遥感数据处理应用科普系列(2)海洋遥感卫星和数据产品叶绿素a

发布日期：2018-7-27　　　　作者：南南

　　海洋占全球面积的约71%，是全球气候环境变化系统中不可分割的重要部分。海洋是全球生命支持系统的基本组成部分，海洋资源的重要性促使人们采用各种手段对其进行调查研究。
　　海洋遥感研究方面，美国JPL实验室最早于1978年发射了Seasat A卫星，之后又发射了Goddard空间飞行中心研制的TIROSN 和Nimbus7卫星,它们为海洋观测和研究提供了新的技术手段,充分展现了卫星对海洋的监测能力。目前我国也发射多颗海洋卫星：

　　海洋水色环境（海洋一号，HY-1）卫星系列用于获取我国近海和全球海洋水色水温及海岸带动态变化信息，遥感载荷为海洋水色扫描仪和海岸带成像仪。

　　海洋动力环境（海洋二号，HY-2）卫星系列用于全天时、全天候获取我国近海和全球范围的海面风场、海面高度、有效波高与海面温度等海洋动力环境信息，遥感载荷包括微波散射计、雷达高度计和微波辐射计等。
　　遥感是卫星，飞机或其他飞行器对感兴趣的物理目标进行非接触的数据测量行为。辐射剂量仪可以远程感知物体发射或反射的辐射，星载辐射剂量仪就可以感知地球表面物体发射太阳辐照来测量地球表面特性。并且遥感所测量的太阳反射辐照谱很宽，包括可见光、红外和紫外。
　　下表中列出了目前全球主要的海洋遥感卫星：

美国	TOPEX/Poseidon	海面微波亮温 海面高度观测
	DMSP	海冰和海面温度观测
	Nimbus-7	测量海洋和海岸带水色，测量叶绿素浓度、沉积物分布；海冰和海面温度观测
	NOAA-15～19	海冰和海面温度观测
	Terra	海面温度和海洋水色
	Aqua	海洋温度和海洋水色
中国	HY-1A	叶绿素浓度、海表温度、悬浮泥沙含量、海冰覆盖范围、植被指数
	HY-1B	叶绿素浓度、海表温度、悬浮泥沙含量、海冰覆盖范围、植被指数
	HY-2A	海面风场、浪高、海流、海面温度
	FY-3A～19	海面温度、海面风速以及海冰
俄罗斯	Okean-O1	海表温度、风速、海洋水色、冰覆盖
	Meteor	海面温度和冰
日本	MOS-1B	海洋洋流、海面温度、海洋水色
	GCOM	海面风速、海面温度和海冰信息
法国	Jason-2	海洋表面地形和海平面变化
欧空局	Metop	海面温度、海面风场和海冰
	GOCE	海洋重力场和海洋大地水准面
	SMOS	海洋盐度
	Cryosat-2～19	海洋冰盖厚度
印度	Oceansat	海面风场、叶绿素浓度、浮游植物以及海洋中的悬浮和沉淀物
韩国	COMS	水色
加拿大	RADARSAT	海洋溢油和海冰
德国	TerraSAR-X	海洋溢油和海冰
阿根廷	SAC	海面盐度，海面风速以及海冰

　　下表中主要列出了海洋遥感卫星不同传感器的一些应用范围：

波段	传感器	应用范围
可见光-近红外	电视摄像仪、可见光、近红外辐射计	地形、海岸线、土壤、植被、河流、水深、海冰、悬浮泥沙、海面污染、赤潮、叶绿素等
远(热)红外	远(热)红外辐射计	地表温度、海面温度、海冰、水体热污染、海面油膜等
微波	微波辐射计	海面温度、海况、海冰、雪盖、海冰盐度、海面油膜等
	微波散射计	海面风、波浪、海冰
	微波高度计	海流、海啸、潮高
	合成孔径雷达～19	海岸地形、水深、海浪、海冰、冰山、海流、海面油膜等

