卫星海洋遥感及其在我国的应用和发展目标

前言为发展海洋事业,摆在科学家面前的首要任务是认识海洋上发生的各种现象,了解海洋资源的现状,这乃是海洋监测和调查的宗旨。海洋监测和调查历史悠久,其常规手段是采用调查船、观测站、海洋浮标等获取海洋环境与资源有关的数据。这种方法的缺点是耗资大、工时长、范围有限,因而难以实现大面积、实时、同步、连续及密集的海洋观测。由于海洋自身的特点,其一,它的面积大,其二,它是运动者的水体,采用空基遥感探测具有显着的优点。这些优点表现在下述两方面：一方面可以经济而方便地实现面探测,而下像大多数常规手段,只能作点/线探测；另一方面可以实现实时或准实时探测。     

海洋三维遥感与海洋剖面激光雷达

本文从海洋与气候变化等重大前沿科学与应用对空间海洋观测系统的需求出发,基于当前国内外空间激光技术水平与前期海洋激光遥感的探索,提出了海洋遥感从二维向三维发展的紧迫性,并将海洋剖面探测激光雷达作为未来“海洋三维遥感”的主要技术手段。本文对近50年国内外激光海洋剖面探测技术的理论与应用、基础性关键探测机理问题,尤其是近10年来的试验性探索及其在多个海洋科学问题中的应用进行了综述。结合中国自主“观澜号”海洋科学卫星计划中海洋剖面探测激光雷达的系统论证与指标要求,提出了未来海洋剖面探测激光雷达发展路线图建议以及中国有望率先在空间海洋剖面激光探测领域取得突破的设想。     

海洋测量信息处理技术的发展

海洋测量信息处理是海洋测绘的关键技术之一.为此,着重对当前海洋测量信息处理技术的几个研究热点进行了介绍,内容包括海陆基准的统一、海洋遥感图像的精校正、卫星测高和遥感测深技术,并对海洋测量信息处理与多元化表示作了简要的讨论.     

世界卫星海洋遥感三十年

全面扼要地介绍30a来世界卫星海洋遥感所取得的主要成就及主要海洋卫星探测器的技术性能,重点介绍海洋遥感——海洋水色、海面地形、海面风场以及波浪、溢油和海冰监测等方面的技术进步和应用研究进展。     

遥感技术用于监测海水水质

本文简要地介绍了遥感技术（航天、航空）用于沿海海水污染监测的情况及当前海洋水质污染的状况。提醒人们要爱护我们赖以生存的环境,爱护我们的海洋。     

河北省卫星遥感海洋应用平台建设研究

随着卫星遥感技术在海洋监测中的作用日益凸显,为了加快地方海洋监测能力建设,构建省级卫星遥感海洋应用平台十分必要。介绍了河北省卫星遥感海洋应用平台的总体设计思路、总体架构、系统建设和应用情况。该平台将国家遥感数据分发单位、地方业务化监测单位、现场观测单位有机联合在一起,形成了自卫星遥感数据与现场观测数据的收集、数据处理、产品生产、数据管理、成果发布至精度评价的全业务闭环流程,实现了海洋环境常规监测业务系统后台全自动化运行,极大程度地提升了河北省海洋遥感监测能力和服务能力,为地方海洋遥感监测平台的建设提供参考。     

美国SeaStar海洋水色卫星简介

美国海洋水色卫星SeaStar是继1978年发射的Nimbus-7(雨云)卫星后的国际上第2颗海洋水色专用卫星,计划于1995年年初发射。我国国家海洋局第二海洋研究所已获NASA批准,将建站接收该卫星资料。本文介绍SeaStar卫星及其轨道参数和星上装载的海洋宽视场水色扫描仪有关情况及其遥感资料的接收和应用情况。     

遥感和GIS技术在全球海面风速分析中的应用

将遥感技术和地理信息系统（GIS）技术相结合，建立了一个基于TOPEX卫星的全球海面风速分析的海洋地理信息系统（MGIS）。阐述了全球海面风速分析模型的建立方法，定义了描述风场特征的相关参数，介绍了全球海面风速海洋地理信息系统的结构、功能和工作流程，另外，对系统的3个应用实例进行了地学分析。     

