衛星海洋學-考試復習資料整理資料講解

§1

§1.1

衛星海洋遙感的應用

p1

衛星海洋學涉及的詳細內容有：

①海洋遙感的遠離和方法：包括遙感信息形成的機理、各種波段的電磁波（可見光、紅外光、微波）在大氣和海洋介質中傳輸的規律以及海洋的波譜特征；

②海洋信息的提取：包括與海洋參數相關的物理模型、從遙感數據到海洋參數的反演算法、遙感圖像處理和海洋學解釋、衛星遙感數據與常規海洋數據在各類海洋模式中的同化和融合。

③滿足海洋學研究和應用的傳感器的最佳設計和工作模式：包括光譜波段和微波頻率的選擇、光譜分辨率和空間分辨率的要求、觀測周期和掃描方式的研究以及傳感器噪聲水平的要求。

④反演的海洋參數在海洋學各領域中的應用。

衛星遙感所獲得的海洋數據特點：

1.觀測區域大

2.時空同步

3.連續

*衛星遙感資料和衛星海洋學的研究成果在海洋天氣和海況預報、海洋環境監測和保護、海洋資源的開發和利用、海岸帶繪測、海洋工程建設、全牛氣候變化以及厄爾尼諾現象檢測等科學問題上有著廣泛的應用。（有問答題時加上）

§1.2中國氣象衛星的發展p6

我國氣象衛星包括兩個主要系統：

1.極軌衛星系統；2.地球靜止衛星系統。

【了解】第一代極軌氣象衛星“風云一號”，第一代靜止氣象衛星“風云二號”，第二代太陽同步軌道氣象衛星“風云三號”，第二代靜止氣象衛星“風云四號”。（風云單號極軌，雙號靜止）

§1.3中國海洋遙感的進步p8

2002年5月15日，我國第一顆海洋探測衛星“海洋一號A”與“風云一號”D氣象衛星作為一箭雙星同時發射升空；

2007年4月11日，“海洋一號”B衛星發射。

發射海洋一號衛星的主要目的是：觀測海水光學特征、葉綠素濃度、海表面溫度、懸浮泥沙含量、可溶有機物和海洋污染物質，并兼顧觀測淺海地形、海流特征、海面上空氣溶膠等要素，掌握海洋初級生產力分布、海洋漁業及養殖業資源狀況和環境質量，了解重點河口港灣的懸浮泥沙分布規律，為海洋生物資源合理開發利用、沿岸海洋工程、河口港灣治理、海洋環境監測、環境保護和執法管理等提供科學依據和基礎數據。

我國計劃發展3個系列的海洋衛星：

1.以可見光、紅外波段遙感探測海洋水色和水溫為主的“海洋一號”系列衛星；

2.以微波遙感探測可全天候獲取海面風場、海面高度和海表面溫度場為主的“海洋二號”系列衛星；

3.同時配備光學傳感器和微波傳感器的可對海洋環境進行綜合監測的“海洋三號”系列衛星。

§2

氣象衛星與水色衛星

§2.1

遙感和遙感技術p30

遙感形式分類p31

1.按照電磁波的光譜分為：可見光與紅外反射遙感、熱紅外遙感、微波遙感；

2.按照目標能量來源分為：主動式遙感、被動式遙感；

3.按照空間尺度分為：全球遙感、區域遙感、城市遙感；

4.按照應用領域分為：資源遙感、環境遙感；

5.按照研究對象分為：氣象遙感、海洋遙感、陸地遙感；

6.按照應用目的分為：陸地水資源遙感、土地資源遙感、植被資源遙感、海洋環境遙感、海洋資源遙感、地質調查遙感、城市規劃和管理遙感、繪測制圖遙感、考古調查遙感、綜合環境監測遙感、規劃管理遙感等。

7.按照遙感器使用的平臺分為：航天或衛星遙感、航空遙感、地面遙感

§2.2

氣象文星和主要傳感器

NOAA/TIROS系列衛星載有改進型甚高分辨率輻射計（AVHRR），還載有用于探測大氣層垂直空氣柱的剖面溫度和濕度等物理量的泰羅斯垂直探測裝置（TOVS）。P33

