HY-1A卫星在海洋遥感技术领域得到广泛应用

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HY-1A卫星在海洋遥感技术领域得到广泛应用
蒋兴伟 林明森
(国家卫星海洋应用中心,100081,北京)
摘要:
HY-1A卫星是中国第一颗自主研制的海洋监测试验型业务卫星,
卫星自发射交付用户使用后已逐步在海洋资源开发与管理,海洋环境
监测与保护,海洋灾害监测与预报,海洋科学研究,海洋领域的国际
与地区间合作,南北极科学考察等领域发挥作用.同时,在海洋遥感
科学技术发展方面得到广泛使用,促进了我国海洋遥感技术的发展与
进步.
卫星运行至今近两年来,国家卫星海洋应用中心在国家主管部门
和航天等相关部门的确大力支持下,在卫星运行管理,数据接收,处
理,定标,产品存档分发,示范应用以及国家海洋立体监测系统的建
立与完善方面作了卓有成效的确工作,并取得了一系列成果.研 制开
发了叶绿素,悬浮泥沙,海面温度,植被指数等40多中卫星遥感定
量产品;开展的六个示范应用项目通过卫星实际数据加深了海洋水
色,海冰,海温应用的深度,发挥了示范作用,展示了HY-1A卫星数
据在资源开发,海洋生态环境保护,海洋灾害监测,海洋权益以及科
学研究的应用前景;出版了《海洋一号卫星画册》,《2002,2003年
中国海洋卫星应用报告》,《瞰海毓秀—中国海洋一号A卫星应用图
集》等.

1 HY-1A卫星应用成果
HY-1卫星地面站在轨运行近两年的时间,卫星运行基本稳定,
已获得渤海,黄海,东海,南海,日本海,各大洋和南北极区一大批
水色遥感图像,多次监测到中国近海海洋灾害特征,包括中国沿海发
生的多次赤潮灾害,同时通过资料的积累,得到了中国海海洋水色,
水温季节平均分布及变化,渤海海冰的时空变化等.
国家海洋局已将这颗卫星纳入海洋环境立体监测系统,卫星监测
到的海洋遥感信息为海洋生产,管理提供了依据,同时也在海洋环境
预报中发挥了重要作用.卫星获取的大西洋金枪鱼和南太平洋竹荚渔
区的海洋渔场环境的水色水温资料是中国目前掌握境外渔场环境信
息的唯一技术手段,而发回的南北极冰盖数据,为中国深入开展南极
和北极科学考察与研究提供了基础数据.
HY-1A卫星交付后,在国家海洋局领导下,国家卫星海洋应用中
心牵头组织国家海洋局第一,二,三海洋研究所,北海分局,国家海
洋环境预报中心,国家海洋信息中心,中国科学院海洋研究所,南海
研究所及华东师范大学等单位所开展的六个示范应用项目通过卫星
实际数据加深了应用的深度,发挥了示范作用,展示了HY-1A卫星数
据的应用前景.

1.1 HY-1A遥感器与数据产品种类
根据应用需求,HY-1A卫星配置了海洋水色扫描仪(COCTS)和
CCD成像仪,其中COCTS主要用于探测海洋水色要素(如叶绿素,悬
浮泥沙和可溶有机物等)和海洋表面温度分布,COCTS为十波段扫描
辐射计,其中含八个可见—近红外波段(0.402—0.885 m),2个热
红外波段(10.30--12.50 m),星下点地面空间分辨率1.1km,扫描视
场±35.20度,每行1024个象元,覆盖周期3天,量化等级10bit.
CCD成像仪主要用于获得海岸带的图像资料,对海岸带地区的资源和
植被进行动态监测,CCD成像仪有4个波段(0.42-0.89μm),星下点
空间地面分辨率250m,扫描视场±19度,每行2048象元,覆盖周期
7天,量化等级12bit.
为了实现对各大洋和其它地区的探测功能,星上装有存储器,每
天可记录COCTS境外的探测数据.
实时探测和境外探测数据通过北京,三亚地面站接收,经地面应
用系统业务流程处理后,得到0,1,2,3级产品(见表1)存档,
并分发给用户,开展相关应用.
表1 HY-1卫星地面应用系统数据产品种类
级别 遥感器 产 品 种 类
COCTS 解包后的原始数据cocts.L0 0 级 CCD 解包后的原始数据ccd.L0
COCTS 经地理定位和辐射校正后的L1A,L1B 1 级 CCD 经地理定位和辐射校正后的L1A,L1B
COCTS 6种离水辐射率(412,443,490,510,555和670波段)
3种气溶胶辐射(670,750和865波段)
叶绿素a浓度分布
海表温度分布
色素浓度
第7和8波段气溶胶辐射比
气溶胶光学厚度(865波段)
悬浮泥沙含量分布
漫衰减系数等共16种
2 级
CCD 植被指数NDVI和泥沙含量等2种
COCTS 16种2级产品要素的周和月统计结果 3 级 CCD 根据用户需求确定

