我國海洋衛(wèi)星遙感大數(shù)據(jù)及其應用服務

劉建強，葉小敏，蘭友國

1. 國家衛(wèi)星海洋應用中心，北京 100081；2. 自然資源部空間海洋遙感與應用重點實驗室，北京 100081

0 引言

占地球表面71%的海洋不僅是生命的搖籃，還是資源寶庫和交通要道，是全球氣候變化的調節(jié)器。海洋是四維動態(tài)變化的流動水體，其環(huán)境要素主要包括海面風場、海浪、海流、海表溫度、鹽度、海水深度、海洋水色以及各類時空尺度的動力過程等，覆蓋從厘米到數(shù)千公里的空間尺度和從秒到年的時間尺度。

2002年我國第一顆海洋衛(wèi)星——海洋一號A（HY-1A）衛(wèi)星成功發(fā)射。截至2021年9月，我國已發(fā)射了海洋水色（海洋一號（HY-1）系列）、海洋動力環(huán)境（海洋二號（HY-2）系列）和海洋監(jiān)視監(jiān)測（海洋三號（HY-3）系列）3個系列共10顆海洋衛(wèi)星（含高分三號（GF-3）衛(wèi)星），已初步形成了海洋衛(wèi)星組網(wǎng)業(yè)務化觀測格局。在研的9顆海洋衛(wèi)星將在未來幾年內發(fā)射。海洋衛(wèi)星多種類多數(shù)量組網(wǎng)后，可實現(xiàn)全天候、全球觀測，獲得高頻次、周期性、長期、近實時的全球多尺度多要素海洋信息，且不受地理位置和人為條件限制。衛(wèi)星遙感與現(xiàn)場海洋監(jiān)測手段相結合，取得了過去單純用現(xiàn)場監(jiān)測手段無法替代的重大成果，是認識、研究、開發(fā)、利用海洋不可替代的工具，已成為現(xiàn)代海洋觀測的主導手段之一[1-3]。

本文總結性地介紹我國海洋衛(wèi)星發(fā)展歷程、觀測和產(chǎn)品體系，并在此基礎上分析我國海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)基本特征，介紹海洋衛(wèi)星遙感大數(shù)據(jù)的應用服務。

1 我國海洋系列衛(wèi)星

1.1 衛(wèi)星發(fā)展

依據(jù)海洋衛(wèi)星探測要素的種類以及探測技術能力與特點，我國海洋衛(wèi)星按照海洋水色、海洋動力環(huán)境和海洋監(jiān)視監(jiān)測3個系列進行規(guī)劃發(fā)展。“十二五”和“十三五”期間，我國發(fā)射了2顆海洋水色衛(wèi)星（HY-1C和HY-1D）、2顆海洋動力環(huán)境衛(wèi)星（HY-2B和HY-2C）以及中法海洋衛(wèi)星（CFOSAT）共5顆海洋衛(wèi)星，配置了紫外、可見光、紅外、主被動微波遙感載荷及相關輔助載荷，可快速獲取海面風場、浪場、海面高度場、海表溫度場、海洋水色要素信息以及海島、海岸帶環(huán)境信息，還可獲取南北極冰蓋、海冰、大型江河湖泊水體、陸地植被、森林火災變化等信息，在海洋與陸地自然資源環(huán)境監(jiān)測、自然災害監(jiān)測等領域具有很大的應用潛力，我國已發(fā)射的海洋衛(wèi)星信息見表1。

表1 我國已發(fā)射的海洋衛(wèi)星信息

海洋一號系列衛(wèi)星用于全球海洋水色要素探測、海表溫度探測和海岸帶動態(tài)環(huán)境監(jiān)測，配置有光學遙感載荷，以海洋探測為主，陸海兼顧，載荷具有多種空間分辨率、高信噪比、高動態(tài)范圍和寬刈幅等優(yōu)點。HY-1A和HY-1B衛(wèi)星均配置了海洋水色水溫掃描儀、海岸帶成像儀（coastal zone imager，CZI），而HY-1C和HY-1D衛(wèi)星均配置了水色水溫掃描儀（Chinese ocean color and temperature scanner，COCTS）、海岸帶成像儀（coastal zone imager，CZI）、紫外成像儀（ultra-violet imager, UVI）、定標光譜儀（satellite calibration spectrometer，SCS）和船舶自動識別系統(tǒng)（automatic identification system，AIS）。這4顆海洋一號衛(wèi)星均已發(fā)射。

海洋二號系列衛(wèi)星用于全球海面風場、有效波高、海面高度、海表溫度等多種海洋動力環(huán)境參數(shù)的全天候監(jiān)測，直接為災害性海況預警預報提供近實時遙感觀測數(shù)據(jù)，為海洋防災減災、海洋權益維護、海洋資源開發(fā)、海洋環(huán)境保護、海洋科學研究以及國防建設等提供支撐服務，其有效載荷為雷達高度計、微波散射計、掃描微波輻射計、校正輻射計等。HY-2A、HY-2B、HY-2C和HY-2D均已發(fā)射。

