海洋雷达遥感方法与应用

第1章 绪论
　　雷达作为一种主动式微波成像传感器，能够不受天气、气候以及光线的影响，可以全天时、全天候地成像，是一种不可或缺的对地观测工具。
　　随着我国雷达遥感事业的发展，2012年11月19日，我国发射了第一颗民用S波段合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)卫星——环境与灾害监测小卫星星座的环境一号C(HJ-1C)卫星。2016年8月10日，我国首颗空间分辨率高达1m的C频段多极化合成孔径雷达成像卫星高分三号(GF-3)成功发射，并于2017年1月23日交付使用。此外，《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015—2025年)》预计发射若干颗高分辨率SAR卫星，形成多波段、全极化、高分辨率SAR卫星的组网运行，实现高重访频率的卫星遥感对地观测能力。如何发挥国产SAR遥感卫星的应用潜力，提高国产SAR遥感卫星数据的应用效能，是我国卫星遥感应用领域从业人员面对的重要挑战之一。
　　我国是世界上海岸线*长的国家之一，拥有丰富的海洋资源。为实现中华民族的伟大复兴，保障我国国民经济的可持续发展，亟须全面开展高时效、大范围、高精度、系统性的海洋资源与环境遥感监测。本章主要从海洋溢油污染物雷达遥感探测、海洋绿潮雷达遥感探测、海底烃渗漏雷达遥感探测和浅海水下地形雷达遥感探测等几个方面分析海洋资源与环境的雷达卫星遥感监测需求。
　　1.1 海洋资源与环境的雷达卫星遥感监测需求
　　1.1.1 海洋溢油污染物雷达遥感探测需求
　　海面溢油是常见的海洋污染之一，是破坏海洋环境和海洋生态平衡的主要污染源，严重制约了我国海洋生态环境的可持续发展。随着海洋石油开采业和海洋运输业的迅猛发展，溢油事故屡见不鲜，导致海洋环境严重污染，以及海洋鱼类、鸟类、海藻和海洋哺乳动物的大量死亡。海上石油开采活动中操作不当、海底输油管道老化破裂、石油开采设施遭人为损坏等时常导致海上溢油事故的发生，尤其是海洋石油资源储量丰富的渤海油气开发区，已成为海洋石油开发主产区和溢油事故高发区。据统计，全世界每年泄漏入海的石油及石油产品超过600×104t，其中油船溢油超过200×104t，这些大吨位油船泄漏海难或石油平台溢油事故往往造成大面积海洋污染。如1996年“胜海8井”溢油事故；1998年CB6A井架倒伏溢油事故；2006年3月，中国渤海湾滦河河口以南，曹妃甸附近某海底输油管道破裂造成了严重的海面溢油事故；2007年12月7日，一艘韩国浮吊船在韩国西部海域与一艘中国香港籍油轮“HEBEI SPIRIT”擦碰，导致万余吨原油泄漏，造成大面积海域污染事故；2008年8月中下旬，涠洲岛附近海域海底输油管道发生原油泄漏，造成广西壮族自治区北部湾海域大面积溢油污染事故；2011年6月，渤海“蓬莱19-3”石油钻井平台大规模海洋溢油污染泄漏事故等。海洋溢油事故给海洋环境带来了巨大的生态灾难，也给石油生产企业带来了巨大的经济损失。
　　因此，研究海洋溢油污染物雷达遥感识别与检测方法，对于及时、准确地发现海洋溢油现象以及溢油事故发生后的应急处理和溢油污染灾后评估和问责，有着非常重要的科学意义、社会效益和经济效益。
　　1.1.2 海洋绿潮污染物雷达遥感探测需求
　　近年来，我国黄海海域每年4～6月频繁发生大规模漂浮浒苔聚集的污染事件。尤其是2008年6月中下旬，青岛及周边海域暴发大面积浒苔灾害，严重影响了奥运会帆船比赛区的训练和青岛市作为奥运会帆船比赛举办城市的国际形象。2021年7月，青岛海域出现史上*大规模的浒苔暴发，这也是自2007年以来，青岛海域连续第15年遭受绿潮灾害。
　　浒苔是绿藻门石莼科的一属，由多细胞构成，其植物体非常纤细，呈绿色细丝状。浒苔虽然无毒，但是大规模暴发也会遮蔽阳光，影响海底藻类的生长；死亡的浒苔也会消耗海水中的氧气；有研究表明，浒苔分泌的化学物质很可能还会对其他海洋生物造成不利影响。国际上，将浒苔等大型绿藻暴发称为“绿潮”，视作和赤潮一样的海洋灾害。
