中國海洋遙感技術進展

劉 暢 ，白 強 ，唐 高 ，紹 輝 ，白 勇 ,

（1. 南方科技大學，廣東 深圳 518000；2. 深圳市歐佩亞海洋工程有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

地球表面有2/3以上的面積是海洋，這些區(qū)域不僅是物種生存的空間、資源的提供者，更對軍事、經濟、政治和交通有很大影響。在采用傳統(tǒng)方法研究海洋時，若沒有較為宏觀的角度作為補充，很容易以偏概全，而利用海洋遙感技術可獲取海洋的整體情況，速度快、范圍廣，能提供更多的實時信息給相關研究人員參考。采用海洋遙感技術得到海量的波浪、溫度、海冰及風力等海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，可增進對船舶與海洋工程學科的研究，為船舶制造裝備和海洋工程裝備的設計提供大量輸入數(shù)據(jù)，因此發(fā)展海洋遙感技術尤為重要[1]。

1 海洋遙感衛(wèi)星發(fā)展

近年來，我國海洋衛(wèi)星應用研究工作穩(wěn)步推進。2002年5月15日，我國第一顆海洋水色衛(wèi)星“海洋一號A”（HY-1A）順利升空，實現(xiàn)了我國海洋衛(wèi)星零的突破，完成了對海洋水色、水溫的探測試驗驗證任務，該衛(wèi)星于2004年4月停止工作；2007年4月11日，我國第二顆海洋水色衛(wèi)星“海洋一號B”（HY-1B）發(fā)射升空，使海洋水色衛(wèi)星從試驗應用過渡到業(yè)務服務，目前該衛(wèi)星已超設計壽命仍在軌運行；2011年8月16日，我國第一顆海洋動力環(huán)境衛(wèi)星“海洋二號A”（HY2A）發(fā)射升空，其主要技術指標均達到國際先進水平，填補了我國對海洋動力環(huán)境要素進行實時獲取的空白，目前該衛(wèi)星仍在軌運行[2]。2個系列3顆海洋遙感衛(wèi)星總體技術特性見表1～表3。

2016年8月10日，我國成功發(fā)射了“高分三號”（GF-3）衛(wèi)星，主要用于海洋監(jiān)視監(jiān)測，2017年1月底正式投入使用，目前已成功獲取超過10萬景的多極化海洋和陸地SAR影像[3]。GF-3是一顆依靠微波雷達成像的遙感衛(wèi)星，擁有時間上連續(xù)不斷的成像模式，其綜合性能指標已超過國際上其他同類衛(wèi)星，例如：GF-3擁有12種成像模式，用來滿足不同用戶的不同需求；GF-3是全球成像模式最多的SAR衛(wèi)星，其提供的影像既可選擇1m分辨率，也可選擇10m量級或100m量級分辨率[4]。GF-3的在軌設計壽命為8a，遠高于以前衛(wèi)星3～5a的壽命，同時也領先于國際上其他遙感衛(wèi)星6～7.5a的壽命?！昂Ｑ笕枴毙l(wèi)星采用了“高分三號”衛(wèi)星的相關技術，搭載的主要遙感載荷是合成孔徑雷達（SAR），該雷達是一種主動式微波遙感儀器，通過先發(fā)射微波波束再接收來自海面的后向散射回波來獲取海面信息。

目前，我國海洋遙感衛(wèi)星三大體系已初步形成，包括海洋水色衛(wèi)星、海洋監(jiān)視監(jiān)測衛(wèi)星和海洋動力環(huán)境衛(wèi)星。此外，中法海洋遙感衛(wèi)星（CFOSAT）已進入研制階段，并定于2018年發(fā)射。CFOSAT衛(wèi)星是由我國和法國聯(lián)合研制的海洋動力環(huán)境觀測衛(wèi)星，主要用于研究海洋波浪和風場的相互作用。CFOSAT衛(wèi)星包括2個微波遙感有效載荷：一個是我國研制的微波散射計（SCAT），用于測量海洋表面風場；另一個是法國航天局（CNES）研制的雷達波譜儀（SWIM），用于測量海洋波浪方向譜。SCAT是CFOSAT衛(wèi)星中我國研制的唯一有效載荷，是國際上第一個使用扇形波束掃描體制的海洋風場測量散射計[5]。衛(wèi)星投入使用之后，將大大增強我國海洋環(huán)境預報水平，提高我國對海洋氣候多變性的認識。

