第1章 绪论
海洋是指地球表层连成一片的海和洋的总体水域，包括海水、溶解和悬浮于水中的物质、海底沉积物，以及生活于海洋中的生物。所构成的海洋环境涵盖海洋水体、气候、地形、生物多样性和生态系统等方面，因此，海洋环境是一个开放、复杂的系统（安太天等，2020）。人类并不生活在海洋上，但海洋却是人类生产和消费不可缺少的物质和能量的源泉。随着科学和技术的发展，海洋对人类的影响日益增大，人类对海洋的依赖程度越来越高，开发海洋资源的规模也越来越大，海洋环境正不断受到人类活动的影响和污染。有效地监测海洋环境、掌握海洋环境的变化，有助于人类可持续地开发和利用海洋。
海洋遥感探测技术是通过测量海洋水体发射或反射的电磁波，以科学算法或模型反演获知海洋状态的各种环境参量信息。光学遥感探测海洋表层叶绿素a浓度、悬浮物浓度、黄色物质、漫射衰减系数及其他海洋水体环境参数；红外遥感探测海表温度；微波遥感探测海面风场、海面高度、有效波高、海面盐度、表层流、重力异常等海洋环境参数（潘德炉等，2017）。多样的海洋遥感探测技术正逐渐成为大面监测海洋环境的重要手段。
海洋遥感探测技术短短几十年的发展，从军事应用扩展到全球变化研究、海洋环境动态监测等广阔领域，呈现出无可替代的作用和旺盛的生命力，形成了强有力的卫星海洋遥感观测体系。高光谱、高空间分辨率、高时间频次等海洋遥感探测技术的快速发展，带动海洋遥感数据快速积累，使各类海洋环境遥感参数、遥感产品呈指数级数暴涨。海洋遥感已经进入大数据时代，海洋遥感大数据已成为海洋大数据的重要支柱。
1.1 海洋环境
海洋环境指地球上海和洋水域中的各种自然条件和生物群落，包括海水、海底地形、海洋气候、海洋生物等。海洋环境是生命的摇篮和人类的资源宝库。
1.1.1 特征
海一般邻靠陆地，水深在3000m以内，海水中盐度、水温受大陆影响，有显著季节变化，透明度小，没有*立的潮汐系统，潮汐一般从大洋传来，涨落显著。世界上海的面积约占海洋总面积的11%。
洋一般远离大陆，面积广阔，水深在2000m以上，盐度、水温不受大陆影响，季节变化小，透明度大，有*立的潮汐系统和强大的洋流系统。世界上洋的总面积约占海洋总面积的89%。
海和洋相互沟通，连成一片，称为海洋。海洋对人类和地球生物的形成和发展起着巨大的作用，海洋环境对地球环境的形成也起着决定性的作用。海洋是地球上水循环的起点，海水受热蒸发，水蒸气升到空中，再被气流带到陆地上，使陆地上有降水和径流，陆地上有了水，生物才得到发展；海洋对地球上的气候起着调节作用，使气温变化缓和，适宜生存。
海洋环境具有如下特征。
（1）大面积。海洋总面积约为3.61亿km2，约占地球总面积的70.8%，提供了丰富的生存空间和多样的环境系统。
（2）高动态。受包括潮汐、洋流、海浪、风等各种物理过程的影响，海洋环境具有高动态性。
（3）多水层。海洋的水柱延伸到深海底部，形成了不同的水层。水柱的物理和化学特性，如温度、盐度、氧气含量等，会随着深度的变化而发生显著变化，形成不同的海洋环境。
（4）全球联系。海洋通过水循环、气候调节和碳循环等过程与其他环境要素相互作用，海洋环境是全球生态系统中不可或缺的一部分，与陆地系统、大气系统和地球系统相互联系。
上述这些特征共同构成了海洋环境的复杂性和*特性。因此，要深入了解海洋环境各要素的相关情况，既要有宏观、大范围的监测手段，也需要按照不同的频率进行观测。
1.1.2 分类
海洋环境是一个非常复杂的系统，按照区域性可划分为潮间带、河口、海湾、浅海海区、大洋海区等海洋环境。
1.潮间带
潮间带是位于平均大潮的高低潮位之间的地带，是海洋与陆地之间的过渡地带。潮间带交替暴露于空气中和淹没于海水中，因此潮间带是温度变化（包括日变化和季节变化）*剧烈的区域。受蒸发、降水和大陆地表径流的影响，潮间带区域海水的盐度也呈现很大的变化幅度。受波浪和周期性潮汐过程的影响，潮间带冲刷作用明显。此外，潮间带濒临大陆，污染物质容易在此积累。
