國(guó)產(chǎn)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)在內(nèi)陸地區(qū)的應(yīng)用
——以青海為例

◆ 劉錦秀 劉建強(qiáng) 李曉民 王 佳 馬世斌

（1.青海省青藏高原北部地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海西寧 810012；2.青海省地質(zhì)調(diào)查院，青海西寧 810012；3.青海省遙感大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心，青海西寧 810012；4.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京100081）

近年來(lái)隨著我國(guó)高分系列、資源系列、海洋系列等衛(wèi)星不斷發(fā)射，多源化衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用場(chǎng)景正在不斷拓展。海洋衛(wèi)星具備全天候、全天時(shí)、全球性觀測(cè)特點(diǎn)，可高頻次、周期性、長(zhǎng)期、近實(shí)時(shí)、快速獲得全球多尺度多要素海洋要素信息，其載荷掃描幅寬大，數(shù)據(jù)獲取頻次高是區(qū)別于陸地衛(wèi)星的重要特點(diǎn)，在內(nèi)陸藍(lán)藻監(jiān)測(cè)、洪澇災(zāi)情監(jiān)測(cè)、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)等常態(tài)化監(jiān)測(cè)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)方面均已實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)用。

中尺度監(jiān)測(cè)以往常用的遙感影像有較低分辨率的MODIS和中高分辨率的Landsat8、Sentinel-2，國(guó)產(chǎn)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)無(wú)論在分辨率、獲取周期上均具優(yōu)勢(shì)，本文利用海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)針對(duì)水體設(shè)計(jì)、水體特征及水色信息識(shí)別和提取更精準(zhǔn)，載荷的掃描幅寬大、重訪周期高、獲取時(shí)效快等特點(diǎn)，在青海省內(nèi)開(kāi)展了湖泊水情、湖泊冰情、河流懸浮泥沙、農(nóng)作物種植等自然資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作，將海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用到陸地。

1 數(shù)據(jù)選擇

目前，我國(guó)海洋衛(wèi)星主要由海洋水色環(huán)境衛(wèi)星星座（HY-1A、HY-1B、HY-1C、HY-1D）、海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星星座（HY-2A、HY-2B、HY-2C、HY-2D、CFOSAT）及海洋監(jiān)視監(jiān)測(cè)衛(wèi)星（GF3）三個(gè)系列組成，本次根據(jù)監(jiān)測(cè)要素特點(diǎn)，選取HY-1C、HY-1D和HY-2B衛(wèi)星部分載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用（主要技術(shù)指標(biāo)表 1-2）。

表1 HY-1C/D衛(wèi)星CZI傳感器波段信息及信噪比指標(biāo)Table1 Bands and S/N of HY-1C/D CZI

表2 HY-2B衛(wèi)星ALT傳感器主要技術(shù)指標(biāo)Table2 Parameters of HY-2B ALT

海洋一號(hào)C衛(wèi)星（HY-1C）作為我國(guó)首顆海洋水色業(yè)務(wù)衛(wèi)星于2018年9月7日發(fā)射成功，已于2019年6月開(kāi)展業(yè)務(wù)化運(yùn)行。其搭載的海岸帶成像儀（CZI）兼顧陸海觀測(cè)，空間分辨率優(yōu)于50米，幅寬1000公里，含紅、綠、藍(lán)、近紅外四個(gè)波段，信噪比優(yōu)于250，不用側(cè)擺就可實(shí)現(xiàn)三天一次覆蓋，頻次高，時(shí)效快。繼2020年6月11日成功發(fā)射海洋一號(hào)D衛(wèi)星（HY-1D）后，進(jìn)行上、下午組網(wǎng)觀測(cè)，將覆蓋頻次提高到了1～2天/次，可實(shí)現(xiàn)觀測(cè)要素高頻次動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。采用漂移軌道，7-11景即可實(shí)現(xiàn)青海省全覆蓋。

海洋二號(hào)B衛(wèi)星（HY-2B）是我國(guó)第二顆海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星，該衛(wèi)星集主、被動(dòng)微波遙感器于一體，屬于我國(guó)海洋系列遙感衛(wèi)星，具有高精度測(cè)軌、定軌能力與全天候、全天時(shí)、全球探測(cè)能力。衛(wèi)星搭載的ALT雷達(dá)高度計(jì)除可獲得浪高、海面高度等海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)外，也可為內(nèi)陸大型湖泊提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)應(yīng)用