§2.4水色衛星和主要傳感器p43

第一代水色掃描儀：海岸帶水色掃描儀（CZCS）；

第二代水色掃描儀：寬視場海洋觀測傳感器（SeaWiFS）和中國海洋水色和溫度掃描儀（COCTS）；第三代水色掃描儀：中等分辨率成像光譜儀（MODIS）。

水色傳感器與陸地資源或氣象傳感器的主要不同點：p43-44

①.信噪比（SNR）極高，在一般傳感器作為暗像元的水體目標上，要求SNR>500以上，因此，如果不做自動增益調整，其在陸地目標上的信號將趨于飽和；

②.波段帶寬較窄，水色傳感器的可見光通道帶寬大雨10nm，近紅外通道帶寬大約20nm，光譜范圍一般在400~900nm；

③.時間窗一般要求在當地時間10：30—14：30之間過境，最好是中午12：00左右；

④.要求衛星平臺具有傾斜功能，以避免太陽直射光在海面的反射進入視場；

⑤.再訪問時間1~3天，空間集合分辨率500~1100m；

⑥.有絕對的精度指標要求。

輻射計波段：p44

裝載于Nimbus-7上的延岸帶水色掃描儀（CZCS）是

波段輻射計；

裝載于SeaStar上的SeaWiFS是

波段輻射計；

裝載于EOS上的中等分辨率成像光譜儀(MODIS)是

波段輻射計。

中等分辨率成像光譜儀MODIS獲取的數據的三個特點：p47-48

1.NASA對MODIS數據實行全世界免費接收的政策，這樣的政策對于目前我國大多數科學家來說是不可多得的數據資源；

2.MODIS數據設計波段范圍廣（36個），數據分辨率高（250m、500m、1000m），對陸地、大氣和海洋的研究有較高的實用價值；

3.TERRA和AQUA衛星都是太陽同步極軌衛星，TERRA在地方時上午過境，AQUA將在地方時下午過境。TERRA和AQUA上的MODIS數據在監測時間上相配合，可以得到每天最少2次白天和2次黑夜監測數據。

§3

海洋衛星與陸地衛星

§3.2

歐洲衛星ERS-1/2和ENVISAT

圖見書P57

歐洲環境衛星ENVISAT裝載的傳感器。

*高級合成孔徑雷達ASAR

*中等分辨率成像光譜輻射計MERIS

§3.3高度計衛星p59

1992年8月發射的TOPEX/Poseidon

和

2001年12月發射的Jason-1

是特別為高度計軌道設計的專用衛星。

§3.4裝載合成孔徑雷達的衛星p59

加拿大的RADARSAT是1995年11加拿大空間局發射的合成孔徑雷達專用衛星。

§3.6陸地和海岸帶觀測衛星p63

HYPERION具有220個波段，地面分辨率可達30m，用于地物波譜測量和成像、海洋水色要素測量以及大氣水汽/氣溶膠/云參數測量等。*第四代

§3.7高分辨率商業和軍事衛星p66

1.美國地球觀測公司在2001年發射了

QuickBird-2衛星；（美國快鳥）

2.美國太空成像公司在1999年發射了高分辨商業衛星

IKONOS-2（伊科諾斯-2）；

3.美國軌道成像公司在2003年發射了

OrbView-3（軌道觀測-3）；

4.美國地球之眼公司在2008年發射了最先進、分辨率最高商業衛星

GeoEye-1（地球之眼-1）。

§4

衛星軌道與分辨率

§4.1

衛星軌道p73

衛星在地球表面的投影被稱為星下點或者衛星的天底點，衛星星下點軌跡與赤道的焦點被稱為節點。升軌：當衛星由南向北運動時；

降軌：當衛星由北向南運動時；

升軌點：衛星由南向北運動穿過赤道時，衛星星下點軌跡與赤道的交點；

降軌點：衛星由北向南運動穿過赤道時，衛星星下點軌跡與赤道的交點；

*升軌點和降軌點統稱節點。

太陽同步軌道p73

用于地球觀測的四個主要軌道類型包括：1.*太陽同步軌道（對海洋遙感—水色遙感來說用的最多）；

2.地球同步軌道；

3.高度計軌道；

4.近赤道低軌角軌道。

重復周期p76

衛星的重復周期指：衛星從某地上空開始運行，經過若干時間的運行后回到原地上空時所需要的天數。衛星的重復周期也被成為衛星地面軌跡的重復周期。對于采用循環軌道的衛星，重復周期等于