　　海面上漂浮的浒苔改变了海面粗糙度，通常会导致海面雷达后向散射回波信号改变。基于上述原理，合成孔径雷达可以应用于大面积浒苔识别、漂移扩散监测等业务化工作，是重要的海洋污染物卫星遥感监测手段之一。
　　1.1.3 海底烃渗漏雷达遥感探测需求
　　石油天然气是关系到我国经济发展、社会稳定、国家安全和全面建成小康社会的重要战略性资源。据统计，占地球表面2/3的海洋蕴藏着全球石油资源总量的1/3。常规的地震剖面探测技术应用于大范围的海洋油气资源勘探，难度大、效率低。通过对地下渗漏到地表的烃类物质的探测进行油气勘探的方法由来已久。现普遍为大多数学者所接受的油气藏烃类渗漏机制指出：“埋藏于地下深部，处于动态平衡状态下的油气藏，其内部具有很大压力，与地表间存在着巨大的压力差，油气藏中的烃类物质及其伴生化合物势必沿着压力梯度的方向垂直向地表运移，从而产生微渗漏。”相应地，海面油膜的形态特征可大致分为以下两类：①对于存在众多微小裂缝的海底石油盖层结构，较为轻质的烃类沿着这些裂缝渗漏出来，在海面扩散后形成近圆形、面状的海面油膜；②对于存在地质断裂的海底石油盖层结构，海底石油沿着裂缝漂移到海面，经海面风场和海流等作用形成细线状油膜。对海面烃渗漏油膜遥感图像做多时相序列解译分析，有助于海洋石油勘探初期对目标区域的筛选，亦有助于与航磁、地震等物探结果做对比分析，可提高海底石油勘探、开发效率，节约开采成本。
　　传统烃渗漏检测方法，如地震、声呐、地球化学采样等方法在实际勘探过程中具有重要作用，但在海洋油气勘探中，受到可进入区域及操作困难限制。卫星遥感技术为海洋表面油膜的区域性检测，提供了有效的无接触远距离观测平台。因此，开展海底烃渗漏雷达遥感探测，有助于海洋油气勘探前期有利区带的分析与评价。
　　1.1.4 浅海水下地形雷达遥感探测需求
　　海洋环境资料对海洋资源的开发、海上工程设计和海上现场作业有着十分重要的意义。浅海油气勘探与开采、海底油气管道与通信电缆的埋设、海上交通运输与海洋捕养业等都离不开水深和水下地形资料。进入20世纪七八十年代，特别是联合国第三次海洋法会议通过《联合国海洋法公约》以来，国际上关于海洋划界、海洋权益的问题日趋尖锐和复杂。在这一背景下，我国海洋权益也面临着越来越严峻的挑战。为了充分发挥海军在保卫领土主权和海洋权益中的力量，更要求对浅海海域充分了解。
　　浅海地形和水深是海洋环境的重要因素。传统的水深测量采用声呐技术，测量精度高，但是现场测量周期长，范围小，而且对船只无法到达或有争议的海域则无法进行测量，这些不足大大制约了广大浅海海域的水下地形测量。为了弥补现场测量的不足，提出了采用遥感手段进行浅海水下地形测量的方法，包括星载多光谱技术和SAR技术。这些技术具有覆盖区域大、费用少、周期短、便于进行动态监测等优势。采用星载多光谱技术也存在不足之处，如可见光无法穿透云层，仅能在白天进行，而且只能用于水色清澈的区域。
　　星载SAR获取的浅海水深、水下地形、海浪等资料，尤其是那些调查船及飞机难以进入的海域，以及可见光和红外遥感器因受天气影响无法获得的资料，可直接用于我国海洋资源的开发、海上工程的设计和海上现场作业，支持国家和地方政府部门进行管理、检测和保护广大沿岸浅海区域；亦可以用于我国与周边国家谈判解决领土争端，保卫领土主权和海洋权益，在经济上、军事上、战略上都具有十分重要的意义。
　　1.2 星载SAR卫星概况
　　随着世界各国对多元空间信息的日益重视，星载SAR越来越成为对地观测领域的研究热点。近年来，SAR卫星正向多波段、多极化、多模式、高空间分辨率和短重返周期方向快速发展。本章将主要介绍国内外已经发射的主要民用星载SAR卫星。
　　1.2.1 国外SAR卫星简介
　　1.2.1.1 RADARSAT-1/2卫星
　　RADARSAT-1卫星是加拿大发射的第一颗商业运作模式雷达观测卫星，由加拿大航天局于1989年开始研制。该卫星有一个兼顾商用和科学研究用途的雷达系统，主要目的是监测地球环境和自然资源变化。与其他SAR卫星不同，RADARSAT-1卫星首次采用了可变视角的扫描成像（ScanSAR）模式，以500km的幅宽每天可以覆盖北极区一次，几乎覆盖整个加拿大，每隔三天覆盖一次美国和其他北纬地区，全球覆盖只需5天。
