海洋卫星遥感
南安普顿大学海洋学系 (SUDO) 的遥感小组致力于地球观测的许多不同方面，用于气候监测、污染控制和一般海洋学等应用。Linux 于 1994 年首次出现在海洋学系，并稳步成为主力操作系统。
地球观测现在几乎是每个人都熟悉的话题。我们许多人都习惯每天在新闻、电视纪录片或只是国家天气预报中看到地球的卫星图像。越来越多的地球观测卫星一直在发射。在 SUDO，我们主要处理世界海洋的观测，并且我们使用多种类型的卫星数据来研究各种地表特征。卫星产生大量数据，因此大型卫星图像可能非常难以使用。低功率 PC 可以处理卫星数据集的日子早已一去不复返了。今天，随着硬件速度的加快，我们需要处理越来越多的图像。
我们使用 IDL（交互式数据语言）来处理我们所有的卫星和气象数据。这个软件包非常好，因为它允许我们轻松地读取、扭曲和操作图像，并为我们的数据详细分析提供了许多有用的内置数学函数。IDL (http://www.rsinc.com/) 现在已经发布到第五版，并被全球卫星社区广泛使用。IDL 对系统提出了很多要求，因此在任何低于最快 486 的系统上，IDL 都会非常慢。如今，IDL 几乎适用于每种类型的平台。
迟早，当一台机器被推到极限来完成其工作时，您可能不得不担心您正在使用的操作系统 (OS)。当您运行需要数小时甚至数天才能完成的作业时，您最不需要的就是系统崩溃或挂起。同样，当您的系统未满载时，您希望能够运行多个作业以更有效地利用您的资源。几年前，我们发现通过使用 Linux，我们可以完成所有这些。但像往常一样，为了在这里建立 Linux 并展示其相对于 MS Windows 等系统的优势，这种改变必须来自内部。
当我到达系里时，我逐渐意识到我需要一种可靠的方法来处理我需要处理的大量数据。我尤其对经常崩溃并给每个人带来麻烦的 Microsoft Windows 环境感到沮丧。在我们的研究中，我们不能容忍程序崩溃，尤其是在程序运行时间如此之长的情况下。在那些日子里，如果您的顶级 486 能够胜任，您也许可以在一小时内处理一张图像，因此频繁的多次崩溃很容易耗费一天的大部分时间。当然，我们的单台 SPARC 工作站从未出现过这类问题，因此同事之间为了使用它而展开了激烈的竞争。我们最初尝试使用 Vista Exceed 从我们的 PC 远程使用这台机器。起初这非常成功，但最终 SPARC 工作站变得用户过多，以至于又回到使用 Windows 会更快。
然后，我们的一位墨西哥博士生 Miguel Tenorio（现在在墨西哥恩塞纳达的 CISESE）告诉我们一个名为 Linux 的令人兴奋的操作系统，它可以将一台不起眼的 PC 变成一台强大的 Unix 工作站。当时我非常怀疑，并且拒绝相信他在他的 386 上运行的 Slackware 版本能够改善我们的工作，尤其是在他由于内存限制而无法运行 X 的情况下。然而，后来他安装了一个完整的 Slackware 版本，并在我们较好的 486 之一上安装了 X，这证明我们都错了，从那时起，我们就再也没有回头。现在我们的小组拥有一套运行 Caldera Linux 和 Slackware Linux 的高端 486 和奔腾机器，并利用了 IDL 强大的处理和数据分析能力。IDL 是我们数据处理中使用最多的软件，尽管偶尔我们不得不编写一些 C 程序或 Unix 脚本。IDL 早已在 Unix 和 Windows 上出现，最近完全移植到 Linux，这让我们如释重负。
全球变暖是一种很可能在未来某一天影响我们所有人的现象。通过使用来自太空红外辐射计的数据，我们可以看到平均海面温度 (SST) 如何随时间变化，因此我们可以从卫星图像档案中判断我们是否看到了地球气候的变化。由于海洋具有如此巨大的热容量，即使平均海面温度的微小变化（例如，0.1 摄氏度）也可能意味着地球热量预算的巨大变化。不幸的是，从卫星测量的海面温度只是海洋最表层毫米温度的量度，并且由于风和蒸发的冷却效应，并不总是反映几厘米以下的真实海面温度。有时，海洋的“表皮温度”可能比几厘米以下的体温低多达半度。因此，我们必须了解海洋表皮在不同气象条件下的行为方式，以便我们可以对卫星测量的海面温度应用校正，以解释海洋表皮层温度的变化。毕竟，表皮温度变化（高达 0.5 摄氏度）大于我们正在寻找的全球气候研究海面温度变化（0.1 摄氏度）的量级。