循環周期。如：高度計衛星的重復周期和循環周期經常被等價使用。

傳感器的重復周期是衛星裝載的傳感器對目標完成一次全部或全球覆蓋的時間周期。

再訪問時間指：地球上某一局部地點被傳感器先后兩次觀測的時間區間。再訪問時間與觀測地點的緯度有關。對赤道地區的再訪問時間

長于

高緯度地區的再訪問時間。

§4.2

分辨率

電磁波的相干條件是：p77

①.頻率相同的兩光波在相遇點有相同的振動方向和固定的相位差；

②.兩光波在相遇點鎖產生的振動的振幅相差不大；

③.兩光波在相遇點的光程差不能太大。

★★【計算】**p78-79

§5

電磁輻射

§5.1

電磁波的波段p83

C

波段、X

波段和Ku

波段常常被用于衛星遙感，主要原因是：厘米量級波長的微波能與海面上風生毛細重力波發生布拉格共振，并通過共振帶回海面信息。

§5.3

輻射術語p86

極化狀態是根據電場方向與參考平面的關系來定義的。

水平極化和垂直極化

設一個參考平面由兩條直線確定，一條是入射或離開海面的電磁波束所在的直線，另一條是海表面的垂線。對于線性極化的輻射，水平極化的電場與參考平面垂直，垂直極化的電場與參考平面平行。

輻亮度L

：(有方向的輻照度)

輻亮度有方向概念

表示沿輻射方向單位面積和單位立體角的輻射通量。它的定義是：

θ?θcos),(2ΩΦ

=

dAd

d

L

.光譜輻亮度：

“光譜的”或者“單色的”輻亮度表示輻亮度相對于波長或頻率的能量分布，它的定義是：

λ?θ?θλd

dL

L),()，(=

光譜輻亮度代表在單位波段內（單位波長或單位頻率）沿輻射方向單位面積和單位立體角的輻射通量。

輻照度E

輻照度E

表示通過單位面積的輻射通量，它的定義是：

dA

d

E

Φ=

發射度M

：

在介質內部，吸收率a(λ)

+

r(λ)

+

t(λ)=1

根據基爾霍夫定律，在當地熱動態平衡條件下，介質洗手的能量全部被發射，發射率等于吸收率，因此，用發射率取代上式吸收率，得到：

()()()1=++λλλt

r

e

【理解】

對于透明玻璃板，入射光被全部透射過去，故：

t=1，r=0，e=0；

對于鏡子，入射光被全部反射回去，故：

r=1，t=0，e=0；

對于黑體，入射光被全部洗手，然后又全部被發射，故：

a=1，e=1，t=0，r=0.菲涅爾反射率ρ

兩介質界面出的菲涅爾反射率()?θλρ，被定義為反射的輻亮度與入射的輻亮度之比：

()()()

?θλ?θλ?θλρ，，，i

r

L

L

=

反照率：定義為地面反射的和空氣中各種梨子后向散射的輻照度之和與入射的輻照度之比。

單次散射反照率：描述大氣層中的分子和氣溶膠粒子的光學效果。粒子對太陽輻射的單次散射反照率被定義為粒子的散射系數與衰減系數之比。

朗伯表面

使用L

代表一個物體表面自發輻射或者反射的電磁波的輻亮度。如果L

不是?和θ的函數，這樣的表面被稱為朗伯表面。朗伯定律表達的事實是：朗伯表面從不同方向看是一樣亮的。

§5.5黑體輻射

黑體

科學家將發射率e

等于1的理想輻射體稱為黑體，黑體發射的輻亮度只與溫度有關。如果一個物體的發射率e

小于1，那么該物體就是灰體，它的發射率e

俗稱灰度。

當微波頻率f

固定以后，物體發射的輻亮度L

（f）與該物體的溫度呈現一個線性關系。

亮溫

如果已知海面發射的輻亮度，那么直接代入普朗克輻射定律經過計算可以獲得一個黑體等效輻射溫度。這樣獲得的溫度不是真實的海表面溫度（SST），它被稱為海面亮溫或稱為黑體溫度B