國(guó)產(chǎn)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用主要從青海湖面積和水位監(jiān)測(cè)、青海湖和可可西里鹽湖冰情監(jiān)測(cè)、通天河河流懸浮泥沙監(jiān)測(cè)、油菜花農(nóng)作物種植監(jiān)測(cè)等4個(gè)方面進(jìn)行闡述。

2.1 青海湖面積和水位監(jiān)測(cè)

青海湖位于青藏高原東北部的內(nèi)陸封閉盆地內(nèi)，北面是大通山、東面是日月山、南面是青海南山、西面是橡皮山，地理范圍為36°32′N(xiāo)～37°15′N(xiāo)，99°36′E～100°16′，是我國(guó)最大的高原內(nèi)陸咸水湖，形狀呈橢圓形，入湖河流約50條，主要分布在西北部，湖面海拔約3195m。青海湖除主湖以外，有4個(gè)較大子湖，分別是尕海、新尕海、海晏灣、洱海。由于青海湖面積持續(xù)增大，新尕海和海晏灣已融入主湖。

青海湖長(zhǎng)約105km，寬約63km，我國(guó)現(xiàn)有的高分系列、資源系列衛(wèi)星幅寬最大的為資源一號(hào)02D衛(wèi)星，幅寬115km，但軌道設(shè)計(jì)不能實(shí)現(xiàn)單次任務(wù)對(duì)整個(gè)湖泊全覆蓋。HY-1C衛(wèi)星CZI海岸帶成像儀可很好滿足監(jiān)測(cè)需求。對(duì)于利用遙感影像光譜特征進(jìn)行水體邊線提取時(shí)，其淺水區(qū)提取的邊線具有一定誤差，基于HY-1C CZI影像表觀反射率數(shù)據(jù)，采用歸一化差異水分指數(shù)（NDWI）構(gòu)建分類(lèi)規(guī)則自動(dòng)提取監(jiān)測(cè)區(qū)水體信息輔以適當(dāng)人工解譯，監(jiān)測(cè)顯示，2019年7月9日青海湖面積4548.75km2，2020年7月26日青海湖面積4597.14km2，相比2019年同期面積擴(kuò)大了48.39km2,尤其布哈河入水口湖岸退縮明顯。

HY-2B衛(wèi)星ALT雷達(dá)高度計(jì)有0198軌道和0293軌道經(jīng)過(guò)青海湖，且有P1和P2兩點(diǎn)為兩軌的交叉點(diǎn)，可以很好地進(jìn)行相互驗(yàn)證。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)顯示，青海湖水位由2019年6月17日的3194.89m升高到2020年6月19日3195.34m，一年間水位升高了0.45m。

青海水文信息網(wǎng)《青海省水情信息》公布的青海湖水位實(shí)測(cè)2019年7月1日水位3195.98m，2020年7月1日下社站水位3196.35m。兩期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差分別為-1.09m、-1.01m，水位差誤差為0.08m。因?qū)崪y(cè)水位每日不同，本文未能進(jìn)行同一天的比較，以獲得的兩期日期最接近的數(shù)據(jù)比較可得，采用HY-2B衛(wèi)星ALT雷達(dá)高度計(jì)監(jiān)測(cè)青海湖水位雖有約-1m的系統(tǒng)誤差，但相對(duì)誤差很小，采用此法進(jìn)行青海湖水位相對(duì)變化監(jiān)測(cè)是可行的。

2.2 湖泊冰情監(jiān)測(cè)

湖冰作為氣候變化影響最直接的湖泊物理特征之一，既能反映大氣、水文等引起的小尺度環(huán)境變化，也能反映全球氣候變暖等大尺度氣候變化。青海湖作為我國(guó)最大的內(nèi)陸咸水湖，既是環(huán)湖周邊區(qū)域氣候的天然自然調(diào)節(jié)器，又是青藏高原東北部的重要水汽源。利用24期次HY-1C/D衛(wèi)星CZI海岸帶成像儀影像實(shí)現(xiàn)青海湖2020-2021年封凍期—消融期—封凍期的湖泊冰情高頻次快速監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)了1～2天一次。