　　海洋遥感卫星大部分都是监测海洋水色环境，其中叶绿素也是最重要的海洋参数指标之一，本文将主要介绍海洋叶绿素的一些特性以及在遥感方面的应用。
　　在我国，很多科研院所也开始了精准农业相关方面的研究，在黑龙江农垦和新疆生产建设兵团也开始应用，但在精准农业的理论与实践研究上还处于刚刚起步阶段。

什么是海洋叶绿素a？
　　海洋叶绿素是浮游植物存量的表征。浮游植物的现存量是用来描述浮游植物利用光能进行光合作用将无机物转变为有机物时，有机物生产力的一个重要指标。基本上所有的浮游植物均含有叶绿素，因此海水的叶绿素浓度直接反映了浮游植物的数量。叶绿素可分为叶绿素a，叶绿素b，叶绿素c，叶绿素d四类。但由于所有的藻类浮游植物都基本含有叶绿素a，其他三类叶绿素进行光合作用吸收的光能，最终都要传送给叶绿素a，因此基本上用叶绿素a就可以定量的了解海洋中浮游植物的情况。

海洋叶绿素的重要意义？
　　海洋叶绿素时环境评价参数。海洋浮游植物的繁殖速度也是水体营养程度的重要指标，判断水体富营养的程度。海洋叶绿素还可以作为评价水质、营养状态、有机污染程度的重要环境参数。过高的叶绿素可能时将要发生赤潮的前兆，从而影响海洋生物的光合作用，进而影响海洋食物链的正常循环。
　　叶绿素浓度反演对海洋-大气系统中碳循环研究有重要意义，对海洋生态系统中初级生产力的研究也至关重要。海洋初级生产力是海洋生态系统的重要参量，它在一定程度上控制着海气界面二氧化碳的交换，是全球气候变化研究的重要目标。

什么是海洋初级生产力？
　　海洋初级生产力就是自养生物通过光合作用或化学合成制造有机物的速率。海洋浮游植物所进行的光合作用，约占全球绿素植物光合作用的一半。光合作用将吸收水中CO2而放出O2，因此浮游植物初级生产力在全球碳通量变化中占有重要的地位。几乎全部由单细胞浮游植物构成的海洋光合组织虽然不到全球总植被生物量的1%但却占全球总固碳量的40%。

海洋初级生产力的重要意义？
　　近年来工业快速发展，释放到大气中的二氧化碳也相应增加。利用海洋遥感技术，可以获取重点海域表面二氧化碳含量和海洋光学特性，进行全球海洋通量研究。
　　海洋浮游植物光合作用是海洋食物链的源头，研究海洋初级生产力，可以苹果海洋渔业资源发展，对资源的合理开发利用也具有重要意义。
　　总之，研究海洋初级生产力，有助于了解海区的环境质量，有助于了解海洋碳的生物地球化学循环，从而了解全球碳循环以及气候变化，对海洋生态、全球碳循环研究有重要意义。

如何通过卫星遥感叶绿素数据研究海洋？
　　卫星探测海洋初级生产力是近年来遥感应用的热门领域，海洋初级生产力不能直接从空间测量，但它可以根据叶绿素a的浓度进行计算。现在卫星海洋水色传感器已经成为测定浮游植物叶绿素a的标准工具。海洋遥感基本上都是利用海洋水色卫星数据，通过建立模型来反演各水色要素，因此海洋水色卫星的设置和探测能力对叶绿素和海洋初级生产力的估算也十分重要。

　　通过建立一套卫星接收，数据处理，信息集成、显示、分发的遥感信用系统实现对海洋环境的研究，基本构架如下图所示：

　　下图展示多种海洋遥感数据产品：

叶绿素a的分布情况

颗粒有机碳的分布情况

海洋表面温度的分布情况

　　登陆www.vispace.cn太空网可以查询更多叶绿素a相关数据和历史数据。通过研究叶绿素，颗粒有机碳分布，海洋表面温度等遥感数据，可以了解大尺度时空范围内海洋初级有机物的生产、分布和变化规律，评估海域环境的初级生产力，对评价海域尤其是与人类活动密切相关的近岸海域和岛屿周围海域的生态环境具有重要的科学意义。