溢油污染会给海洋生态环境和人类社会经济发展造成巨大危害。基于海面溢油污染的风化迁移过程,结合目视特征和光学作用过程,溢油污染的光学遥感监测目标主要为:黑色浮油、不同厚度的油膜和溢油乳化物。微波雷达遥感、光学遥感、热红外遥感、紫外遥感和激光诱导荧光等技术可应用于海面溢油监测,具有各自不同的特点。光学偏振遥感作为一种新型遥感技术,被用于气溶胶、云、水体等目标的探测、识别与定量反演,也能为海面溢油污染监测提供新的思路和解决方案。偏振能增强海面溢油与背景海水的反射差异,但在溢油光学偏振探测机理、模型构建、卫星偏振遥感探测应用与分析等方面尚缺乏系统性研究。耀光是海面对直射太阳光的镜面反射,溢油表面和海面会产生显著的反射耀光偏振差异,这种较强的反射偏振信号也蕴含了溢油和海水的物理属性差异。本文基于海洋溢油光学偏振遥感探测机理,构建海面溢油耀光偏振模型,设计开展室内模拟实验进行验证;进一步选取典型溢油事故的多角度光学偏振遥感影像,开展海面溢油多角度反射耀光的偏振遥感探测应用与分析。主要研究内容包括:(1)基于偏振光学理论、Cox-Munk模型和菲涅尔反射理论等构建海面溢油耀光偏振模型。模拟不同观测几何(太阳天顶角、探测器天顶角和相对方位角)、不同折射率溢油与海水表面耀光的偏振度差异,分析溢油光学偏振探测最优角度。针对光学遥感中的“临界角”,模拟对应观测几何下溢油与海水表面耀光偏振特性差异,评估偏振遥感在临界角区域内溢油探测效能。(2)针对模型推导结论,设计开展室内多角度CCD偏振成像模拟实验,以全波段钨灯加窄带滤光片模拟准单色平行非偏入射光(635nm),以面阵CCD为探测设备,获取多观测角度(传感器天顶角等于光源天顶角,二者变化范围是15～55°,角度变化间隔5°)、镜面反射方向上水面与油膜表面不同偏振方向上辐亮度信号,计算斯托克斯矢量(I、Q、U分量)及偏振度。分析水体和油膜表面反射光偏振度随角度变化规律,讨论偏振度差异对观测角度的敏感性,验证理论分析结果。(3)基于典型海上溢油事故,选取法国PARASOL多角度卫星光学偏振遥感影像,开展海面溢油的多角度光学偏振遥感分析。验证耀光条件和非耀光条件下,模型模拟值与卫星观测值的变化趋势,评估海面耀光偏振模型模拟精度。分析海洋溢油与背景海水多角度下偏振特性差异,阐明耀光条件下偏振遥感对海上溢油的探测效能,评估大气散射对溢油多角度光学偏振遥感探测的影响。基于上述研究内容,得出主要结论如下:(1)基于偏振光学基本原理、Cox-Munk模型和菲涅尔反射理论等构建的海面溢油耀光偏振模型,适用于海面存在耀光条件下的溢油探测;在非耀光条件下,本研究所构建模型尚需进一步改进。(2)溢油耀光偏振度低于背景海水耀光偏振度,且溢油、海水表面耀光偏振度及二者偏振度差异对几何角度变化敏感,当相对方位角为180°,太阳天顶角与传感器天顶角之和为82.6°时,溢油与背景海水偏振度差异最明显,为溢油耀光偏振探测最优角度。(3)PARASOL多角度、多光谱偏振遥感数据分析表明光学偏振遥感在太阳耀光条件下具备海上溢油探测能力,且耀光越强,探测能力越强。(4)海面溢油耀光偏振模型模拟结果表明,对光学遥感影像中的潜在临界角区域,光学偏振遥感具备探测此处海面溢油的潜力。