青海湖于每年12月下旬進(jìn)入封凍期，封凍首先從洱海開(kāi)始，隨后海晏灣和尕海開(kāi)始出現(xiàn)碎冰，封凍總體先開(kāi)始于湖東北岸和西岸，由東北岸向西南岸漸進(jìn)，隨后冰層由湖岸逐漸往湖中心擴(kuò)張。從湖冰形成物理過(guò)程來(lái)看，由于湖水的比熱容大，而陸地的比熱容較小，受水陸間比熱容差異的影響，冰晶和浮冰首先出現(xiàn)在沿岸區(qū)域，在碎冰形成過(guò)程中風(fēng)浪會(huì)將較薄的湖冰迅速吹裂并吹移至湖岸邊，沿著湖岸形成帶狀薄冰，在封凍過(guò)程中，新出現(xiàn)的冰層或碎冰極容易受氣溫突然上升或風(fēng)速變化影響而消失，導(dǎo)致湖泊封凍過(guò)程出現(xiàn)反復(fù)封凍—消融現(xiàn)象。通常湖冰的消失和移動(dòng)同時(shí)進(jìn)行，均為快速過(guò)程，封凍初期湖冰狀態(tài)每日不同。隨著氣溫持續(xù)降低，岸冰開(kāi)始向湖心擴(kuò)展，此時(shí)湖上形成連續(xù)冰蓋并厚度增大，湖面開(kāi)闊水面逐漸減少，同時(shí)風(fēng)對(duì)冰層的影響也隨之減弱，湖面開(kāi)始穩(wěn)定封凍。青海湖于每年3月末或4月初進(jìn)入消融期，消融首先從布哈河入湖口開(kāi)始，由西岸和北岸向外迅速消融?？傮w而言，青海湖封凍與消融空間模式有兩種：湖區(qū)以西，開(kāi)始凍結(jié)最早的區(qū)域也是開(kāi)始消融最早的區(qū)域，凍結(jié)和消融空間模式相似；湖區(qū)以東，凍結(jié)和消融空間模式相反，最早開(kāi)始凍結(jié)的區(qū)域則是最遲消融的區(qū)域。湖泊封凍—消融空間模式在一定程度上可以反映湖泊水深差異。

因氣候暖濕化和來(lái)水、降水增多等影響，近年來(lái)可可西里鹽湖水位持續(xù)上漲，出現(xiàn)漫溢風(fēng)險(xiǎn)，威脅到區(qū)域生態(tài)環(huán)境、國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施和周邊人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，后經(jīng)修建引流疏導(dǎo)渠實(shí)現(xiàn)了湖水平穩(wěn)泄流，但仍需持續(xù)監(jiān)測(cè)了解掌握湖水封凍結(jié)冰情況。利用HY-1C衛(wèi)星CZI海岸帶成像儀對(duì)可可西里鹽湖2019年封凍進(jìn)行監(jiān)測(cè)。遙感影像顯示，11月26日，位于鹽湖上游的海丁諾爾湖首先開(kāi)始凍結(jié)；12月2日，庫(kù)賽湖一半水域已凍結(jié)，可可西里鹽湖水域邊緣出現(xiàn)明顯凍結(jié)，此后，可可西里鹽湖由東至西逐步凍結(jié)；12月5日，鹽湖除少許水面幾乎全部?jī)鼋Y(jié)；12月8日，可可西里鹽湖全面封凍。鹽湖從邊緣呈現(xiàn)出凍結(jié)跡象到水面全部?jī)鼋Y(jié)僅經(jīng)歷了一周時(shí)間。湖總體由外向內(nèi)、由東南向西北漸次封凍，經(jīng)過(guò)7天4次監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確記錄鹽湖封凍全過(guò)程。

2.3 河流懸浮泥沙監(jiān)測(cè)

懸浮泥沙作為泥沙輸運(yùn)和再懸浮過(guò)程的重要指標(biāo)，直接影響水體水質(zhì)、生態(tài)系統(tǒng)和底地貌演化。通天河作為長(zhǎng)江源頭的主干河流，具有多種類(lèi)型的草原牧場(chǎng)，是長(zhǎng)江上游的重要畜牧區(qū)之一。陸地衛(wèi)星在R,G,B（紅綠藍(lán)）三色通道系統(tǒng)中，對(duì)近紅外、紅、綠通道的應(yīng)用更加廣泛，藍(lán)通道往往起到輔助作用。但海洋衛(wèi)星藍(lán)通道的高信噪比更適合監(jiān)測(cè)河流、湖泊、沙漠、森林、草地等含有水體和水汽的要素，用于提取陸地植被尤其是內(nèi)陸水體的效果很好。本文采用懸浮泥沙指數(shù)（p（blue）-p（nir））/（p（blue）+p（nir））對(duì)通天河進(jìn)行懸浮泥沙提取。2020年7月26日HY-1C衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)顯示，通天河河道水面有明顯加寬，水體呈現(xiàn)土黃色渾濁狀態(tài)，懸浮泥沙濃度反演結(jié)果較好地反映了河流懸浮泥沙的空間分布,在曲麻河鄉(xiāng)附近含泥沙量濃度大。

