第十章遥感、浮标、内波、地质及声光调查

第十章海洋遥感、浮标观测及内波调查,10.1海洋遥感观测概况10.2海洋遥感观测的主要对象10.3浮标与潜标观测10.4内波调查10.5水下探测技术,五说教学过程,10.1海洋遥感观测概况,遥感是收集物理信息的一种方法，这种方法使用的仪器放在被观测目标之外的某一位置，远距离接受研究对象的各种信息。这与传统的现场测量与直感方法形成明显的对照。,最熟悉的遥感方法是简单的照相机，它把目标的可见光图像记录到一个像板或胶卷上，然后冲印出景观的像片。,五说教学过程,10.1海洋遥感观测概况,遥感仪器必须依赖于辐射(光、热)或波(电磁波、声波)把研究区域的有用信息传递到观测仪器。电磁波辐射实际上不能穿透海洋，声波能在海洋中传播很远。阳光入射到海面上，有一部分被反射，其余部分进入海水。从飞机或卫星上看去，平静的水面将产生一种很亮的太阳反射（称为镜面反射），波浪的出现将破坏这种镜面反射，代之以舞动着的闪耀（称为太阳闪耀）。这些信息都可传递海洋的信息。,10.1海洋遥感观测概况,航空遥感和航天遥感,航天遥感泛指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，有时也把各种行星探测器包括在内。在航天遥感平台上采集信息的方式有四种：一是宇航员操作；二是卫星舱体回收；三是通过扫描将图像转换成数字编码，传输到地面接收站；四是卫星数据采集系统收集地球或其它行星、卫星上定位观测站发送的探测信号，中继传输到地面接受站。,航空遥感和航天遥感,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。按飞行高度，分为低空（6003000米）、中空（300010000米）、高空（10000米以上）三级，此外还有超高空（U2侦察机）和超低空的航空遥感。,航天遥感和航空遥感的区别主要是：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；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。,就海洋遥感来说，飞机可以使用一些遥测仪器，进行直接的海洋测量，例如用空投XBT测量海温垂直剖面，进行海水取样，用专门的浮标装置直接测量海流和海浪，投弃式声学浮标探测海水声学特性和进行水下声学监测，机载气象传感器可直接测量大气参数等，这些是卫星遥感目前做不到的。同时，飞机上的海洋遥感器受大气和其他环境因素影响小，测量结果比航天遥感器准确可靠，是卫星遥感器试验、发展和地面校准所必不可少的。,1航空海洋遥感,遥感方式除传统的航空摄影外，还有多波段摄影、彩色红外和红外摄影、多波段扫描和红外扫描、侧视雷达等成像遥感；也可进行激光测高、微波探测、地物波谱测试等非成像遥感。航空遥感所用的传感器多为航空摄影机、航空多谱段扫描仪和航空侧视雷达等。由航空摄影机获取的图像资料为多种形式的航空像片（如黑白片、黑白红外片、彩色片、彩红外片等）。,图示是1982年10月黄委会航空拍摄的几幅红外图像拼接而成，反映了黄河口泥沙运移特征。,2卫星遥感,一般遥感飞机的飞行高度在10km左右，一张航空照片复盖地面面积只有1030平方公里，探测一遍全球表面需要十几年时间；而地球资源卫星所复盖的面积可达34000平方公里，每18天就可以复盖全球一遍，由于遥感范围广，同步性强，资料提供及时，可以大大改善海洋预报和海洋资源勘察能力。图为海洋卫星。,（1）卫星的分类：,一类是太阳同步极轨卫星，它围绕地球运转，飞行高度一般在1000km左右，周期约115min，卫星轨道平面与地球赤道平面夹角为98左右，每天经过同一地区上空两次。另一类为地球同步卫星，它的飞行高度约36000km，轨道平面与地球赤道平面基本重合，运行周期和地球自转周期相等，因此，从地面看来它好象总是停悬在赤道某一点的上空，成为静止卫星。这种卫星通常每隔20min左右观测地球一次，视野为南、北50个纬距，经距100度左右。,包括许多海洋信息，如海冰、海面温度、海面粗糙度、海水颜色等。,（2）航天海洋遥感的范围,通常，卫星上仪器是这样工作的：扫描一小块水域，把信息数字化，并发回地面，然后再数字化下一块邻接水域的信息。一次扫描的地面面积，即仪器的足印，称为像元，而扫描线就是由一系列相邻像元构成的。