高分三號衛(wèi)星在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用

● 文 | 1.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心 .國家海洋局空間海洋遙感與應(yīng)用研究重點實驗室 .北京空間飛行器總體設(shè)計部袁新哲 林明森 劉建強 謝春華 趙良波 葉小敏 鄒亞榮 曾韜 朱海天 安文韜 崔利民

一、引言

我國是世界上人口最多的沿岸大國，海岸線約1.8萬km，擁有渤海、黃海、東海和南海四大海域。面積500m2以上的島嶼約6500多個，內(nèi)水和領(lǐng)海主權(quán)海域面積38萬km2，我國主張的管轄海域面積約300萬km2。我國在全球海洋政治、經(jīng)濟、交通、安全、科研上擁有廣泛的戰(zhàn)略利益。遙感衛(wèi)星作為一種先進的技術(shù)手段，已經(jīng)廣泛用于海洋領(lǐng)域，為海洋監(jiān)視監(jiān)測提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。本文介紹了我國高分三號衛(wèi)星（GF-3）自正式投入使用以來在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用概況，能夠為雷達(dá)衛(wèi)星尤其是GF-3衛(wèi)星后續(xù)業(yè)務(wù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

二、高分三號衛(wèi)星特點

GF-3衛(wèi)星是我國自主研制的第一顆兼顧海陸應(yīng)用的民用多極化SAR衛(wèi)星，衛(wèi)星于2016年8月10日發(fā)射，2017年1月23日正式投入使用。

GF-3衛(wèi)星運行在平均軌道高度約755km的太陽同步回歸軌道上，軌道重復(fù)周期為29天。衛(wèi)星搭載的C頻段多極化SAR載荷具有12種成像模式，其空間分辨率范圍1～500m，成像幅寬范圍10～650km，具有多極化數(shù)據(jù)獲取能力，并且為典型海洋要素海浪和海面風(fēng)觀測設(shè)計了專用成像模式——波模式、全球觀測模式，能夠滿足主要海洋監(jiān)視監(jiān)測要素的觀測需求。表1為GF-3衛(wèi)星成像模式主要技術(shù)參數(shù)[1]。

表1 GF-3衛(wèi)星成像模式主要技術(shù)參數(shù)

三、高分三號衛(wèi)星海洋應(yīng)用

GF-3衛(wèi)星海洋領(lǐng)域的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括海洋權(quán)益維護、海洋防災(zāi)減災(zāi)及應(yīng)對海上重大環(huán)境事件、海洋動力環(huán)境監(jiān)測、海岸帶綜合管理與海域使用管理、極地環(huán)境監(jiān)測與航行保障等。

（1）海洋權(quán)益維護

我國主張的管轄海域約300萬km2，GF-3衛(wèi)星通過獲取的海島、海上船舶、海上油氣平臺監(jiān)視數(shù)據(jù)，為島礁維權(quán)、油氣資源保護等提供信息服務(wù)和輔助決策支持。

1）海島。2017年，國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心初步開展了南海我國管轄海域海島新生沙洲監(jiān)測工作。通過數(shù)十景GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)與高分辨率光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)對比，驗證了GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)在海島新生沙洲監(jiān)測工作中的能力（見圖1）。

圖1 利用GF-3衛(wèi)星全極化條帶1模式圖像與WorldView-2衛(wèi)星圖像制作的南沙六門礁疊合圖

2）油氣平臺監(jiān)視。南海蘊藏著豐富的油氣資源。近年來，某些南海周邊國家在我國管轄海域內(nèi)建設(shè)了多個油氣平臺，損害了我國海洋權(quán)益。2016年底至2017年3月，國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心利用GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)對南海油氣平臺分布情況進行了監(jiān)測，并利用高分專項光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行了驗證。圖2是南海南部部分油氣平臺GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果。

圖2 基于GF-3衛(wèi)星多時相全極化1條帶模式圖像制作的南海油氣平臺監(jiān)測專題圖

（2）海洋防災(zāi)減災(zāi)及應(yīng)對海上重大環(huán)境事件

我國是世界上少數(shù)幾個遭受多種海洋災(zāi)害的國家之一，包括風(fēng)暴潮、巨浪以及熱帶氣旋、溫帶氣旋和冷空氣大風(fēng)所造成的突發(fā)性的海洋災(zāi)害每年都給我國沿海經(jīng)濟建設(shè)、海洋開發(fā)和人員生命財產(chǎn)帶來巨大的損失。GF-3衛(wèi)星提供我國鄰近海域的風(fēng)暴潮、熱帶氣旋、海冰、海面溢油、綠潮信息，為災(zāi)害監(jiān)測和評估、應(yīng)對重大環(huán)境事件提供地理空間信息支持。

1）臺風(fēng)監(jiān)測。2017年，我國沿海臺風(fēng)頻發(fā)，對沿海人民生命財產(chǎn)與經(jīng)濟發(fā)展造成了嚴(yán)重影響。國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心聯(lián)合相關(guān)單位，首次獲取了GF-3衛(wèi)星臺風(fēng)監(jiān)測數(shù)據(jù)。共監(jiān)測有編號臺風(fēng)6個，獲取臺風(fēng)及登陸區(qū)域觀測數(shù)據(jù)30余景，并制作了相應(yīng)的臺風(fēng)監(jiān)測產(chǎn)品[2][3]，向相關(guān)單位進行了快速產(chǎn)品分發(fā)。為汛期臺風(fēng)監(jiān)測、臺風(fēng)SAR遙感科學(xué)研究提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

