高分四號(hào)衛(wèi)星在近海懸浮物和綠潮災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

崔廷偉1丁靜2 徐彭梅3 張杰1

衛(wèi)星遙感以其大范圍、同步、快速的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，成為海洋監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)手段。傳統(tǒng)的極軌衛(wèi)星，每1—2天進(jìn)行一次地表重復(fù)覆蓋，對(duì)于日變化不顯著的開(kāi)闊大洋水體來(lái)說(shuō)，可基本滿足監(jiān)測(cè)需求，但對(duì)于具有顯著時(shí)變特性（甚至是小時(shí)級(jí)）的近岸海域環(huán)境監(jiān)測(cè)以及海上突發(fā)事件的應(yīng)急響應(yīng)需求來(lái)說(shuō)，極軌衛(wèi)星的時(shí)間分辨能力無(wú)法滿足這一高頻變化的監(jiān)測(cè)需求。

2010年韓國(guó)發(fā)射的COMS衛(wèi)星搭載了世界首個(gè)GOCI，使得對(duì)海洋日變化的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)成為可能。GOCI提供了一小時(shí)一景、一天8景的水色遙感圖像，空間分辨率500m，8個(gè)窄的高靈敏度大動(dòng)態(tài)范圍水色波段，在懸浮物、赤潮、綠潮、海表流場(chǎng)等的逐時(shí)變化信息提取中得到了廣泛應(yīng)用，展示了靜止軌道光學(xué)遙感技術(shù)在海洋監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用潛力，在此背景下美、歐也在積極推進(jìn)各自的靜止軌道海洋光學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃，可以預(yù)見(jiàn)的是靜止軌道海洋光學(xué)遙感技術(shù)將成為新的方向[1]。

2015年12月，針對(duì)防災(zāi)減災(zāi)需求，我國(guó)發(fā)射了高分辨率靜止軌道光學(xué)衛(wèi)星高分四號(hào)（GF-4），其空間分辨率為50m，在可見(jiàn)光—近紅外波段范圍內(nèi)擁有全色和藍(lán)、綠、紅、近紅外5個(gè)波段，2景圖像的最短成像時(shí)間差僅為20s，在海洋的高頻變化監(jiān)測(cè)方面具有巨大潛力[2，3]。本文重點(diǎn)開(kāi)展了GF-4衛(wèi)星數(shù)據(jù)在近海懸浮物和綠潮遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究，通過(guò)與GOCI衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，探討了GF-4的海洋應(yīng)用能力。

表2給出了本文所使用的GF-4衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及用于對(duì)比分析的GOCI和MODIS數(shù)據(jù)。

表1 GF-4衛(wèi)星有效載荷技術(shù)指標(biāo)

一、高分四號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析

高分四號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，光譜響應(yīng)函數(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 GF-4衛(wèi)星光譜響應(yīng)函數(shù)

作為示例，圖2給出GF-4影像和GOCI影像。從目視解譯上來(lái)看，二者的成像質(zhì)量相當(dāng)。

圖2 2016年5月10日準(zhǔn)同步的GF-4影像（左）和GOCI影像（右）

二、高分四號(hào)懸浮物濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

基于黃河口海域現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的光譜數(shù)據(jù)和懸浮物濃度（SPM）數(shù)據(jù)，結(jié)合GF-4的波段響應(yīng)函數(shù)，開(kāi)展GF-4懸浮物濃度反演算法研究。經(jīng)算法測(cè)試，基于第三波段遙感反射率的反演模型具有較好的反演效果，平均相對(duì)誤差約為35%（圖3）。

基于上述模型和GF-4影像反演的渤海懸浮物濃度空間分布如圖4所示，相應(yīng)地，圖4還給出了準(zhǔn)同步的GOCI影像懸浮物反演結(jié)果。對(duì)比二者可以看出，GF-4和GOCI得到的懸浮物濃度空間分布態(tài)勢(shì)是一致的，萊州灣、渤海灣以及遼東灣北部懸浮物濃度較高，渤海中部較低。從直方圖對(duì)比上看，二者的均值、中值、標(biāo)準(zhǔn)差均較為接近。特別需要指出的是，GF-4分辨率較GOCI 高10倍，所以前者的總像元數(shù)（約1300萬(wàn)）遠(yuǎn)高于后者（約20萬(wàn)），因此也更有利于提取精細(xì)的空間分布信息。

表2 所使用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)

圖3 懸浮物反演值與實(shí)測(cè)值的散點(diǎn)圖

圖4 GF-4（左）和GOCI（右）反演的懸浮物濃度空間分布（2016年5月10日）

圖5 GF-4和GOCI綠潮監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

三、高分四號(hào)衛(wèi)星綠潮監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

圖5給出了黃海綠潮GF-4影像和準(zhǔn)同步的GOCI影像，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，綠潮斑塊的形狀（輪廓）特征在50m分辨率的GF-4影像中表現(xiàn)得到較為清晰，但在500m分辨率的GOCI影像中卻難以準(zhǔn)確辨識(shí)；利用歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）方法進(jìn)行綠潮覆蓋面積的定量提取發(fā)現(xiàn)，與GF-4相比，GOCI綠潮面積提取結(jié)果存在明顯高估。上述結(jié)果說(shuō)明，與GOCI相比，高分四號(hào)的十米級(jí)空間分辨率更加有利于綠潮災(zāi)害精細(xì)化監(jiān)測(cè)。

四、結(jié)語(yǔ)

本文開(kāi)展了高分辨率靜止軌道光學(xué)衛(wèi)星高分四號(hào)衛(wèi)星在近海懸浮物和綠潮災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究，并與準(zhǔn)同步的靜止軌道水色衛(wèi)星GOCI監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，研究發(fā)現(xiàn)，寬波段的GF-4衛(wèi)星與窄波段的GOCI具有相當(dāng)?shù)膽腋∥餄舛榷窟b感反演能力，GF-4衛(wèi)星所具有的高空間分辨率使其更加有利于綠潮面積的定量遙感提取。

致謝：感謝中國(guó)資源衛(wèi)星中心提供GF-4數(shù)據(jù)，韓國(guó)海洋衛(wèi)星中心提供GOCI數(shù)據(jù)。