2.河口
海水和淡水交汇混合的部分封闭的沿岸海湾称为河口，它是海洋和河流两类水域生态之间的交替区和过渡带，如长江口、珠江口。广义的河口还包括半封闭的沿岸河湾、潮沼和在沿岸沙坝后面的水体。河口受潮汐作用强烈，同时也受河水剧烈影响，因此河口生态环境多变迁，呈现周期性变化。
3.海湾
海湾是被陆地环绕成明显水*的水域，是海洋的边缘部分。广义的海湾是指海洋的一部分伸入陆地，深度和宽度逐渐减小的水域，如渤海湾、杭州湾等。海湾是海洋生物生产力较高的区域之一，蕴藏着丰富的资源，有着的优越的地理位置和*特的自然环境，是人类认识海洋、开发海洋和保护海洋的*选区域。海湾环境同样具有明显的日变化、季节变化和年变化特征。
4.浅海海区
浅海海区是指海岸带海水深度较小的区域，包括从潮间带下限至大陆架边缘内侧水体和海底，其平均深度一般不超过200m。浅海海区受大陆影响较大，水文、物理和化学等要素相对大洋区复杂多变，并且具有季节性和突然性变化的特点。例如，浅海海区由于水较浅，温度变化受大陆影响较大，昼夜温差也大。不同纬度的浅海海区海水温度变化各有自身特点。
5.大洋海区
大洋海区是指大陆边缘以外深度较大、面积广阔的区域。世界上有太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋四大洋，它们的总面积约占海洋总面积的89%。因不受大陆的直接影响，其环境相对近岸浅海海区更加稳定。
可见，海洋环境类型多、范围广、变化复杂。只有综合利用各种手段进行监测，才能充分了解和掌握海洋环境的时空分布、变化规律，趋利避害，为海洋开发利用和保护提供支撑。
1.1.3 监测
海洋环境监测是指运用特定的技术手段获取关于海洋学过程和海洋环境状况的相关资料，包括物理、化学、生物及其他海洋科学的特征要素。
1.监测类型
海洋环境监测涵盖面很广，根据监测过程中涉及的各种海洋学过程及相关环境要素变化的时空尺度可分为以下5种类型。
（1）稳定变化类型：这类监测对象随着时间推移变化极为缓慢，如各种岸线、海底地形和底质分布，它们在几年或十几年的时间里通常不发生显著的变化。
（2）缓慢变化类型：这类监测对象一般对应海洋中的大尺度过程，它们在空间上可以跨越几千千米，在时间上可以有季节性的变化，典型的有湾流和黑潮。
（3）显著变化类型：这类监测对象对应海洋中的中尺度过程，它们在空间上的跨度可以达几百千米，周期约几个月，典型的如大洋的中尺度涡、近海的区域性水团等。
（4）迅速变化类型：这类监测对象对应海洋中的小尺度过程，它们的空间尺度在十几千米到几十千米范围，而周期则在几天到十几天之间，典型的如海洋中的羽状扩散现象。
（5）瞬间变化类型：这类监测对象对应海洋中的微细过程，它们的空间尺度在米的量级以下，时间尺度则在几天到小时甚至分、秒的范围内，典型的如海洋中水团的湍流运动和对流过程等。
2.监测方式
针对上述不同时空尺度的海洋环境，应采取不同的方式进行监测，如定点监测、大面监测、断面观测、连续监测和立体监测等，根据所使用的平台和传感器类型，又可以分为站点观测、浮标观测、船舶观测、遥感观测等，如图1.1所示。站点观测、浮标观测和船舶观测是常规观测方式。站点观测和浮标观测是通过固定站点、漂流或锚系浮标上搭载各种传感器来实现点观测；船舶观测则是通过穿航线、取样等来完成的线观测。海洋辽阔无垠，受人力、物力和自然条件的限制，常规观测无论规模、范围、频率都是有限的。相比而言，遥感探测具有空间覆盖范围广、时效性强、信息量大等特点，已逐渐成为区域和全球海洋环境监测的重要手段。
图1.1 不同时空尺度的海洋环境观测方式