T。

§6

散射和吸收

§6.1

描述衰減的術語p117

如果在z=d

處的電場強度()d

E

X,ω衰減為初始值()0,ωX

E的1/e，那么我們定義從z=0到z=skin

d的距離為皮層深度。

n

f

c

n

c

k

d

e

skin

＇

＇=

＇＇==

πω21

其中

e

k

：電場強度的衰減系數，n

＇＇復折射率的虛部。

因為只有接近海面非常薄的水層的水分子發射的電磁波輻射能夠溢出水面，所以表面薄層水分子的平均溫度決定了海表面的輻射強度，代表了熱紅外輻射計或者微波輻射計探測的海表面溫度。該表面薄層的實際厚度是隨輻射波長而變化的，一般的，人們稱這一表面薄層為皮層。

在微波范圍內，在海水中微波隨波長減小而衰減加劇，微波的皮層深度隨波長減小而減小。

如果在z=

z

處的輻照度

()

90,Z

E

λ衰減為初始值()0,λE的1/e，那么我們定義從z=0到

z

z

=的距離為穿透深度。

在穿透深度

z

以上海水層粒子的后向散射對離水輻亮度()λL的貢獻占有90%的份額，所以人們使

用90作為穿透深度

z的下角標。

一般的，490nm

藍綠光的穿透深度最大，波長超過490nm的可見光在海水中的穿透深度隨可見光波長的增加而減小。

將電磁波在純水中的穿透深度稱為吸收深度或者衰減深度。

穿透深度一般用于描述可見光和近紅外光在海水中的衰減，吸收深度多用于描述電磁波在純水中的穿透深度。皮層深度描述電場強度的衰減，它比穿透深度和吸收深度大一倍。

衰減系數和光學厚度p121

衰減系數()

λa

k

是

吸收系數

()

λab

k

和

散射系數

()

λsc

k的總和。

光學厚度

a

τ被定義為衰減系數沿傳播路徑上的積分。

*光學厚度

a

τ沒有量綱

當光學厚度

()z

ab,λτ等于0時，吸收率()λa

等于0；當光學厚度()z

ab,λτ等于無窮大時，吸收率()

λa

等于1。

體積散射函數

海水的散射主要集中在前向散射。前向散射一般占總散射的90%以上，后向散射只占小部分，通常小于10%。

米氏散射和瑞利散射p130-131

米氏散射理論用于描述：q

（粒子的周長與電磁波波長之比）小于1的球形粒子對電磁波的散射現象。

瑞利散射理論是用于描述q

遠小于1的球形粒子對電磁波的散射現象。

【論述】實際發生的大氣對太陽關的散射主要是兩種：

丁達爾散射和瑞利散射。

丁達爾散射屬于米氏散射，它描述尺度小于100nm的粒子對太陽光的散射現象。【詳見p130】

§6.2

輻射傳輸方程p135

在可見光波段，氣溶膠的散射經常是構成最主要衰減的因素。在熱紅外特別是微波波段，由于電磁波波長遠大于大氣所含粒子的粒徑，大氣所含粒子的散射已經不起明顯作用，大氣所含粒子的吸收變成了最主要的衰減因素。在紅外波段，水汽、二氧化碳和臭氧是主要的吸收氣體；在微波波段，水汽、氧氣和云中液態水是最主要的吸收物質。