1.2赤潮灾害监测
近几年,我国沿海地区赤潮的发生比较频繁,严重地破坏了海洋
渔业资源和渔业生产,恶化海洋环境,损害海滨旅游业,给海洋经济
造成巨大的损失,已成为我国主要海洋灾害之一.HY-1卫星遥感生
成的图像产品,在一定程度上可以反映出赤潮的发生,发展和消亡的
过程,可以用它实施对沿海地区的赤潮监测和灾害评估.
赤潮是海洋中某些浮游生物在一定环境条件下暴发性增殖或聚
集而引起水色变化的一种生态异常现象.当浮游生物大量繁殖时,如
果水体动力环境稳定,海面风平浪静,浮游生物就会聚集在海表面,
从而使海水逐渐变色,表现为遥感波段上辐射率的变化.不同类型的
赤潮引起的水体变色是不同的,有的变为墨绿色,有的是褐色,有的
是红色,在遥感上表现为不同波段的离水辐射率发生不同程度的增强
或减弱,在赤潮海水光谱曲线上表现为蓝光(440-460nm)的吸收和
绿光(560-570nm)及红光(695nm)处的反射.赤潮发生时海洋水体
在695nm左右表现出强烈的反射,这是由于浮游植物细胞在此波段
吸收光线后再发射荧光的结果.另一方面,赤潮生物的生长需要海
水温度达到一定的范围才能顺利进行,在其他条件得到满足时形成赤
潮,而由于赤潮的形成,海水表面聚集着生物细胞,细胞分泌的黏液,
它们形成一道既易于吸收太阳辐射,又起到阻隔水面下辐射能发散的
屏障,使赤潮水体的表面温度高于周围水体,增高的幅度因赤潮生物
的种类,赤潮的强度,动力稳定性等物理因素而变化.可使用赤潮水
体表面温度的这种特性进行遥感探测赤潮,利用表面温度进行赤潮信
息提取时,需要考虑诸如上升流等因素,由于赤潮种类和特性不同,
赤潮监测具有相当的难度.
HY-1A卫星提供的与赤潮水体光学性质有关的有6个波段的归一
化离水辐射率和490nm的漫衰减系数,与赤潮色素有关的CZCS类型
色素和叶绿素a浓度,与赤潮水体温度变化有关的海表面温度数据,
以及可以反映藻类生长状况的归一化植被指数.因此,可以利用归一
化离水辐射率通过海水的光谱性质变化反演赤潮信息,也可以利用海
表温度的变化监测赤潮的形成和变化,还可以利用CCD数据的高空间
分辨率提高赤潮探测的精度.国家海洋局北海分局,国家海洋局第三
海洋研究所与国家卫星海洋应用中心利用HY-1A卫星数据开展了
HY-1A卫星海洋污染与环境监测服务示范研究.
2002年6月15日,9月3日和2003年4月26日利用HY-1A卫
星COCTS和CCD数据分别发现了渤海,华东沿海和黄海赤潮的可疑区,
经现场调查得到证实,证明HY-2卫星资料可为海洋赤潮监测提供依
据.