,（3）卫星遥感工作过程：,（4）卫星传感器的种类：,工作在可见光波长内的卫星传感器只能在无云时播发有用的海洋信息。利用可见光传感器的最著名系统是陆地卫星系列装载的多光谱扫描仪。鉴别特殊的庄稼，绘制海岸线，发现和监视能看得见的污染、沉积与侵蚀，以及估算水面悬浮沉积物浓度。陆地卫星图像还被用于近岸水深制图。,A可见光传感器（0.40.75m的可见光）,B红外传感器（814m的红外辐射）,典型的红外传感器专门接受波长11微米左右的辐射。该波长不被任何大气成分所吸收；11微米的辐射强度与发射物体绝对温度的4次方成正比，用它可以精确地测出物体温度。海洋专家广泛采用高分辨率红外图像用于监测海面温度和沿岸海流。,可见光,红外,C微波传感器（10cm量级的微波辐射）,微波是一种波长极短的电磁波，波长在1mm到1m之间，其相应频率在300GHz至300MHz之间。微波的传播速度接近光速，它在传播过程中能够发生反射和折射。它有三个与加热相关的重要特性。微波遇到金属物体，如银、铜、铝等会像镜子反射可见光一样被反射。微波遇到绝缘材料，例如玻璃、塑料、陶瓷、云母等，会像光透过玻璃一样顺利通过。微波遇到含水或含脂肪的食品，能够被大量吸收，并转化为热能。（微波炉）,C微波传感器（10cm量级的微波辐射）,微波的主要优点是能透过云“看到”目标。由于水本身对微波有强烈影响，所以活动的降雨区将得到清晰显示。依据微波资料可以获得全球海洋降雨率，这在以前是做不到的。微波也使我们能够看到飓风区和其他猛烈天气过程引起的详细降雨结构。可见光与红外传感器都能探测湖面或海面上的冰，但微波还能鉴别出这些冰是当年生成，还是已生成多年的老冰，这在南、北极地探测出特别有用。,10.2海洋遥感观测的主要对象,太空和空中遥感技术可以提供同时性(或准同时性)、空间连续性和实时性都很好的大面积海洋的数据，并且可以不受恶劣天气条件的影响，有的项目甚至可全天候观测。尽管探测的精确度目前还不尽如人意，有些内容还观测不到，但先进的信息处理技术为我们展示了前所未见的新貌。,10.2海洋遥感观测的主要对象,目前，卫星遥感海洋观测所提供的海表温度、海冰、叶绿素、海面风、海浪、大洋环流、内波等海洋数据涵盖了70的海洋要素，在海洋产业、海洋科学研究和海洋管理等领域得到普遍应用。卫星遥感技术已列为全球海洋观测系统（GOOS）的重要技术构成。,海表水温(SST)、水位、波高、海冰及叶绿素等要素属于遥感器的直接探测元。,海面温度遥感是海洋中应用最广泛的一种。,在无云海区，海面水温遥感的绝对精度可以达到1，相对精度0.5。目前所使用遥感仪器主要有：机载红外辐射计，海水温度扫描仪，海洋水色扫描仪，高分辩率辐射计，可见光、红外线扫描仪,GPS遥感技术等。,A海面温度遥感,NCEP资料,测温应尽可能辅助船舶表面观测和垂直温度廓线观测。海面红外图像经过一定处理可求得粗糙廓线(等温线分布)，而连续多幅同一区域的红外图像可以消除大部分云盖的影响而给出海区水温的详尽情况。由于海洋中不少动力现象与水温密度相关，如中尺度涡多表现为冷核或热核而区别于周围海水，因此，海面温度场是重要的感测对象。,B盐度观测,海水盐度和水温一样是海洋动力学分析中主要考虑的特征量。由于盐度能影响海水的介电常数，从而也影响到海水的微波辐射发射率。遥感测盐技术要求在21cm波段测定发射率。并要求有关现场的水温辅助观测值作为参照，由于8cm波段的微波辐射极少受介电数影响，可以反映现场的温度，因此一个两通道的微波传感器将能同时提供盐度和所需的水温观测值。,C海面风场观测,遥感所获得的海面风数据，一般是距海面20m处的观测资料。这些资料取得，有助于台风、大风预报和波浪预报。具体精度列于下表中。,图示是利用ERS-1/ALT的散射计获取的南极极锋带(50S)以南风场资料。因为卫星每6天才能覆盖地球一周，卫星图片是南极冬季时间从1992年7月27日至1992年8月2日。由于南大洋气候险恶，距离北半球又太远，派船调查至为困难。这样一来，利用卫星遥感资料就极为重要了。利用ERS-1/ALT的卫星风场资料,来研究南极极锋带(50S)以南风场特征,为海洋水文动力学研究,特别是为风海流研究提供驱动力的背景场。,D海浪观测,主要是解决表面波场的问题。可以通过SAR反演波浪方向谱(主要表现为主波对微尺度波动的调制)，另一类可以通过动力模式(海面风、海浪模式)来实现。