从太空估计海面温度的最大误差来源是大气中水蒸气造成的大气吸收。部署在 ERS-2 遥感卫星上的沿轨扫描辐射计 (ATSR) 采用了一种处理此问题的方法。该辐射计以两个不同的角度（相对于垂直方向 0 度和 55 度）观测海洋，因此每个海域都有两个图像。通过查看这两个图像之间的差异（通过两个不同厚度的大气层获取），可以计算出一个校正因子来调整图像以补偿大气吸收。
为了研究大气效应和表皮效应对从太空测量海面温度的影响，我使用海洋红外辐射计来测量海面温度，同时卫星从头顶经过，从而获得同步的海面温度测量值。我使用的船舶是一艘渡轮，MV Val de Loire（图 1），它定期在英吉利海峡上航行。图 2 显示了 1997 年 1 月英吉利海峡的热红外卫星图像，当时 MV Val de Loire 正在接近法国海岸。船舶的辐射计和气象数据目前正被用于评估在各种环境条件下凉爽的海洋表皮对遥感海面温度的影响。
图 1. MV Val de Loire 渡轮 欧洲航天局
通过在 Linux 下使用 IDL，我发现我可以同时处理所有数据，而不是运行占用整个 DOS 机器的批处理作业。该项目未来的想法之一是将船舶数据遥测回南安普顿的基地，以便可以实时处理和存档，而不是手动收集。但是，我们必须等待进一步的资金才能实现这一目标。
地球合成孔径雷达 (SAR) 成像正变得越来越流行，因为无论大气条件如何，都可以使用这些雷达——它们很容易穿透云层，而云层几乎吸收了红外成像仪的所有海面红外信号。SAR 通过向世界海洋的海面发射微波辐射束来收集全球信息。
如果海面光滑，即平静的条件，则海面就像一面镜子，将入射光束反射到远离卫星的方向。如果海面因风或洋流而变得粗糙，则一部分入射光束会反射回卫星并被 SAR 接收。因此，后向散射信号越强，海面越粗糙。
海洋表面污染是我们经常在电视和新闻中看到的东西。受难的海鸟和幼海豹被石油浸泡在海滩上的持久图像给环保机构带来了很大的公众压力，要求他们监测海洋污染并抓住可能非法倾倒石油/废物的罪犯。我们小组正在进行与观测海面油膜（人为的和自然的）相关的工作。这种类型的工作适用于“SAR”研究。
ERS-2 卫星上的 SAR 定期将海洋表面图像发送回地球接收站。SAR 图像揭示了海面上惊人的结构，反映了图像采集时海面实际有多么粗糙。在海面粗糙的地方，雷达波束强烈地散射回卫星天线；在海面光滑的地方，波束强烈地从海面反射开，远离天线。
油膜具有平息海面和抑制波浪运动的作用，从而导致大部分雷达波束被反射开，远离天线。在 SAR 图像上，油膜通常表现为海面上的黑色斑块，对应于平静的条件。通过在 Linux 下使用 IDL，已经开发出复杂的处理程序，可以揭示海面上的油膜状特征，并提供有关其位置的信息。风速也可以从雷达后向散射中确定，这有助于预测地表风驱动的洋流可能将油膜移动到哪里。处理此数据的主要问题是图像尺寸。原始 SAR 图像大小为 130MB，需要很长时间才能处理，然后才能在屏幕上显示。事实证明，Linux 在处理 SAR 数据方面比 MS Windows 更可靠，而且速度也更快。
图 4. ERS SAR 希腊海岸，1996 年 欧洲航天局
图 4 中的场景是 1996 年 5 月 25 日 20:43 GMT 由 ERS-2 SAR 拍摄的希腊海岸附近爱琴海塞萨洛尼基湾的良好 SAR 图像。此图像中显而易见的许多海洋学特征具有普遍意义。水面上无数的黑色漩涡和条带对应于海面油膜。大部分油膜物质来自图像左上方看到的塞萨洛尼基市边缘的河流流出。这种河流物质集中在海湾顶部周围，然后通过涡流、潮汐和风驱动的洋流分布在整个海湾中。顺便说一句，城镇周围的黑色方形斑块可能是稻田，它们产生的雷达回波信号非常少。图像右下角是奥林匹斯山的边缘，神话中希腊诸神的家园。
图 5. ERS SAR 希腊海岸，1995 年 欧洲航天局
图 5 显示了同一区域一年前的情况，但这次图像中几乎没有海洋学意义。海面看起来很明亮，这意味着大部分雷达信号都后向散射回 SAR。这表明海面非常粗糙（风速大于每秒 10 米），足以破坏任何油膜物质并破坏涡流和弱洋流的表面特征。在一些东部海岸线周围有黑色斑块，这些斑块对应于受山脉遮蔽免受风影响的水域，因此平静，将很少的雷达波束后向散射回 SAR。