图1 HY-1卫星赤潮监测图像

1.3 海洋渔业环境信息服务
海洋渔场环境信息,对于指导海上渔业的高效生产是不可缺少
的.特别是在当今近海渔业资源逐渐减少的情况下,指导远洋渔业生
产,更是如此.利用HY-1A卫星资料可以获得海表温度,叶绿素浓度
等信息,进而可以得到诸如上升流等动力环境信息,这些对于渔业生
产部门都是非常重要的信息.我们利用HY-1A卫星COCTS遥感资料反
演生成的2级存档产品和其他卫星遥感资料制作生成海面温度,海表
层叶绿素,上升流和锋面等多种海洋动力环境要素产品,制作多种渔
海况信息图,提供给渔业生产部门.
国家海洋环境预报中心与国家卫星海洋应用中心,利用HY-1A卫
星开展了近海和大洋海洋渔业环境信息示范研究,得到了渤海,黄海,
东海,南海,北部湾以及中国海,金枪鱼区和竹荚鱼区的叶绿素浓度
分布.


图2a 2002年11月12日HY-1卫星东
海叶绿素浓度
图2b 2003年2月19日HY-1卫星渤
海,黄海叶绿素浓度

1.4海温监测与预报
利用HY-1A卫星COCTS的第9和第10通道两个热红外窗区通道
可以反演得到海面温度.处理过程包括COCTS的L1B数据解码,质量
控制,云检测,海温计算,综合处理和海温产品生成,海温反演模式
为:
Ts=aTb9+b(Tb9-Tb10)+c(Tb9-Tb10)(secθ-1.0)-d
式中Ts,Tb9,Tb10分别为海表面温度,COCTS通道9亮度温度和COCTS
通道10 亮度温度,a,b,c,d为常数,θ为卫星天顶角.
生成的产品,为海温预报提供初始场,可提高海温预报精度,缩
短海温预报的周期;还可应用于海洋动力环境研究,为我国的海洋渔
业生产以及全球气候变化研究,海洋天气系统的生成与发展研究提供
基础数据.
目前国家海洋环境预报中心已把HY-1A卫星遥感反演的海温数据
应用到海洋预报中,利用信息综合分析处理技术将反演的海温数据和
台站,GTS海温数据进行融合,可得到的海温预报分析产品,海温旬
预报产品及海温实况产品.

图3 HY-1卫星监测的金枪鱼渔场区旬平均SST分布(2002.11.1-11.20)

1.5 海冰监测与预报
海冰状况直接影响海上油气资源的开发,交通运输,港口海岸工
程的正常作业.两极及高纬度地区常年有冰,我国的渤海及黄海北部
在每年的冬季均有结冰现象出现,HY-1A卫星COCTS和CCD遥感数据
可以对渤海以及俄罗斯东部海域的海冰进行监测,其反演产品可以作
为海冰预报的初始场数据用于海冰的数值和常规预报中.
利用HY-1A卫星COCTS和CCD的L1B产品经过数据解码,质量控
制,云检测后,利用海冰反演模式提取冰厚,冰密集度,冰外缘线和
冰温,同时将生成的海冰产品作为初始场应用到海冰数值预报和常规
预报中制作生成海冰预报产品.国家卫星海洋应用中心与国家海洋环
境预报中心在2002年12月8日中央电视台播发渤海海冰预报中,首
次利用了HY-1A卫星资料,进行海冰冰情预报,此后HY-1A卫星资料
正式进入我国海冰预报业务工作.已经建成了一套从遥感监测到预报
的业务系统,并经历了两个冬季的考核运行,取得了很好的效果.与
此同时,利用HY-1A卫星对俄罗斯东部海域以及极地海冰进行了监
测.

图4a HY-1卫星反演冰密集度分布图 图4b HY-1卫星反演海冰冰厚分布图

1.6 海洋初级生产力研究
海洋初级生产力是指浮游植物,底栖植物以及自养细菌等生产者
通过光合作用或化学合成制造有机物和固定能量的能力.而对于通常
意义上的海洋初级生产力主要是指对浮游植物,在单位面积,在真光
层内(下限取海面光强衰减至1%的水层深度)单位时间内(通常是
天或年)制造有机物的能力(即把CO2和水同化为碳水化合物) 即光
合作用速率.单位mgc/m2d或gc/m2yr.
利用HY-1卫星COCTS水色扫描仪的2级存档产品,结合其它卫
星遥感数据及船测数据来提取反演海洋初级生产力遥感算法,提取初
级生产力信息产品,并开展其应用研究.初级生产力的反演模式如下:
opp=(1.1-0.46*log10(par0[0]))* Chl*sd*par0[1]*Fx*coe*W
其中par0[0]和par0[1]分别是日平均和日积分水次表层下标量辐照
度量,由遥感模式计算加权后得出.sd是遥感所得的透明度,Fx是
温度修正系数,Chl是卫星遥感叶绿素表层浓度的加权值,coe取
9.96,式中W由下式给出:
W=C/(C+0.3)* (log10(par0[0])-1.5*log10(chl)-1.0)
国家海洋局第二海洋研究所与国家卫星海洋应用中心根据上述
模式得到了各月以及旬的初级生产力分布.