圖3（a）、圖3（b）分別是GF-3衛(wèi)星獲取的2017年第5號臺風(fēng)“奧鹿”和19號臺風(fēng)“杜蘇芮”圖像。

圖4（a）、圖4（b）分別為2017年13號強臺風(fēng)“天鴿”GF-3衛(wèi)星圖像及其臺風(fēng)監(jiān)測產(chǎn)品。

圖3 GF-3衛(wèi)星臺風(fēng)“奧鹿”寬幅掃描模式VH極化圖像與臺風(fēng)“杜蘇芮”寬幅掃描模式VV極化圖像

圖4 臺風(fēng)“天鴿”GF-3衛(wèi)星寬幅掃描VV極化圖像及基于VH極化圖像制作的風(fēng)場監(jiān)測產(chǎn)品

2）溢油監(jiān)測。2018年1月6日，巴拿馬油船桑吉號與香港散貨船長峰水晶號在長江口以東約160海里處發(fā)生碰撞，導(dǎo)致桑吉號全船失火，船載凝析油大量外泄，對海洋環(huán)境造成嚴(yán)重影響。國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心利用業(yè)務(wù)化海上溢油監(jiān)視系統(tǒng)[4]及時開展桑吉號油船及其溢油的衛(wèi)星遙感應(yīng)急監(jiān)測。利用GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)制作桑吉號溢油應(yīng)急監(jiān)測專題產(chǎn)品及監(jiān)測報告，及時為決策部門提供了溢油分布面積、位置以及溢油路徑預(yù)測等信息（見圖5）。

圖5 基于GF-3衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)條帶模式VV極化圖像制作的桑吉號海上溢油監(jiān)測專題圖

（3）海洋動力環(huán)境監(jiān)測

高分辨率海浪、海面風(fēng)場、內(nèi)波、淺海水下地形、中尺度渦和鋒面數(shù)據(jù)，能夠為全球海洋動力環(huán)境研究、海洋預(yù)報以及沿海重大工程論證、運行提供支撐。

內(nèi)波是重要的海洋監(jiān)測要素。我國南海北部是內(nèi)波高發(fā)區(qū)，是世界公認(rèn)的研究內(nèi)波的“天然試驗場”。GF-3衛(wèi)星獲取了豐富的南海內(nèi)波圖像資料，為深入研究內(nèi)波提供了基礎(chǔ)。國家海洋局利用GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)對南中國海東沙島附近的內(nèi)波開展了振幅高精度反演。

（4）海岸帶綜合管理與海域使用管理

GF-3衛(wèi)星能夠獲取海岸變遷、海岸帶植被等海岸帶典型地物要素、海域使用類型、位置分布、用海面積監(jiān)視數(shù)據(jù)，為全面、及時掌握海岸帶與海域使用現(xiàn)狀提供重要的客觀依據(jù)。

濕地被稱為“地球之腎”，是重要的生態(tài)系統(tǒng)。GF-3衛(wèi)星具有的多極化數(shù)據(jù)獲取能力，能夠提供相對于傳統(tǒng)單極化SAR數(shù)據(jù)幅度、相位以外的極化信息，在濱海濕地典型地物分類中有著重要應(yīng)用。圖6是2017年國家海洋局利用GF-3衛(wèi)星全極化條帶1模式數(shù)據(jù)，制作的黃河三角洲濱海濕地典型地物分類專題圖。

圖6 基于GF-3衛(wèi)星全極化條帶1模式圖像制作的黃河口濕地分類專題圖

（5）極地環(huán)境監(jiān)測與航行保障

極地環(huán)境變化與全球環(huán)境和氣候變化有著密切聯(lián)系。極地航道對于經(jīng)濟、軍事以及極地科考都具有重要意義。GF-3衛(wèi)星能夠提供極地冰覆蓋、極地航道監(jiān)測數(shù)據(jù)，為應(yīng)對全球變化與極地科學(xué)考察提供有力保障。

2016年11月，盡管GF-3衛(wèi)星在軌測試尚未結(jié)束，但衛(wèi)星數(shù)據(jù)已經(jīng)用于第33次南極科考雪龍?zhí)柨瓶即瑯O地航行保障工作。在2017年第34次南極科考雪龍?zhí)柨瓶即瑯O地航行保障任務(wù)中，國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心進一步利用GF-3衛(wèi)星為雪龍?zhí)柨瓶即麄€航行期間提供了數(shù)據(jù)保障。圖7為第34次南極科考時，雪龍?zhí)柨瓶即纸猩秸緶?zhǔn)備進行卸貨作業(yè)時，利用GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)制作的冰情態(tài)勢分析圖。

四、結(jié)束語

本文通過大量應(yīng)用實例，介紹了GF-3衛(wèi)星投入使用以來在海洋主要應(yīng)用領(lǐng)域的示范應(yīng)用情況。實際使用效果驗證了GF-3衛(wèi)星在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用能力與潛力。目前GF-3衛(wèi)星的后續(xù)業(yè)務(wù)衛(wèi)星研制工作正在開展，隨著GF-3衛(wèi)星后續(xù)業(yè)務(wù)衛(wèi)星的發(fā)射，通過衛(wèi)星組網(wǎng)運行，可以預(yù)見GF-3衛(wèi)星及其后續(xù)業(yè)務(wù)衛(wèi)星將在海洋領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。

圖7 基于2017年12月28日GF-3衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)條帶VV極化圖像制作的雪龍?zhí)柨瓶即叫斜Ｕ媳榉治鰣D