　　RADARSAT-1卫星于1995年11月发射成功，于1996年4月正式工作。RADARSAT-1卫星采用C波段，HH极化模式，空间分辨率和入射角因不同成像模式为10～100m不等。RADARSAT-1卫星可用于海冰监测、地质地形、农业、水文、林业、海岸测图等领域，该卫星基本参数如表1-1所示，雷达成像模式如表1-2所示。
　　表1-1 RADARSAT-1卫星基本参数
　　表1-2 RADARSAT-1卫星雷达成像模式
　　RADARSAT-2卫星于2007年12月14日在哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射基地成功发射，是目前世界上*先进的商业卫星之一。作为RADARSAT-1卫星的后续星，RADARSAT-2卫星除延续了RADARSAT-1卫星的拍摄能力和成像模式外，还增加了3m分辨率超精细模式和8m全极化模式，并且可以根据指令在左视和右视之间切换，由此不仅缩短了重访周期，还增加了立体成像的能力。此外，RADARSAT-2卫星可以提供11种波束模式及大容量的固态记录仪等，并将用户提交编程的时限缩短到4～12h，这些都使RADARSAT-2卫星的运行更加灵活和便捷。RADARSAT-1号和RADARSAT-2号双星互补，加上雷达全天候、全天时的主动成像特点，可以在一定程度上缓解卫星数据源不足的问题，并推动雷达数据在各个领域的广泛应用和发展。RADARSAT-2卫星基本参数如表1-3所示，雷达成像模式如表1-4所示。
　　表1-3 RADARSAT-2卫星基本参数
　　表1-4 RADARSAT-2卫星雷达成像模式
　　1.2.1.2 ALOS-1/2卫星
　　先进陆地观测卫星(advanced land observing satellite，ALOS)是由日本宇宙开发事业集团机构研发的，于2006年1月发射成功。ALOS-1卫星采用了先进的陆地观测技术，能够获取全球高分辨率陆地观测数据，可应用于测绘、区域环境遥感、灾害监测、资源调查等领域。平台搭载了三个传感器：全色遥感立体测绘仪传感器、先进可见光与近红外传感器和相控阵L波段合成孔径雷达(PALSAR)传感器。PALSAR可实现全天候观测，对应卫星基本参数如表1-5所示，雷达成像模式如表1-6所示。2011年4月22日该卫星由于供电问题，停止运行。
　　表1-5 ALOS-1卫星基本参数

《海洋雷达遥感方法与应用》总结了作者近年来应用雷达遥感技术在海洋环境保护监测、海洋油气资源前期勘测、近海水下地形反演等应用领域取得的研究成果。通过机理研究、技术开发与应用案例分析的方式，展示了合成孔径雷达遥感技术在海洋环境保护、海洋资源勘探以及海事安全等领域的应用能力。

目录
丛书序
前言
第1章绪论1
1.1海洋资源与环境的雷达卫星遥感监测需求1
1.2星载SAR卫星概况3
第2章雷达海洋遥感机理15
2.1概述15
2.2海面大尺度波浪的谱描述16
2.3海面小尺度波浪的谱描述20
2.4海面斜率的概率分布模型25
2.5海面微波散射模型28
2.6合成孔径雷达海面成像机理33
参考文献40
第3章海洋溢油污染物雷达遥感探测43
3.1概述43
3.2海洋溢油污染物雷达遥感探测机理46
3.3海面油膜雷达后向散射特征仿真与验证58
3.4海洋溢油污染物极化SAR图像特征分析67
3.5海洋溢油污染物SAR遥感监测案例76
参考文献92
第4章海洋绿潮雷达遥感探测95
4.1概述95
4.2海洋绿潮雷达遥感探测机理95
4.3基于极化SAR图像的复杂海面污染物分类100
4.4海洋绿潮雷达遥感监测案例110
参考文献117
第5章海洋自然烃渗漏雷达遥感探测119
5.1海洋自然烃渗漏雷达遥感探测机理119
5.2海洋自然烃渗漏油膜SAR探测124
5.3基于SAR的海面油膜扩散规律分析144
参考文献165
第6章浅海水下地形雷达遥感探测170
6.1SAR浅海水下地形探测概述170
6.2SAR浅海水下地形探测机理170
6.3多时相SAR浅海水下地形探测176
6.4极化SAR浅海水下地形探测187
参考文献203