中国海洋卫星及应用进展

中国十分重视海洋遥感及其监测技术的发展,初步形成了具有优势互补的海洋遥感观测体系,并发挥了显著的经济和社会效益。其中,海洋一号(HY-1A/B)卫星已经广泛应用于中国海温预报业务系统、冬季海冰业务监测、夏季赤潮和绿潮监测、海岸带动态变化监测、近岸海水水质监测和渔业遥感监测等方面。海洋二号(HY-2A)卫星不仅填补了中国海洋动力环境卫星遥感的空白,也是目前国际上唯一在轨运行的集主被动微波遥感器于一身的综合型海洋动力环境卫星,具备同时获取风场、有效波高、海面高度和海面温度的能力。通过卫星获得的数据提高了中国海洋环境监测与灾害性海况预报的水平,为国民经济建设和国防建设、海洋科学研究、全球变化研究等提供了可靠的遥感数据,同时还在国际对地观测体系中发挥了重要作用,受到国内外用户的高度认可。海洋一号和海洋二号卫星系列为中国建立完善的海洋环境立体监测体系奠定了坚实基础。根据国家发展和"一带一路"建设的实施,在加快建设海洋强国、维护海洋权益和加快发展海洋经济的进程中对海洋遥感的发展也进一步提出了更高的要求和更紧迫的需求。为此,紧紧围绕国家海洋强国战略需求,在《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015年—2025年)》中专门规划了海洋观测卫星系列,服务于中国的海洋资源开发、环境保护、防灾减灾、权益维护、海域使用管理、海岛海岸带调查和极地大洋考察等方面,同时兼顾陆地和大气观测领域的需求。在充分继承已有HY-1A/B、HY-2A、高分三号(GF-3)和中法海洋卫星(CFOSAT)成功研制经验和应用成果的基础上,发展多种光学和微波遥感技术,建设新一代的海洋水色卫星和海洋动力环境卫星,具备卫星组网观测能力;发展海洋监视监测卫星,构建优势互补的海洋卫星综合观测体系。通过空间基础设施的建设,海洋遥感卫星必将在建设海洋强国的进程中发挥出重要作用。     

海洋溢油光谱分析与卫星信息提取

通过对海洋中原油、重柴油、轻柴油、润滑油和煤油溢油波谱特征测试分析,绘制各油种不同厚度时光谱特征曲线图,是提取溢油信息的基础.经过多年卫星影像处理实践,筛选出各种油膜不同厚度时的最佳卫星通道组合与增强处理模式,成为理想海洋溢油卫星影像制作的关键技术.并应用户需求在影像中解译出了油膜位置、面积、溢油量、漂移方向和速度.     

基于三棱柱11剖分法的海洋温度场动态三维建模方法研究

海水的温度是海洋物理性质中最基本的要素之一,随着对地球研究的逐步深入,数字地球的建模范围也从陆地向海洋延伸,从静态向动态建模发展。由于海洋每时每刻都在变化,对海洋温度场的三维建模尤其是动态三维建模尤为困难。本文分析了海洋温度场数据获取的方法,并从动态温度场数据的特点出发,提出了基于三棱柱11剖分法的海洋温度场动态三维建模方法,提取对象中的等温面作为特征对三维温度场进行建模和表达。实验表明,本文提出的方法可以高效地对动态三维温度场进行建模和表达。     

Mission design,operation and exploitation of the gravity field and steady-state ocean circulation explorer mission

The European Space Agency’s Gravity field and steady-state ocean circulation explorer mission (GOCE) was launched on 17 March 2009. As the first of the Earth Explorer family of satellites within the Agency’s Living Planet Programme, it is aiming at a better understanding of the Earth system. The mission objective of GOCE is the determination of the Earth’s gravity field and geoid with high accuracy and maximum spatial resolution. The geoid, combined with the de facto mean ocean surface derived from twenty-odd years of satellite radar altimetry, yields the global dynamic ocean topography. It serves ocean circulation and ocean transport studies and sea level research. GOCE geoid heights allow the conversion of global positioning system (GPS) heights to high precision heights above sea level. Gravity anomalies and also gravity gradients from GOCE are used for gravity-to-density inversion and in particular for studies of the Earth’s lithosphere and upper mantle. GOCE is the first-ever satellite to carry a gravitational gradiometer, and in order to achieve its challenging mission objectives the satellite embarks a number of world-first technologies. In essence the spacecraft together with its sensors can be regarded as a spaceborne gravimeter. In this work, we describe the mission and the way it is operated and exploited in order to make available the best-possible measurements of the Earth gravity field. The main lessons learned from the first 19 months in orbit are also provided, in as far as they affect the quality of the science data products and therefore are of specific interest for GOCE data users.     

一种面向虚拟地球的海面动态可视化优化方法

现有的虚拟地球中的海面可视化方法主要采用投影网格的方式组织海面格网,这种特殊的网格组织方式,导致其在反映不同海域差异性特征时存在缺陷。基于全球离散格网的海面可视化方法由于能够与虚拟地球离散的空间剖分相匹配,有效弥补了投影网格法的缺陷,因此更符合虚拟地球海面仿真应用的需要。然而现有的离散格网法存在绘制效率差、场景加载慢、需要修补格网缝隙等问题,限制了其应用发展。对此,本文在现有离散格网法基础上进行优化:首先,在数据结构上对传统等经纬度离散格网进行扩展,设计了一种面向GPU绘制的多尺度海面网格模型来组织管理海面格网;其次,为了实现风场驱动下的海浪动态绘制,在多尺度海面网格模型的基础上提出了一种支持实时风场更新的海浪动态绘制方法;同时,考虑到格网缝隙修补对系统效率的影响,本文针对海面格网特点并结合GPU技术提出了一种高效的海面格网缝隙修补方法。最后通过对比试验验证了本文方法的可行性和有效性。试验结果表明,本文方法绘制效率稳定,加载速度快,且能弥补现有方法在功能上的缺失,因此应用范围更加广泛。     