海面状态的描述可以通过三种形式即：有效波高H1/3、表面波动率谱、实际图像。,D海浪观测,(1)有效波高：使用短脉冲雷达高度计沿星下路径全天候地观测，能测120m范围的有效波高H1/3，准确度1m有效波高的25,(2)表面波功率谱：使用合成孔径雷达SAR全天候观测：波长50m以上，在以10为间隔的所有传播方向上的海浪平方振幅值,精度同H1/3。经过二维付氏变换可以得到海浪的斜率,(3)图像：主要指海浪折射图，从应用角度看将比表面波功率谱更有用。也是采用合成孔径雷达(SAR)对大于50m的波长在100km的扫视宽度上成像，这种观测也具有接近全天候的能力。,E海流观测,海洋中的海流主要受风力、引潮力和密度分布不均匀所驱动。测流主要使用雷达高度计。先测海面坡度再算出地转流速，准确度约为20cm/s;而海流的位置误差约为几km。目前已联合使用卫星定位装置，数据采集系统和海流浮标，取得了有价值的资料。,图示是测量海平面高度的TOPEX卫星的工作示意图,目前正在兴起的是利用高频雷达测量表层海流，分为天波雷达和地波雷达。,高频地波雷达：直接向海面发射电磁波并接收回波(利用地球表面绕射)，通常采用双站即同时设置两台雷达进行工作；也可以采用单站，但分辨率和精度将相对降低。,天波雷达：发射器发出的电磁波射向天空，经电离层反射到达海面，与海洋表面发生作用并反射回电离层，再次经电离层反射回来被接收，故得名天波雷达，显然天波雷达需要较大的发射功率，通常天线阵达几百m，其探测的范围也较大，而且雷达站可以建在离海面较远的地方。,F潮汐观测,海洋潮汐以准确的规律产生，在大洋上的变化幅度在01m之间。大洋和陆架潮汐的观测极为困难，而其观测结果却对研究沿岸潮汐和潮汐理论本身很有帮助。采用雷达高度计的精确测高法，可在25cm和25相角的范围内测定全日和半日周期的潮高。观测的间隔要求在陆架上为25km,在大洋中100km。通常要有近一年的资料才能完成全球潮汐观测。,海洋水团的分类识别是个复杂问题。作为水团特征的不仅有海水的物理、化学结构，而且要有动力学结构乃至生物学结构。因此感测水团的“窗口”包括红外、可见光和微波；而且必须采取多种传感器以便进行综合分析。红外传感器比较重要，因温度是水团研究中主要考虑的特征。多光谱摄影的图像分析有助于判断水团的初级生产力、污染甚至内波的情况。,G水团观测,经过数据信息处理，可以得出各水团的配置、确定水团的边界(锋)以及分辩与中尺度涡相联系的冷核和暖核。,G水团观测,InfraredSeaSurfaceTemperatureAutonomousRadiometer(ISAR),Toprovidesea-surfaceskintemperature(SSST),G水团观测,Seasurfacetemperature(AVHRR)imageryforJune9,1994,showingwarmwatermassoffleewardcoastandcoldwatermassoffwindwardcoastofSantaCatalinaIsland,H海洋水准面观测,海洋水准面是指仅受重力和地转偏向力作用的无运动的均匀海洋表面。显然由于地球水陆分布的不均匀，水准面并不是理想椭球面。如果有了水准面，则对海流、潮位、波高和风暴潮等都可以从实测水面与水准面的偏差算出。因此精确测出海洋水准面具有很重要的意义。,H海洋水准面观测,测量水准面要使用卫星高度计和精确定位方法，以25km间隔的空间网格(指星下点路径组成的网格)进行。通过高度计资料、卫星轨迹的轨道分析联合海面常规潮位计观测值，最后形成覆盖大洋的精确水位面(20cm)，水准面的高度是相对于地球理想的参考椭球面而言的。,星下点：地球中心与天体的连线在地球表面上的交点。在遥感中星下点指的是人造地球卫星在地面的投影点（或卫星和地心连线与地面的交点），用地理经、纬度表示。当卫星在星下点进行摄像时，影像的几何畸变最小。,I浅海测深,1969年在NorthSea当用真实孔径的SLAR探测海波方向时，科研人员就发现了一种奇怪的现象。在Rortterdam港口附近杂乱的海面影像中出现了几条明亮的条纹，接近低潮时，条纹效果增强了。经过解译发现这是潮流作用下的海底地形的影像。,SAR影像中的重力波折射图和水深有着密切的关系，因此利用这个关系可定量获取水下地形信息。