太陽輻射在透射入水體後，部分能量被水體中的懸浮物質、葉綠素和黃色物質等光學成分吸收並轉化為熱能而滯留在水體中，而另一部分則由水體光學成分散射而逃逸出水面，即離水反射率信號。海洋水色遙感主要利用星載或機載感測器接收到的離水反射率信號，藉助水體生物一光學模型，反演獲得影響離水反射率的水體光學成分的濃度。水色遙感的基本機理可以簡述如下：水體中的各個重要光學成分濃度發生變化時，必將引起水體光學性質的變化，主要表現為水體的吸收和散射特性的變化，進而導致水體離水反射率的變化。通過衛星感測器接收信號的變化，針對一種或多種光學成分，從中剝離出反應水體光學成分含量的有用信息，利用生物一光學模型，可以反演獲得水體中的一種或者多種重要光學成分含量，即水體中的懸浮物、葉綠素和黃色物質含量。
基本介紹
- 中文名：水色遙感
- 外文名：ocean color remote sensing
- 利用：感測器
- 意義：對海洋的初級生產力預測有作用
- 通過：水色衛星進行
必要性,技術原理,遙感器特徵,衛星發展,算法,套用,
必要性
地球表面有71%的區域被海洋和其他水體所覆蓋。在一定程度上，海洋限制了人類的活動，但是同時，海洋也為我們提供了嶄新的機遇。浩瀚的海洋中蘊含著包括礦產資源和生物資源在內的數目龐大的資源儲備，進軍海洋是時代的必然腳步。水色遙感可以通過衛星監測提供海面附近的生物分布情況、溫度狀況及其他一些基本信息，對於我們進一步的了解海洋擁有著非常關鍵的作用。
圖 地球表面
圖 地球表面同時海洋是複雜多變的，對於海洋表面情況的研究有利於我們較為全面而快捷的對於一些突發性狀況進行觀測及反應，增加了人們應對海洋災害的應變能力。
對於海面浮游生物的研究是水色遙感技術的重要目的之一。由於海洋的浩瀚，浮游生物的總量是巨大的。研究表明，浮游生物能夠有效的吸收二氧化碳，並且轉化為有機沉澱，從而減少溫室氣體的含量，降低地球溫度，從而改善一個區域的氣候。經過研究表明，由水色遙感預測出來的海洋初級生產力和實地測量出來的海洋生產力表現出來較大的契合度，表明其結果還是比較可靠的。
技術原理
圖 Terra衛星（搭載有MODIS）根據光學性質的不同，水體可以劃分為第一類水體和第二類水體。第一類水體的光學性質主要由浮游生物及其伴生物決定，典型水體是大洋開闊水面，這類水體主要集中在深海，其典型特徵為受到岸邊環境和人類活動的影響較小，水體較穩定。第二類水體的光學性質主要由浮游生物、無機懸浮物和有機黃色物質決定，典型水體為海灣和湖泊，其典型特徵是與人類的生活密切相關，受到的人為因素影響很多。
水色遙感器接收到的光譜信號主要來自於大氣散射、海面漫反射和海面的水體輻射。對於光譜信號進行大氣修正之後就可以得到水體輻射信號，通過生物反演算法可以得到水體三要素——葉綠素，無機懸浮物和有機黃色物質的分布信息。
遙感器特徵
水色遙感器與其他氣象遙感器相比具有以下特徵：
3． 一般要求在水色衛星在中午十二點左右過境，以期得到光度最高的信號。
5． 覆蓋周期一般為1-2天。
6． 有絕對的精度指標要求。
衛星發展
1978年8月，美國國家宇航局（NASA）發射了世界上第一顆裝載有海岸帶水色掃瞄器（CZCS）的水色衛星。各個國家爭相發展海洋遙感觀測，例如1996年日本發射了搭載有海洋水色和溫度掃瞄器（OCTS）的水色衛星，1997年美國發射了搭載有“寬視場海洋觀測感測器”（SeaWiFS）的衛星，1999年和2002年陸續發射的“地球觀測系統”（AM）和“地球觀測系統PM”上搭載了36波段的中等解析度成像光譜儀（MODIS）。
MODIS相比於SeaWiFS具有更高的信噪比和更窄的波段寬度。MODIS探測器1-2通道的解析度為250m，各探測器的面元數目為40,3-7通道的解析度為500m，各通道的遙感器面元數目為20,8-36通道的解析度為1000m，各通道的探測器面元數目為10，與各個通道的空間解析度相對應，各探測器面元之間的星下點掃描線間距大致分別為250m,500m和1km。MODIS儀器在1Km通道每幀的取樣率為1500m,通道為2250m，通道數為4.1-19波段和26波段為太陽光反射波段，而且13,14波段又分別在高低兩種增益下獲取數據，即該波段只能在白天接收數據，晚上不能工作。20-25,27-36波段為熱輻射波段，在白天和晚上都可以正常的工作，各個波段的用途也大相逕庭。海洋水色遙感通道主要集中在8-16通道，觀測到的數據主要反映水體三要素（即葉綠素，無機懸浮物和有機黃色物質）的情況。