表1 HY-1A衛(wèi)星總體技術特性

表2 HY-2A衛(wèi)星總體技術特性

表3 HY-1B衛(wèi)星總體技術特性

續(xù)表3

2 海洋遙感應用情況

通過參考國內外其他遙感衛(wèi)星獲取的資料并利用我國的海洋遙感數(shù)據(jù)，開展海冰、溢油、綠潮、赤潮、海溫、水色、海洋漁業(yè)和風暴潮等方面的應用研究，進一步提高海洋遙感數(shù)據(jù)的業(yè)務化廣度和深度，在我國海況預警報、海洋防災減災、海洋環(huán)境保護和海洋資源開發(fā)等領域中產生了積極影響。

2.1 海洋溫度監(jiān)測

應用HY-1B和MODIS等衛(wèi)星及HY-2A衛(wèi)星掃描微波輻射計獲取的資料，可繪制出所管轄海域及其周邊海域和全世界的每日、每周、每月及每年的平均海表溫度云圖。海溫產品已在海洋漁場環(huán)境監(jiān)測和海溫預報領域產生重要作用。圖1為2016年12月30日HY-2A衛(wèi)星掃描微波輻射計原始分辨率海面溫度。

圖1 2016年12月30日HY-2A衛(wèi)星掃描微波輻射計原始分辨率海面溫度

2.2 海洋水色監(jiān)測

結合MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)并應用HY-1B衛(wèi)星數(shù)據(jù)，可繪制出中國海和鄰近海域的日、月、季葉綠素濃度平均分布等海洋水色資料，提供給漁業(yè)部門等有關機構參考。圖2為2015年4季度我國及周邊海域葉綠素濃度平均分布圖。

2.3 海冰災害監(jiān)測

結合“高分一號”、HY-1B和MODIS等衛(wèi)星的遙感資料，可對黃海北部及渤海的海冰災害情況進行業(yè)務化監(jiān)測。圖3為2017年1月24日HY-1B衛(wèi)星遙感影像海冰圖。

圖2 2015年4季度我國及周邊海域葉綠素濃度平均分布圖

圖3 2017年1月24日HY-1B衛(wèi)星遙感影像海冰圖

2.4 綠潮災害監(jiān)測

綠潮會造成海洋災難，當大量藻類被洋流帶到岸上時，綠潮藻體會因腐爛而散發(fā)有毒氣體，對沙灘景觀產生影響，破壞潮間帶生態(tài)系統(tǒng)。2016年5—8月，綠潮對我國黃海沿岸海域造成破壞，分布范圍達到近5a來的極值。利用HY-1B衛(wèi)星并結合MODIS及“高分一號”等衛(wèi)星的資料，可對我國近海綠潮災害開展業(yè)務化監(jiān)測，為綠潮災害監(jiān)測和防災減災提供信息服務。圖4為2015年全年遙感監(jiān)測綠潮災害中心位置圖。

2.5 海上溢油監(jiān)測

利用加拿大Radarsat-2衛(wèi)星和我國遙感衛(wèi)星的SAR數(shù)據(jù)，可對我國的渤海、東海及南海重點海域開展溢油遙感監(jiān)測，為海洋環(huán)境保護和維權執(zhí)法提供輔助決策支持。圖5為2015年昌黎大蒲河河口附近海域溢油遙感監(jiān)測解譯圖。

圖4 2015年全年遙感監(jiān)測綠潮災害中心位置圖

圖5 2015年昌黎大蒲河河口附近海域溢油遙感監(jiān)測解譯圖

2.6 海上臺風監(jiān)測

利用MeTop和HY-2A衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)可對西北太平洋范圍內的臺風中心位置、臺風分布范圍及熱帶氣旋進行監(jiān)測，為海洋氣象預報及防災減災工作提供定量化輔助決策信息。圖6為2015年HY-2A衛(wèi)星觀測到的燦鴻臺風路徑。

