当今油气勘探开发已经从陆地走向海洋、从浅海走向深海，世界范围内每年都有大量的石油及其相关产品侵入海洋、陆地及地下水领域。据相关统计称，中国沿海地区平均每四天就发生一起溢油事故。利用可见光及红外等波段对海洋进行观测的光学传感器具有监测范围广、时效性强、光谱信息丰富等特点，基于此，利用光学遥感手段监测溢油受到了重视并得到了广泛的应用。通常情况下，含有太阳耀斑的光学遥感图像被认为是一种数据缺失的图像，但是太阳耀斑图像在探测海上油膜时具有重要价值。本论文以Cox-Munk太阳耀斑辐亮度理论为基础，对影响海面油膜在太阳耀斑图像中呈现不同明暗特征的环境因素进行了理论分析，以墨西哥湾溢油事件的MODIS、MERSI太阳耀斑图像对上述理论研究进行了实例分析与印证。研究结果表明，除了海洋表面粗糙度外，成像几何条件中的传感器天顶角是影响海面油膜呈现不同明暗特征的重要因素；传感器和太阳相对方位角大小的影响几乎可以忽略；海面油膜呈现明暗不同的特征时传感器天顶角存在一个“临界角”；风速及风向对于油膜在图像上呈现的明暗程度具有较大的影响。此外，本论文利用光学手段探测了2011年中国渤海油田溢油事故发生后溢油源附近海域的油污，总结了关于油膜厚度及溢油量估算的新“波恩协议”的有关准则，并应用HJ-1A/B星获取的CCD图像对渤海溢油的分布进行了分析。这些结果及研究方法对于理解光学图像上其他海洋现象如内波、环流、涡漩等海洋特征同样具有较高的参考价值。