SAR 的全部潜力尚未实现，欧洲航天局渴望看到其产生的 SAR 数据得到充分利用。军事应用包括寻找水面舰艇和潜艇的水面特征，尽管在 SUDO，我们严格处理海洋科学。
浮游植物繁殖的建模以及随后的叶绿素浓度也在大学与卫星海洋颜色数据结合进行。该数据揭示了有关色素浓度的信息，该信息是衡量水中生物活性的指标。色素是浮游植物从阳光中获取能量（光合作用）以生存的生物策略的一部分。浮游植物繁殖的研究对于碳循环及其全球变暖影响的研究非常重要。
图 6 显示了来自海岸带颜色扫描仪 (CZCS) 的有趣图像，该仪器是在 Nimbus 7 卫星上飞行的仪器。该仪器已不再工作，但在 1978 年至 1985 年间运行良好。图像数据于 80 年 9 月 14 日获取，显示了伊比利亚半岛西海岸。该图像显示了强烈上升流事件期间的色素浓度。（向赤道的风将水从海岸推开，来自地表下的冷水在海岸附近向上涌出。）色素由浮游植物产生。
次表面水域通常比海岸附近的表面水域更冷，图 7 中来自 AVHRR 卫星的同步热图像显示了蓝色、凉爽的区域。因此，CZCS 图像中的高色素浓度可以用热图像中观察到的上升流事件来解释，该事件导致色素被带到更靠近地表的地方，在那里它们对 CZCS 卫星仪器更可见。此外，营养物质与浮游植物一起上升，并且由于它们更靠近地表（那里有更多的光线），它们能够更有效地进行光合作用，从而形成大量的繁殖。
目前，英特尔 P200 和 AMD K6 处理器非常流行，尽管从价格上看，P166 将以更少的钱提供相当的性能。不过，很难进行价格比较，因为在英国，电子元件通常比大多数其他国家/地区贵。英特尔 430TX 主板通常是我目前会选择的主板，USB 和 Ultra DMA 支持是标准配置。
根据您在图形处理上花费机器的时间，我建议至少使用 17 英寸的彩色显示器。我们确实有一些 Illyama 21 英寸显示器，但目前，多出的几英寸使显示器的价格翻了一番。具有大量板载 RAM 的快速显卡将使您的机器更快地更新显示，尤其是在您使用大型图像时。任何具有 2MB+ 板载内存的 S3 卡（例如，S3 trio v64+）都应该足以应对大多数需求，尽管 4MB 卡应该为处理大型显示器提供充足的空间，尤其是在以最高分辨率使用显示器时。
我们小组在网络服务器上分配了大约 10GB 的存储空间，这几乎足够了。如果您需要速度，则需要在机器本地拥有大量磁盘空间。工作站的本地硬盘很少备份，因此请注意不要过度依赖它。大约 3GB 的硬盘空间就足够了，而且现在 E-IDE 与 SCSI 一样快，而且肯定更便宜。新的 IDE 磁盘具有 Ultra DMA，允许 33MB/s 的传输速率，是旧 IDE 的两倍，尽管您至少需要 430 TX 主板才能利用此速率。
正如我所提到的，IDL 是我们处理卫星图像的首选软件包，即使有很多软件包可用。大多数软件包往往不够灵活，并且是为执行特定类型的图像分析而量身定制的。IDL 可以更便宜、更灵活地完成大多数相同的操作，同时允许您与数据交互并合并来自多个来源的数据。但是，IDL 本身就是一种编程语言，因此使用它固有一定的学习曲线。
其他系统组件的选择不如选择显卡、主板、处理器和显示器那么关键。在备份数据方面，Exabyte 驱动器非常适合我们备份任何小于 5GB 的数据。
同样，IDL 是此类工作的主要处理软件。许多用户觉得他们在 Linux 下使用 LaTeX 也很舒服，尽管这似乎是一个有争议的点。我们大多数人仍然被锁定在使用 MS Word，因为我们想要一款便宜的 Linux 字处理器，它可以与 Word 兼容，并且可以处理多种数据格式和公式。我们现在正在研究一些替代方案，例如 Applixware。
Linux 降低了海洋学系卫星遥感小组在时间和金钱方面的计算成本。它的稳定性是其将顽固的 Windows 狂热分子转变为潜在 Linux 大师的最大优势。对于我们许多人来说，Linux 使我们能够开始探索计算机世界的旅程。我们现在对我们的 PC 如何工作有了更深入的了解，因为 Linux 使我们更接近机器。我们目前正在审查该小组未来几年的硬件和软件需求。我们计划在下一个千年继续使用 Linux，并且对这个决定非常满意。
致谢
本文中的 SAR 图像免费获得自欧洲航天局。