Observation of mesoscale ocean currents from GEOSAT altimeter data

This paper discusses an altimeter data processing technique designed to compute time series of the mesoscale dynamic sea surface and to produce mean sea surfaces and surface variability. The technique has been applied to Geosat data collected over the North and South Atlantic and the South Indian Ocean. The computed mean sea surfaces show a high correlation with ocean bottom topography, whereas the variability is found to be associated with mesoscale ocean currents. High variability levels are spotted near the Gulfstream Extension and the Agulhas Return Current.Detailed examination of the sea surface and related flow field time series made it possible to identify a large number of eddies and to keep track of them in both the nort-west and south-east Atlantic. Additionally, some of the eddy characteristics have been resolved such as translation and swirl velocity. It is found that the eddy motion is affected by ocean bottom slopes.     

海岸海洋潮流模拟可视化与虚拟现实建模

潮流数值模拟的科学可视化与虚拟现实是海岸海洋科学研究重要的现代技术手段之一。首先从地理信息系统的角度对潮流数值模拟系统的数据模型进行了论述，提出了适合水文数值模拟的对象模型方法；其次探讨了空间流场的可视化技术，阐述了虚拟现实在潮流数值模拟中的作用；最后设计并实现了一个海岸海洋潮流模拟虚拟现实的原型软件系统VRO－cean,并在南黄海辐射沙洲等的潮流数值模拟试验中进行了实际对比检验。     

水声环境仿真及其可视化技术研究

针对水声环境对舰艇声纳探测效能的显著影响以及主要海域海洋环境特点,建立了浅海和深海水声环境仿真模型,实现了对海区水声环境的快速、准确预报。提出了基于3维声场纹理预积分的水声环境体可视化方法,实现了对水下声场的直观表达与多维分析,从而为水声环境的认知、教学训练以及决策支持提供了有效手段。     

双频共面合成孔径雷达海面风场反演

根据L/C双频共面SAR能够获取同一海域双波段电磁波后向散射系数,得到更多海洋目标特征信息的电磁散射特点,结合地球物理模型函数研究了一种新的SAR海面风场反演方法。利用L/C双频共面SAR的L和C两个波段的地球物理模型函数和后向散射系数等信息,通过地球物理模型函数联立以及构建和求解最小代价函数,直接从SAR数据本身获取海面风场信息,并借助辅助数据去除了风向的180°模糊,从而实现海面风场反演。仿真分析和海上机载同步飞行试验的研究结果表明,该方法可直接利用SAR数据本身获取精度较高的海面风速、风向;绝对辐射定标精度是决定海面风场反演精度的关键因素,海面风场反演误差随定标精度提高而减小;随着海面风速的增大,风速反演误差逐渐增大。论文提出的双频共面SAR海面风场反演方法解决了传统单波段单极化SAR海面风场反演存在的固有问题,机载同步飞行试验的海面风速和风向反演结果与调查船观测值的均方根误差分别为0.93 m/s和19.39°,可为星载SAR海面风场反演业务化和载荷研制提供支持。     

Effect of Long Waves on Ku-Band Ocean Radar Backscatter at Low Incidence Angles Using TRMM and Altimeter Data

This letter uses a large ocean satellite data set to document relationships between Ku-band radar backscatter (sigma_o) of the sea surface, near-surface wind speed (U), and ocean wave height (SWH). The observations come from satellite crossovers of the Tropical Rainfall Mapping Mission (TRMM) Precipitation Radar (PR) and two satellite altimeters, namely: 1) Jason-1 and 2) ENVISAT. At these nodes, we obtain TRMM clear-air normalized radar cross-section data along with coincident altimeter-derived significant wave height. Wind speed estimates come from the European Centre for Medium-Range Weather Forecast. TRMM PR is the first satellite to measure low incidence Ku-band ocean backscatter at a continuum of incidence angles from 0deg to 18deg. This letter utilizes these global ocean data to assess hypotheses developed in past theoretical and field studies.     

水稻微波后向散射系数的模拟分析

海洋雷达后向散射回波主要来自短重力波的Ｂｒａｇｇ 散射,这种散射与海面风场信息、边界层涡旋等密切相关。因此,可以从雷达散射截面反演风场信息。对１９９４ 年４ 月航天飞机成像雷达（ＳＩＲＣ／ＸＳＡＲ）获取的南中国海合成孔径雷达（ＳＡＲ） 图像进行了分析研究。利用ＳＩＲＣ 数据,从ＳＡＲ 图像谱提取了风向;根据ＣＭＯＤ４ 模型,从Ｃ波段雷达后向散射系数反演风速;利用双尺度散射模型对反演的风速进行了对比分析。结果表明,从ＳＩＲＣ雷达数据可以反演海面风矢量,星载ＳＡＲ是提取海面风场信息的有效技术手段之一。