图5 HY-1卫星资料提取的海洋初级生产力(2002.9.28-10.07)

1.7 海岸带动态监测
海岸带是陆地和海洋的交界地带,是以海岸为基线向海,陆辐射,
扩散的过渡区,有着独有的优势区位,是沿海经济建设的重要资源之
一.
海岸带具有陆地系统与海洋系统融合的特点.海岸带环境,是全
球环境变化的敏感与脆弱地带,是地球系统科学研究的重要组成部
分,对研究海岸带系统物质交换,海陆交互作用以及对全球环境变化
的响应和海岸环境管理,近岸区域经济持续发展具有重大的科学现实
意义.
海岸带资源丰富,具有高度的自然能量和生物生产力,是地球系
统中最有生机的一部分.海岸带地区往往是人口分布密集,生产活动
频繁,经济发达区.所以,海岸带环境面临着严重的问题:近岸生态
环境不断恶化,海岸水域污染,海岸资源过度开发等等.
HY-1A卫星250米地面分辨率的4波段CCD成像仪,可以获得海
陆相互作用区域的高分辨率图像.4个波段设置考虑了海洋和陆地兼
顾的原则,主要应用于海岸带动态监测.因此,利用CCD数据遥感动
态监测我国大陆海岸带地区是一种有效而经济的手段.
国家海洋局第一海洋研究所,中国科学院海洋研究所,中国科学
院南海研究所及国家海洋信息中心,华东师范大学等单位利用CCD遥
感资料开展了示范研究,得到了:黄河三角洲潮间带潮滩类型图,潮
间带范围及其演变量化信息图,岸线动态变化分析图,黄河口,长江
口,珠江口水域悬浮泥沙空分布图,长江口植被指数分布图,产品提
供的形式有等值线,专题图和格点数据文件.



图6 HY-1卫星黄河口泥沙分布图 图7 HY-1卫星长江口植被图

1.8 其它应用
由于HY-1A卫星上有两个遥感器并有境外探测能力,可根据用户
要求对特定区域进行监测,特别CCD成像仪空间分辨率达到250米,
且有4个波段,量化等级达到4096,在江河湖海,岛屿,陆地植被,
森林火灾,积雪,雾,沙尘暴监测方面已显示出具有很大的应用潜力,
随着数据源的增多,HY-1A卫星将在海洋以及其它领域中发挥重要作
用.

图7 HY-1卫星监测的俄罗斯境内火灾图像
2 结束语
海洋卫星的发射成功并投入业务运行在国内外引起重大关注,它
不仅结束了我国没有海洋卫星的历史,标志着我国已基本建成由气象
卫星,资源卫星和海洋卫星共同组成的长期稳定运行的卫星对地观测
体系,同时使我国的海洋立体监测体系得到完善和发展.
随着HY-1系列卫星的发展,卫星性能不断提高,长序列且稳定
的卫星数据不断积累,HY-1系列卫星数据的应用深度与广度也将不
断扩大,充分发挥其在海洋水色要素信息探测领域的作用,为实现海
洋资源与环境的可持续利用和海洋事业的协调发展做出贡献.
参考文献:
1, 海洋水色卫星综合论证报告,国家海洋局,1997.2
2, 蒋兴伟,刘建强,林明森,中国海洋一号卫星及地面应用系统,卫星应用,Vol.10,No.3,
2002
3, 王其茂,金振刚,孙从容,"海洋一号"(HY-1)卫星数据的海面温度反演,海洋预报,
Vol.20,No.3,2003
4, Pan Delu, He Xiangqiang, Li Shujing, et al. Study on application potentiality of the first
Chinese ocean satellite HY-1A, Acta Oceanologica Sinica, 2003,22(4):503-510
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