中國2002年成功發射了ROCSAT水色衛星，這顆由我國自主設計的“海洋一號A星”上搭載了10波段水色水溫掃瞄器COCTS。其有效實時監測區域為西北太平洋地區即渤海，東海，黃海和日本海等區域。其重點觀測區域在我國海岸帶和大陸架。2007年，我國又成功發射了“海洋一號B星”，是我國的海洋遙感技術向著業務化套用又邁進了嶄新的一步。
算法
大氣校正模式
遙感器接收到的信號主要來自於大氣反射、水面反射和水體輻射，其中來自於水體輻射的部分只有大約10%左右，所以必須要通過計算排除掉其他干擾因素，獲得真正水體輻射出來的強度——即海面的離水輻亮度。大氣校正的理論模型為，將感測器接收到的輻射分解為若干項之後再進行處理。
第一類水體的大氣修正方法
對於第一類水體，近紅外段的海面離水輻亮度約為0。
可以使用公式
，其中
為波長。
由公式
去掉氣溶膠散射公式如下：
第二類水體的大氣校正方法
海洋水色的生物光學算法
有了水體中成分的離水輻亮度，如果希望能夠通過光譜的分析來獲得水錶組分的濃度信息，因此需要採用生物光學算法，計算各種不同成分對於遙感反射率的影響，主要採用的算法有分析算法，半分析算法和基於藍綠比值的經驗算法等。
套用
海洋初級生產力的推算
利用水色遙感技術獲得的主要數據是關於葉綠素的數據，也就是關於浮游生物的生存。通過對於水色遙感技術的分析，可以得到葉綠素的分布情況，對於海洋初級生產力有一個大致的估算，從而能夠更加合理的開發和利用海洋資源，預測未來的氣候變化。
但是在傳統算法中，推測結果對於第一類水體基本上是適用的，而對於第二類水體，由於影響因素複雜，並且存在著浮游生物對於無機懸浮物和有機黃色物質的沉澱和分解作用，因為難以預測一個區域的未來發展，這個領域仍然需要人們去探索。
我國科學家在此領域處於世界先進水平。我國科學家已經根據實測的濃度數據，反演出了東海的初級生產力。並且，潘德爐等人利用多年對於東海、南黃海的實測海洋生產力與環境數據的分析，基於P-E（生產力與光照強度）曲線，利用葉綠素濃度、海水透明度和光合作用有效輻射率等數據，建立了適合我國海區特點的初期生產力遙感模型，與國外典型的初級生產力模型相比，這個模型更好地反映出來了我國的特殊情況，具有更好的契合度。該模型已經得到了推廣使用。
沿海懸浮泥沙的監測
懸浮泥沙的運移特徵是沿海河口形態和演變規律的核心問題。了解和掌握河口懸浮泥沙的來源，可以分析河口演變的動力特徵，這是對於我們日常生活非常重要的問題。並且通過預測泥沙的趨勢，可以避免災害，同時幫助人們更加合理的開發海洋土地資源。
赤潮的監控
赤潮的發生是由於水體的富營養化導致了浮游生物的大量的繁殖和聚集。赤潮既可能會發生在深海，也可能會發生在海口等其他一些海域，對於人類的生產和生活也有著很大的影響。對於赤潮的研究，雖然不是對於海洋資源的開發問題，但是涉及到海洋災害的預防，可以在經濟生產中幫助我們趨利避害，更好的適應海邊生活。而且大量的浮游生物的生長和腐敗會導致水體缺氧，還會改變海洋系統的生態平衡，降低海水周邊的環境質量。
而水色遙感在赤潮的預測中發揮了重要的作用。赤潮水體的反射光譜存在著兩個明顯的特徵，一是在紅光的680納米左右有明顯的反射峰，而是在3-5波段有不同於正常水體的變化率。近岸海水無論有赤潮與否，在1,2波段上是相似的，而在3-5波段上，無赤潮的海水在3-5波段上是平直的或者是向上凸的，有赤潮的海水在3-5波段上是向下凹陷的。因此可以通過水色遙感來監測赤潮的發生。
漁業發展的預測
魚群經常沿鋒面和特殊的溫度和生物量的等值線運動，所以可以通過水色遙感技術實時監測魚群的運動，並且可以對於魚情進行預測。同時漁業部門可以通過衛星提供海域的海溫與葉綠素等信息，掌握相應的漁場環境狀態，採取相對應的對策，提高人工魚場的產量。
海洋環境的監測
利用海洋水色圖像，可以直接觀測氣候及其他大尺度氣候問題對於葉綠素分布的影響，進而能夠通過葉綠素的改變來預測海洋環境的改變。並且可以進行海洋上層熱平衡計算。