§6.3

大氣層和大氣窗

臭氧（D.U.意義）p137

【理解】如果在零攝氏的溫度下，沿著垂直于地表的方向將大氣中的臭氧全部壓縮到一個標準大氣壓，那么臭氧層的總厚度只有3mm

左右。這種用從地面到高空垂直柱中臭氧的總厚度來反映大氣中臭氧含量的方法叫做

柱濃度法，采用多布森單位（D.U.）來表示，正常大氣中臭氧的柱濃度約為300D.U.。1.0

D.U.相當于在一個標準大氣壓和0℃的溫度下0.01mm的臭氧層厚度。

氣溶膠p138

氣溶膠對輻射的影響有

種方式：

一、直接影響，指氣溶膠直接散射和吸收電磁輻射；

二、間接影響，指氣溶膠作為凝結核，在大氣中改變云滴的濃度和云滴在大氣中存在時間，通過云滴影響電磁輻射。

氣溶膠對電磁輻射的影響是雙向的。它可以把太陽輻射向太空中散射，造成衰減；也可以吸收由地面而來的長波輻射，其作用與溫室氣體在作用相似，形成增益。

氣溶膠是氣體和在重力場中具有一定穩定性和較小沉降速度的物質顆粒組成的混合系統。一般地，氣溶膠是指懸浮在空氣中的、由固體和液體顆粒與氣體載體共同組成的多相體系。

大氣層空氣分子、臭氧和氣溶膠的光學厚度p140

在可見光和近紅外波段，空氣分子衰減作用對應的光學厚度()λτa

主要是由空氣分子散射造成的，而與吸收關系不大。

在可見光和近紅外波段，氣溶膠的光學厚度主要是由氣溶膠對電磁波的散射引起的。

臭氧的光學厚度

()λτoz

是由臭氧吸收引起的。

水蒸氣和氧氣的吸收：在微波波段，因為大氣吸收系數起主要作用，大氣散射的貢獻可以忽略，所以大氣衰減系數a

κ近似地等于大氣吸收系數ab

κ。在微波波段，大氣吸收系數ab

κ飽含三個主要組

成部分：

vap

oxy

liq

ab

κκκκ++=，liq

κ是云中液態水和降雨吸收系數，oxy

κ是氧氣的吸收系數，vap

κ是水汽的吸收系數。

大氣窗P145-146

有

種大氣成分對電磁波吸收起大小不等的作用，他們是：二氧化碳2CO、水蒸氣O

H2、臭氧

O、一氧化二氮02N、一氧化碳CO、甲烷4CH、氧氣2O

。比較而言，二氧化碳和水蒸氣對紅外波段的大氣透射率影響最大。

【選擇】大氣透射率依次按下列順序遞減：冬天亞北極區、冬天中緯度地區、夏天亞北極區、夏天

中緯度地區、熱帶地區。一般地說，大氣對于太陽入射輻射是比較透明的，對于地球發出的紅外輻射不太透明。

§7

可見光和近紅外輻射計與水色遙感

§7.1

輻射計p152

可見光和近紅外輻射計在水色衛星上用來遙感海水葉綠素濃度、懸浮泥沙濃度以及海水漫衰減系數等，紅外輻射計在氣象衛星和陸地衛星上用來遙感雪、冰、氣溶膠和薄卷云等

熱紅外輻射計在氣象衛星和海洋衛星上用來遙感海面上空水汽含量、大氣剖面溫度和濕度以及海表面溫度等

微波輻射計在海洋衛星上用于遙感海表面溫度、海面風速和風向、海面上空水汽含量、可降水量等，在飛機上用于遙感海表面溫度和海表面鹽度等

輻射計是一種根據被動遙感理論研制的傳感器。【詳見p152】

§7.2

水色遙感簡介

衛星和傳感器p153

所謂水色或海色是太陽光經水體或海水散射后，可見光和近紅外輻射計監測到的散射光的顏色。

水色三要素指：1.浮游植物的葉綠素；2.無機的懸浮物；3.有機的黃色物質。

水體類型p157

一類水體：浮游植物及其“伴生”腐殖質對水體的光學特性起主要作用的水體

二類水體：無機懸浮物或黃色物質（又稱溶解的有色有機物）對水體的光學特性有不可忽視的明顯作用的水體

大多數開闊海域的海水接近一類水體，二類水體位于與人類關系最密切、受人類活動影響最強烈的近岸、河口等海域，其中懸浮泥沙（無機懸浮物）、葉綠素和黃色物質是影響海洋水色的三要素。

