩散的范围 油膜厚度及污染油的种类 通过监测水温 水色和海面磷酸盐浓度等因素及其变化 可以给出赤潮的位置 范围及扩散漂移方向等信息 海洋污染监测的传统方式是通过沿海海洋站 海监船或飞船来实现 这种测量方法速度慢 而且监测区域有限 14 3 3卫星遥感海洋水色环境监测 叶绿素分布是与海洋初级生产力 海水富营养化 赤潮等密切相关的指标 同时 也是研究全球气候变化的重要依据 海洋卫星监测到的西北太平洋及印度洋 部分 叶绿素分布图 通过对各大河口和重点海域的监测 获取了黄河口 长江口和珠江口等重要河口悬浮泥沙分布 近岸二类水体特征等海洋水色基础信息 为开展海洋科学研究 海洋功能区划和海域使用管理提供了较为丰富的基础数据 HY 1A卫星反演的黄河口悬浮泥沙分级图 14 3 4海表温度监测 海表温度是海洋环境非常重要的基础信息 HY 1A卫星水色扫描仪配备了2个热红外通道 在获取海面水色信息的同时 具备了获取海面温度的能力 HY 1A卫星反演的海温实况图 利用HY 1A卫星数据反演获得的海面温度 在海洋环境预报 赤潮监测 渔场环境分析等方面得到广泛应用 14 3 5海洋灾害监测与预报 1 海洋赤潮污染监测 利用HY 1A卫星资料进行海面赤潮污染监测是HY 1A卫星的重要任务之一 HY 1A卫星的CCD成像仪具有高空间分辨率和信噪比 利用它的较高清晰图像监测数据可以对我国的三大河口赤潮污染状况进行监测 辽东湾赤潮 绿色条状为赤潮区 卫星水色扫描仪在长江口发现赤潮 红色点为反演得到的赤潮区 2 遥感海上溢油监测 海上溢油的监视和遥感监测的基本方法 航空遥感监测 卫星遥感监测 海洋溢油会改变海水的物理性质 油膜和海水之间在热辐射以及对太阳光的反向 散射 吸收方面的差异 导致卫星影像资料中灰度值的不同 使卫星影象在颜色 纹理等方面产生差异 只要掌握各种油污的反照率和热辐射的光谱特征 就可以利用图像处理软件分辨出油污 所以 利用卫星数字化影象解译海洋溢油的技术理论根据是充分的 原理 航空遥感监测 航空遥感监测具有灵活 机动的优势 是世界发达国家进行海洋监测的重要手段 也是事故监测工作中使用最多而且有效的技术 其中最常使用的遥感器是红外 紫外 IR V 扫描仪 合成孔径雷达 SAR 侧视孔径雷达 SLAR 以及微波辐射计等 虽然航空遥感监测能够实施实时监测 但费用高 而且在远离海岸地区无能为力 很难达到业务化监测要求 同时也受天气的制约 而大多数事故都是在天气恶劣的情况下发生的 这对飞机安全造成了威胁 卫星遥感监测 卫星遥感具有监测范围大 方便 费用低 图像资料易于处理和解译等特点 因此受到人们的重视 国外开展的航天溢油探测应用研究可追溯到20世纪70年代 但卫星遥感成像比例尺小 地面分辨率低 一定程度限制了污染监测的应用效果 雷达遥感监测 用于溢油和环境探测的雷达主要有两种 合成孔径雷达 SAR 侧视机载雷达 SLAR 目前星载雷达都是合成孔径雷达 能够进行大范围成像 并能在夜间或有云雾的恶劣天气条件下对海面成像 在海面溢油监测中发挥重要作用 经过多年试验研究 合成孔径雷达已经被广泛应用于海洋溢油监测 合成孔径雷达发射的电磁波与海面相互作用 从而对海面波浪成像 溢油在海面形成的油膜 对海面重力毛细波产生阻尼作用 因此有油膜的海面比没有油膜的海面光滑 在合成孔径雷达图像上呈低散射区 如果海面存在油膜 在风速和波浪高度合适的情况下 合成孔径雷达能够探测海面油膜 3 卫星遥感海冰监测 利用HY 1A卫星资料 可反演出海冰厚度 海冰外缘线 海冰密集度和海冰温度等信息 国家海洋环境预报中心在海冰预报业务中 使用HY 1A卫星数据建成了海冰预报 HY 1A卫星海冰遥感图HY 1A卫星反演的渤海海冰密集度图 14 4海洋遥感监测技术的应用发展 以海洋调查监测现代化 有效实施海洋空间监测 防灾减灾 维护海洋权益 以国民经济和国防建设服务需求为牵引 坚持自主研制 军民结合 星地协调和综合应用的方针 实现海洋卫星的系列化 业务化 形成长期 稳定 连续运行的海洋空间监测与地面应用体系 逐步发展以海洋卫星为主导的立体海洋监测网 提高海洋灾害预报的准确性和时效性 为海洋与海岸带资源合理开发利用 海洋环境保护和国防建设需要等提供服务 14 4 1应用发展目标 14 4 2发展方向 1 提高海洋环境与灾害的监测 预报和预警能力 2 为海洋资源调查与开发和管理服务 3 为海洋专属经济区 EEZ 综合管理和维护国家海洋权益服务 4 加强全球变化研究 提高对灾害性气候的预测能力 5 促进海洋 空间及相关领域的科学技术发展 以及地面应用系统和海上辐射校正与真实性检验试验场 14 4 3海洋卫星遥感监测的主要发展 依据我国海洋事业发展的需求 我国海洋卫星及其应用的总体发展目标是 建立起一整套海洋卫星及其应用体系 包括 以可见光 红外探测水色水温为主的海洋水色卫星 HY 1系列 以微波探测海面风场 海面高度和海温为主的海洋动力环