3 遙感技術發(fā)展方向

3.1 發(fā)展海洋實時觀測技術

提高海洋遙感全球實時監(jiān)測技術，做出實時的響應，研發(fā)出實時監(jiān)測的軟件，有利于降低海洋災害對人類的影響。未來海洋遙感技術發(fā)展的一個重要方向就是實現(xiàn)實時響應、運算并傳輸遙感數(shù)據(jù)到用戶終端。我國海洋環(huán)境數(shù)值預報遙感數(shù)據(jù)主要通過海外購買獲得，因此無法做到應用的實時性。發(fā)展海洋遙感實時監(jiān)測技術有利于加強我國的海洋環(huán)境數(shù)值預報能力。

3.2 提高海洋遙感信息提取技術

提高海洋遙感監(jiān)測的像素分辨率及海量遙感數(shù)據(jù)運算能力是海洋遙感監(jiān)測技術面對的重要問題。在我國建成HY-2A衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)之后，海洋遙感數(shù)據(jù)運算能力已達到國外同行的運算水平。然而，對于新出現(xiàn)的一些載荷，法國、美國等國家在10a前就已開始研究相應的數(shù)據(jù)處理方法，我國當前仍沒有這方面的進展。因此，未來我國既要提高海洋遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理能力，又要研究新型載荷的數(shù)據(jù)處理算法。

圖6　2015年HY-2A衛(wèi)星觀測到的燦鴻臺風路徑

3.3 提高海洋遙感數(shù)據(jù)應用水平

隨著我國及世界其他各地遙感數(shù)據(jù)越來越多，遙感數(shù)據(jù)在存儲、運算和應用等問題上將面臨重要挑戰(zhàn)，尤其是系統(tǒng)架構需重點研究。當前相關科研機構須明確未來海洋信息化的發(fā)展要求，建設海洋大數(shù)據(jù)平臺，促進遙感大數(shù)據(jù)共享，為推進國家船舶與海工產業(yè)發(fā)展做出更大的貢獻。

4 結 語

目前，我國海洋觀測平臺的管理模式使得數(shù)據(jù)共享成了開展海上研究的主要障礙，嚴重影響著數(shù)據(jù)價值，建設基于遙感大數(shù)據(jù)概念的共享平臺已成為建設大數(shù)據(jù)平臺的重要一環(huán)。現(xiàn)有的海洋數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺已難以滿足船舶與海洋工程學科對數(shù)據(jù)的應用需求[6]。未來大型海洋數(shù)據(jù)平臺的建設需應用新一代互聯(lián)網(wǎng)技術和云計算開發(fā)，建立云環(huán)境下的海洋數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡和海洋大數(shù)據(jù)平臺，通過海洋大數(shù)據(jù)收集、儲存、運算和分析，促進海洋數(shù)據(jù)共享，推進船舶與海工產業(yè)的建設和發(fā)展[7]。

【 參 考 文 獻 】

[1] 陳鷹，瞿逢重，宋宏，等. 海洋技術教程[M]. 杭州：浙江大學出版社，2012.

[2] 曾呈奎. 大力發(fā)展海洋科技[J]. 中國高?？萍?，2004 (1)： 35-37.

[3] YANG Jingsong, WANG Juan, REN Lin. The first quantitative remote sensing of ocean internal waves by Chinese GF-3 SAR satellite[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2017, 36： 118.

[4] 林明森，張有廣，袁新哲. 海洋遙感衛(wèi)星發(fā)展歷程與發(fā)展趨勢展望[J]. 海洋學報，2015, 37 (1)： 1-10.

[5] 潘德爐，白雁. 我國海洋水色遙感應用工程技術的新進展[J]. 中國工程科學，2008, 10 (9)： 14-24.

[6] SINGH R K, SHANMUGAM P. A multidisciplinary remote sensing ocean color sensor： analysis of user needs and recommendations for future developments[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2017, 9 (11)： 5223-5238.

[7] 張圣坤. 精心打造“互聯(lián)網(wǎng)船海工程業(yè)” [J]. 船舶與海洋工程，2015, 31 (1)： 1-4.