黃色物質

海水中的溶解有機物（DOM）包括：POC-顆粒狀有機碳；DOC

溶解的有機碳。

不能通過定量濾膜（網膜0.4~1.0μm

之間）的顆粒狀有機碳稱為POC

；能通過的稱為DOC。

有色溶解有機物（CDOM）是DOM

中的主要成分，它能吸收藍色的光而散射黃色的光，從而使水呈淺黃色，故被人們通俗地稱為黃色物質。

人們通常使用只含有黃色物質海水的吸收系數廣義的代表它的濃度，其單位是μm

-1。

§7.3

大氣校正和離水輻射

大氣透射率p161

水色衛星遙感的大氣校正方程可表達為：

()()()()()()()λθλλθλλλλW

r

A

R

i

L

t

L

T

L

L

L，+++=

§7.4

水色遙感的科學術語p175

******【作圖題】p175

圖7-6

注意：反射峰的位置、高度、坐標軸大小、曲線形狀

§8

熱紅外輻射計

§8.2

熱紅外輻射計

消除云的方法一般可采用：p194

①．最大溫度法：海表面溫度與云表面溫度相比要高，海表面溫度變化的時間梯度（或空間梯度）與云表面溫度變化的時間梯度（或空間梯度）相比要低。若條件滿足，則可認為是海表面溫度值，否則可認為是云。這種方法對穩定薄云和不清晰云的情況不適用；

②．多波段方法：這種方法依賴于兩種不同的紅外波長（一般為3.7μm

和10.5μm）上的亮度和溫度之間的非線性關系。如果在溫暖的海面上覆蓋分散的不清晰的云，則其圖像在兩個波段上將給出兩種不同的亮溫；若是均勻的云塊或海面，則其圖像上將有相同的亮溫；

③．圖像目測判斷法：雨云在可見光下的圖像是明顯的。

§9

微波輻射計

§9.1微波輻射計p202

微波輻射計可以全天候探測海表面溫度、鹽度、風速、大氣垂直溫度和濕度剖面、大氣中水汽含量和可降水量。

§10

散射計

§10.1

衛星和散射計

散射計：一種專門監測全球海面風場的主動微波雷達。（輻射計是被動）

§10.3

電磁波在粗糙海面的散射

布拉格共振散射

雷達發射的電磁波與海表面毛細重力波之間產生布拉格共振條件是：

當

BC

AB

water

2sin

2sin

2==θλ

等于

雷達波長radar

λ時，從海面上后向散射的電磁波有相同的相位，具有相同相位的電磁波相遇產生布拉格共振。

§11

高度計

§11.1

高度計和海表面地形幾何學p253

衛星和高度計

高度計：測量地球表面相對高度的儀器。使用高度計可以實現對海表面高度SSH、有效波高SWH、海表面地形等動力參數的測量，同時可以獲取海流、海浪、潮汐、海表面風等動力參數信息。此外，衛星高度計探測數據還可應用于地球結構和海洋重力場的研究。

目前有兩種衛星高度計應用到遙感監測中：

一是，雷達高度計，發射微波并接收地球表面返回的微波；

二是，激光高度計，發射激光并接收地球表面返回的激光。

海表面地形p256

海表面地形或海洋地形：定義為海表面相對于大地水準面的距離。

海表面高度、海表面異常p257

海表面高度表示：海表面相對于參考橢球面的距離。

高度計的應用p258

§11.4

風速的觀測

高度計雖然只能測量海面風速標量，但在應用中具有特殊意義：

①．高度計可以提供同步的風、浪數據；

②.高度計星下點測量風速的空間分辨率高于散射計；

③.在小于10m/s的風速范圍內，高度計測量的風速誤差小于1m/s，優于散射計；

④．可以將高度計、散射計、微波輻射計測量的風速進行數據融合和數據同化。

§12

合成孔徑雷達

§12.3

合成孔徑雷達的應用p295-296

合成孔徑雷達SAR是一種主動式微波成像雷達，通過測量海面后向散射信號，并通過適當的處理后能產生標準化后向散射截面（NRCS）的圖像。標準化后向散射截面攜帶著海面信息，它反映了雷達觀測到的海面粗糙度

合成孔徑雷達工作在微波階段，它可以測量出海浪的方向譜、海面風場、內波，還可以監測海冰移動和海面油膜。根據布拉格共振散射理論，合成孔徑雷達接收到的海面后向散射信號與海表面上滿足布拉格共振散射條件的毛細重力波的譜成正比，所以能夠觀測海面由毛細重力波代表的海面粗糙度，并可反演產生毛細重力波的海面風速。