SAR影像的浅水特征呈条纹状，对应着一般不超过50m的水深，它们是浅水水下分布着的沙岸、沙脊和沙波的反映。在深水情形，许多SeasatSAR图像显示出波状的纹理特征，它们的“波长”一般是几km，与100m或1000m甚至更深的水深变化有关。,J海冰遥感,海冰遥感可以提供准确的海冰预报。,机载的雷达装置和星载的合成孔径雷达所取得的海冰图像均能分辨出一年冰、多年冰、速生冰、冰山、冰间水道等冰的特性，这是冰情预报不可缺少的资料。此外，热红外传感器和微波传感器也是获得有关海冰定量资料的有效工具。,J海冰遥感,SARimageshowingseaice,GreaseIce,l溢油污染遥感,石油污染的遥感主要是检测海面油膜。各种物体都具有其本身的反身和辐射能量的特性，海水和油膜对外来辐射的反射和本身能量的辐射是各不相同的。海面油膜的遥感正是利用了海水和油膜的这种不同的反射特性。目前，航天遥感不仅可以测定海面油膜的存在，而且可以测定油膜扩散的范围、油膜厚度及污染油的种类（如原油或机油等）。,l溢油污染遥感,RADARSATimageofcoastaloilspill,Oilspillscandestroymarinelifeaswellasdamagehabitatforlandanimalsandhumans.,M泥沙、叶绿素观测,利用卫星的水色通道可以观测大河入海口泥沙的扩散和季节变化。兰色的海洋标志着缺乏叶绿素，水生植物量低；绿色的海洋则反映那里水量植物旺盛。同时还可以确定海水中叶绿素浓度的分布，借以寻找渔场。,Thisfalse-colorimageshowsconcentrationsofchlorophyll.Chlorophyllistheprimarypigmentfoundinphytoplankton,themicroscopicmarineplantthatcomprisesthefoundationoftheoceanfoodchain.,Redandyellowpixelsshowthehighestconcentrations,greenisanintermediatevalue,whilelightbluesanddarkbluesshowthelowestconcentrations.Darkgreyareasrepresentland;whiteareasshowwherenodatawerecollectedduetocloudcover.,浮标应用技术是指以各类浮标为观测平台的海洋观测技术。根据用途和工作方式的不同，浮标可分为锚定浮标和漂流浮标。锚定浮标中有水文气象资料浮标、水质监测浮标、波浪浮标；漂流浮标中有表面漂流浮标、中性浮标、各种小型漂流器。,10.3浮标与潜标观测,应用浮标作为观测平台或传感系统的一部分，进行海洋水文、气象、水质观测，是六十年代以来蓬勃发展的一项海洋观测技术。它的主要特点是能在恶劣海况下全天候或全天时工作，获取海洋信息。,锚定浮标海上锚定浮标所采集的数据包括海面的气象要素（气温、气压、湿度、风速、风向等）和海面状态要素（表层的温度、盐度、营养盐、表层海流、海浪等）。有的浮标带有测温链，可以探测表层以下次表层等层次的温度、盐度等；有的资料浮标还带有向下的ADCP，可以探测海流。,漂流浮标漂流浮标是根据各种科学试验和海洋环境监测计划的需要发展起来的一种观测平台，其体积小、造价低、使用方便、适用范围广，可在船上或飞机上投放。漂流浮标重要的测量要素就是海流，要想客观地感应表层流的状况，完全排除风对浮标移动的效应是不可能的，人所能够做到的，就是把这种效应降低到最低限度。,潜标应用技术是指利用潜标系统作为观测平台的海洋观测技术.它包括系留技术、应答释放技术、定位和寻找技术、布放回收技术、防护技术等。从目前使用情况看，潜标系统主要用于海流、水温、盐度、水下噪声、内波、倾废等长期定点连续监测。潜标系统是海洋浮标系统的一个分支。,10.4内波观测技术,由各种原因引起的海水物理量垂向变化尺度介于1100m的结构统称海洋细结构，小于1m则称海洋微结构。细结构和微结构合称海洋细微结构。内波引起的海水变形产生的细结构称为可逆细结构，内波破碎以及不同物理性质的水体入侵等原因产生的细结构称为不可逆细结构。不可逆细结构的寿命约为几天甚至更