2.4 農(nóng)作物種植監(jiān)測(cè)

作物生物量是形成產(chǎn)量的物質(zhì)基礎(chǔ),遙感技術(shù)是高效、客觀監(jiān)測(cè)作物地上生物量的重要手段,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理具有重要意義。油菜作為青海省優(yōu)勢(shì)作物，在食品和旅游業(yè)有著舉足輕重的地位。利用2020年7月26日HY-1C衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用非監(jiān)督分類(lèi)開(kāi)展了我省油菜種植現(xiàn)狀定量監(jiān)測(cè)。衛(wèi)星影像顯示，因2020年降雨量充沛，油菜種植較為廣泛，淺山旱地尤為明顯，影像圖中斑塊狀分布的黃綠色油菜花田清晰展現(xiàn)；油菜種植面積以門(mén)源回族自治縣最廣，約1.2萬(wàn)公頃；其次為貴南縣、共和縣、剛察縣、興?？h、互助縣等。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以青海省為研究區(qū)開(kāi)展的湖泊、河流、植被等研究是海陸融合的有效實(shí)踐，擴(kuò)大了國(guó)產(chǎn)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用深度與廣度，也為內(nèi)陸水體動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)找到了新的技術(shù)手段，為其他湖泊研究提供參考與借鑒。后續(xù)可有效支撐青海省自然資源遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)、生態(tài)保護(hù)監(jiān)管及高原山水林田湖草冰沙研究等一系列工作。研究得到如下結(jié)論與下一步建議：

（1）湖泊水位、面積、蓄水量變化反映了流域區(qū)域內(nèi)和全球的氣候變化，對(duì)水資源平衡、生態(tài)環(huán)境多樣性變化、洪澇災(zāi)害預(yù)防、農(nóng)業(yè)灌溉等水資源利用均具有重要的意義。利用國(guó)產(chǎn)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)藍(lán)通道高信噪比，針對(duì)水體設(shè)計(jì)，發(fā)展針對(duì)性的水體自動(dòng)提取算法，實(shí)現(xiàn)湖泊面積常態(tài)化快速監(jiān)測(cè)，結(jié)合雷達(dá)高度計(jì)可開(kāi)展大型湖泊水位持續(xù)監(jiān)測(cè)。

（2）青海湖在封凍初期會(huì)出現(xiàn)反復(fù)封凍—消融情況，采用中高分辨率的HY-1C/D衛(wèi)星傳感器更容易識(shí)別到被風(fēng)吹散的碎冰及不被湖冰完全覆蓋的分散冰，能更準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)湖冰的反復(fù)變化，可作為研究湖冰物候響應(yīng)氣候變化規(guī)律的可靠數(shù)據(jù)源。湖泊封凍—消融過(guò)程與湖泊水深、湖冰厚度的空間分布均密切相關(guān)，僅僅依靠地面觀測(cè)站數(shù)據(jù)無(wú)法滿足全面觀測(cè)需求，在未來(lái)一段時(shí)間可開(kāi)展進(jìn)一步研究：加強(qiáng)湖泊水深、湖冰厚度遙感反演技術(shù)的應(yīng)用，并獲取較為全面的實(shí)測(cè)資料對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，繼而探索湖泊封凍—消融過(guò)程與湖泊水深、湖冰厚度的關(guān)系。并可對(duì)湖泊進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)發(fā)展適用于高原地區(qū)的湖冰預(yù)測(cè)模型，模擬湖冰變化趨勢(shì)，為氣候變化及基礎(chǔ)研究提供參考。

（3）充分利用海洋衛(wèi)星大掃描幅寬、短數(shù)據(jù)獲取周期等優(yōu)勢(shì)為陸地自然資源快速普查與應(yīng)急救災(zāi)提供支撐。

本文僅針對(duì)海洋水色環(huán)境衛(wèi)星星座和海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星星座的少數(shù)傳感器開(kāi)展了初步研究，一方面在針對(duì)以上各類(lèi)均可進(jìn)行深入研究與應(yīng)用的同時(shí)探索其他傳感器在內(nèi)陸的應(yīng)用，一方面將海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)與陸地衛(wèi)星深度融合。海洋衛(wèi)星在內(nèi)陸地區(qū)有廣闊的應(yīng)用前景。