（1）站点观测。海洋观测站一般设在距离海岸线500m以内，根据海洋环境监测、海洋科学研究、海洋资源开发等需求建设的岸基台站，可对站点海洋环境进行长期、连续的定点收集、处理与接收存储。
（2）浮标观测。海洋浮标包括锚系浮标、潜标、坐底式浮标和漂流浮标等。锚系浮标是将观测仪器安置在一个浮标体中，锚泊在指定位置；潜标是一种用于收集多层次深海数据的观测设备；坐底式浮标是放置在海底的观测系统，主要探测海底附近的海洋参数，还可以采用声学仪器测量海洋的剖面参数；漂流浮标则是随着全球定位和卫星通信技术的发展而发展起来的一种十分有效的大尺度海洋环境监测手段。
（3）船舶观测。按其调查任务可以分为综合调查船、专业调查船和特种海洋调查船。观测方式包括站点采样测量和走航自动测量获知航路上或航线的海洋环境信息。
（4）遥感观测。遥感观测是以平台搭载传感器进行非接触式的一种观测方式。按平台距离地面的高度分为地面遥感、航空遥感和航天（卫星）遥感。随着人们对海洋观测的需求增多，海洋遥感探测的物理量越来越广泛。
1.2 海洋卫星遥感
1.2.1 海洋卫星遥感技术概述
海洋卫星遥感技术的发展经历了多个阶段，从*早的单一传感器到多传感器综合观测，从低分辨率到高分辨率，从被动遥感到主动遥感，不断提升对海洋环境的观测能力和数据质量。海洋卫星遥感技术的发展概括如下。
（1）传感器技术改进。随着卫星遥感技术的发展，传感器的性能不断提升。传感器的分辨率得到提高，跨越千米级到亚米级，可以获取更高精度的海洋遥感数据。同时，传感器的光谱范围也得到扩展，可以获取更多的光学信息，如可见光、红外线和微波等波段的数据，从而提供更全面的海洋环境信息。
（2）数据处理和分析技术。随着计算机和数据处理技术的发展，基于机器学习、人工智能和大数据分析等方法，可以对海洋遥感数据进行更高效、准确的处理和解释。通过开发新的算法和模型，可以从遥感数据中提取更多的海洋环境信息，包括水质参数、气候变化指标、海洋生态系统状态等。同时，数据融合和多源数据集成的技术也得到广泛应用，提高了数据的综合利用效果。
（3）多平台协同观测。除了多星组网，还有其他平台和设备参与海洋遥感观测。例如，飞机、无人机、浮标、船舶等也可以搭载传感器进行海洋环境观测。通过多平台协同观测，可以获取更高时空分辨率的数据，增强对海洋环境的监测能力。
（4）实时观测和监测。随着遥感技术的进步，卫星遥感逐渐具备了实时观测和监测的能力。通过快速数据获取、实时数据传输和高效的数据处理技术，可以实现对海洋环境的实时监测，及时掌握海洋的变化情况。
（5）雷达遥感技术。雷达遥感技术包括合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）技术和激光雷达（light detection and ranging，LiDAR）技术。SAR是一种主动雷达遥感技术，适用于不受天气和光照条件限制的海洋环境监测。SAR能够获取海面风场、海浪、油污等参数，对海洋动力环境和海洋灾害监测具有重要作用。海洋激光雷达利用激光技术进行海洋环境监测。它通过发射激光束并接收反射回来的光信号，测量和分析海面特征（如海浪高度、波长、方向和周期等）、海底地形和海水的廓线特征和参数（如水体的吸收、散射和海洋生物等）。
（6）数据共享和开放。随着信息技术的发展和全球合作的推动，海洋遥感数据的共享和开放逐渐成为趋势。国际组织和机构建立了海洋遥感数据共享平台，促进了数据的交流和合作，推动了海洋遥感技术的进一步发展。
上述这些技术的不断进步和应用推动了海洋遥感技术在海洋环境监测、资源管理、灾害预警、气候变化研究等方面的广泛应用。海洋卫星遥感技术的发展为深入了解海洋环境、保护海洋资源和维护海洋生态系统提供了重要的手段和支持。
1.2.2 海洋卫星分类
海洋卫星按用途大
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