海洋溢油是破坏性极大的海上污染物之一,会严重危害海洋生态,造成重大经济损失。在光照、海风、海浪等作用下,海面浮油会发生一系列物理化学变化,形成水包油（OW）、油包水（WO）油乳等不同污染形态。及时准确探测、识别不同形态溢油,并根据不同溢油种类做出相应处理措施,才可最大程度的降低溢油污染危害。遥感是检测、鉴别海面溢油的重要方式之一,而光学常数及辐射特性是进行遥感探测及识别的基础。开展溢油光谱、方向反射特性研究,探究适用于溢油探测的最佳波段、角度,对提高不同溢油类型探测识别准确度、促进溢油定量识别分析具有重要意义。因此,本文首先采用实验方法研究了原油光学常数光谱分布特性以及油膜和OW油乳反射波段、方向分布规律。其次,使用真实溢油事件遥感图像,探究了基于反射率分布差异鉴别、区分油膜和OW油乳的可行性。最后,发展了一个大气-海洋系统内辐射传输模型,采用仿真方法对真实环境下OW油乳辐射特性进行了研究,分析了油浓度、油乳层厚度以及大气辐射传输过程对其光谱反射特性的影响,为溢油遥感方法优化及其定量识别奠定基础。本文主要工作包括:为满足本文液体、偏振辐射特性测量需求,首先对自搭建的卧式双向反射分布函数（BRDF）实验台进行了改进。之后,采用该设备,根据不同原油吸收强弱特性,分别设计实验方案测量了其复折射率。对于吸收相对较弱的轻质原油,采用透射测量与K-K关系结合法;而对于吸收较强的重质原油,本文提出了一种新的测量方法:布儒斯特-透射结合法。该方法具有较高测量精度,可广泛适用于强、弱吸收介质的复折射率测量。此外,分析了原油吸收光谱分布规律,由于原油内化合物官能团或化学键作用,其吸收光谱曲线在1210 nm、1410 nm、1720 nm、2310 nm及2350 nm等处存在吸收峰值。这些与原油组分含量相关的特有光谱特征,可以为遥感图像中识别、区分溢油信号提供依据。分别测量了大庆轻质、重质原油以及孤岛原油三种油膜BRDF及偏振BRDF特性,分析了波长、入射角、原油种类对其反射特性的影响,并基于油/水反射对比度分析获得了三种原油遥感识别的最佳波段及角度。研究表明,原油组分会对其BRDF特性产生显著影响,较高含量的沥青质会增强原油散射与衰减,从而导致孤岛原油产生轻微的漫反射特性;三种原油与水BRDF存在较大差异,实验研究范围内,在θi=15°,λ=1750 nm时三种原油的反射对比度达到最大,最适于遥感识别;在最佳探测工况下,线偏振度具有更大的反射对比度,而BRQDF则具有更高的信号强度。综合利用这些信息,将有助于提高遥感目标探测、识别的准确率。开展了OW油乳多波段BRDF特性测量,基于油/水对比度分析获得了OW油乳最佳探测工况（θi=15°,λ=1063.4 nm）。根据油乳与油膜反射特性差异,采用溢油多/高光谱遥感图像,开展了油膜及OW油乳的鉴别与区分研究。结果表明,基于反射差异,采用多/高光谱遥感图像可以实现不同溢油类型的识别与区分。OW油乳及油膜探测识别是相辅相成的,对于大型溢油事件,遥感探测时可以首先确定信号相对较强的油膜区域,之后再根据两者反射差异进一步区分油膜及OW油乳。而对于小型移动溢油事故,海面一般没有大面积的油膜区域。此时,可以首先确定分布面积相对较大的OW油乳区域,再沿溢油轨迹进一步追溯溢油源头。室内实验条件相对理想,与真实海况条件存在一定差异。本文发展了大气-海洋系统内辐射传输模型,采用仿真方法对真实环境下OW油乳光谱辐射特性进行了研究。结果表明,虽然相较于真实环境,室内配置的OW油乳粒径更小,散射及反射更强,但是它与真实环境下油乳反射具有完全一致的光谱响应规律,因而,根据室内实验结果开展的溢油类型识别的定性分析结果依然是可靠的。受原油吸收光谱影响,OW油乳反射光谱存在多个峰/谷值。随着原油体积分数增大,反射率逐渐增大,反射主峰值逐渐红移。体积分数较小时,在830 nm波段最佳,而随着油浓度增大,最佳波段逐渐移至1060 nm及1260 nm波段。油乳层厚度变化不会引起反射主峰值红移。通过拟合获得了OW油乳反射率与原油体积分数及深度的相关关系式,为后续根据遥感反射特性预测OW油乳浓度及厚度研究奠定基础。开展了大气辐射传输对OW油乳辐射特性影响的研究,并进行了遥感数据大气校正分析。在大气气体吸收谱带区域,油乳反射率曲线出现不连续,但气体的强吸收谱带完美避开了OW油乳反射峰值区域,因而不会对OW油乳遥感识别产生显著影响。气溶胶及云层内颗粒散射及其与海面的相互作用会增强OW油乳地表反射率,但不会改变反射率光谱响应特性。在相同反射对比度条件下,越靠近500nm波段,OW油乳反射的辐射能量越强,越有利于探测识别。大气校正反射率与OW油乳的真实反射率能够很好地吻合,本文发展的大气-海洋系统内辐射传输模型在探究大气辐射传输影响机理、提高卫星遥感数据大气校正精度、促进溢油定性及定量识别分析方面将发挥重要的作用。