海洋三號系列衛(wèi)星用于全球海洋和陸地信息的全天候監(jiān)視監(jiān)測，載荷為合成孔徑雷達，它可通過左右姿態(tài)機動提升快速響應能力、擴大對地觀測范圍，獲取的C頻段多極化合成孔徑雷達圖像可以用于海洋、減災、水利及氣象等多個領域，是我國實施海洋開發(fā)、進行陸地環(huán)境資源監(jiān)測和應急防災減災的重要技術支撐。GF-3衛(wèi)星已成功發(fā)射。

中法海洋衛(wèi)星為中國和法國的國際合作科研試驗衛(wèi)星，其主要任務是獲取全球海面波浪譜、海面風場、南北極海冰等信息，進一步加強對海洋動力環(huán)境變化規(guī)律的科學認知；提高對巨浪、海洋熱帶風暴、風暴潮等災害性海況預報的精度與時效；同時獲取極地冰蓋相關數(shù)據(jù)，為全球氣候變化研究提供基礎信息。該衛(wèi)星由中國提供散射計，法國提供波譜儀，雙方各自建立地面系統(tǒng)，但進行數(shù)據(jù)共享，充分體現(xiàn)了共商共建共享的特點以及創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享五大發(fā)展理念，CFOSAT的有效載荷包括扇形波束散射計和海浪波譜儀。

在“十三五”期間建設的海洋觀測衛(wèi)星共有3個系列9顆衛(wèi)星，包括7顆業(yè)務星，2顆科研星。按照《國家民用空間基礎設施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025年）》，海洋水色衛(wèi)星星座將保持2顆衛(wèi)星同時在軌，海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座將保持1顆極軌海洋動力環(huán)境衛(wèi)星和2顆傾斜軌道海洋動力環(huán)境衛(wèi)星同時在軌，海洋監(jiān)視監(jiān)測衛(wèi)星將保持3顆衛(wèi)星同時在軌。“十三五”規(guī)劃建設的海洋衛(wèi)星信息見表2。

表2 “十三五”規(guī)劃建設的海洋衛(wèi)星信息

1.2 海洋衛(wèi)星主要載荷

1.2.1 海洋一號衛(wèi)星

海洋一號衛(wèi)星有效載荷配置COCTS、CZI、UVI、SCS和一套AIS。載荷的具體用途與主要技術指標如下。

● COCTS：主要用于探測海洋水色要素（葉綠素a濃度、懸浮泥沙濃度和可溶性有機物等）和海表溫度場等。通過連續(xù)獲取長時序的我國近海及全球海洋水色要素和海表溫度信息，研究和掌握海洋初級生產(chǎn)力分布、海洋漁業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)資源狀況和環(huán)境質量等，為海洋生物資源合理開發(fā)與利用提供科學依據(jù)；為全球氣候變化研究、海洋在全球二氧化碳循環(huán)中的作用及厄爾尼諾現(xiàn)象探測提供海洋水色和海表溫度信息。COCTS幅寬≥2900 km；星下點地面像元分辨率（ground sample distance，GSD）≤1100 m；單星可實現(xiàn)可見光波段的一天一次全球覆蓋觀測，熱紅外波段的一天兩次全球覆蓋觀測。COCTS通道與應用對象見表3。

表3 COCTS通道與應用對象

● UVI：主要用于提高COCTS近岸高渾濁水體大氣校正精度。UVI通道與應用對象見表4。

表4 UVI通道與應用對象

● CZI：主要用于獲取海陸交互作用區(qū)域的實時信息進行海岸帶監(jiān)測；了解重點河口港灣的懸浮泥沙分布規(guī)律；并對海冰、赤潮、綠潮、污染物等海洋及大型江河湖泊環(huán)境災害進行實時監(jiān)測和預警。CZI幅寬≥950 km；GSD≤50 m；單星對中國海岸帶及關注區(qū)域可實現(xiàn)三天一次全覆蓋觀測，CZI工作于可見光波段，境外存儲容量為39 min。CZI通道與應用對象見表5。

表5 CZI通道與應用對象

● SCS：為COCTS的8個可見光、近紅外波段和UVI的2個紫外波段提供星上同步校準功能，監(jiān)測水色水溫掃描儀的可見光、近紅外波段和紫外成像儀在軌輻射穩(wěn)定性?？梢姽狻⒔t外波段具備400～900 nm范圍內5 nm帶寬連續(xù)光譜數(shù)據(jù)下傳的能力。SCS具有在軌太陽定標的能力，覆蓋UVI的2個紫外波段及COCTS的8個可見光、近紅外波段。

● AIS：主要用于獲取大洋船舶位置及其屬性信息，為海洋防災減災、海上權益維護和大洋漁業(yè)生產(chǎn)活動等提供數(shù)據(jù)服務，可監(jiān)測幅寬≥3000 km。

CFOSAT裝載了SWIM、CSCAT兩個全新載荷。SWIM是國際上首次采用六波束真實孔徑雷達方式連續(xù)測量全球海面波浪譜的衛(wèi)星遙感載荷，掃描幅寬為180 km。CFOSAT的散射計也是國際上首次采用扇形波束掃描方式測量海洋風場的微波散射計，其刈幅大于1000 km，CFOSAT散射計選用扇形波束天線，可以與海洋波譜儀實現(xiàn)觀測角的互補，對于研究海洋動力環(huán)境作用過程和表面散射特性具有重要意義。CFOSAT的SWIM和CSCAT技術指標分別見表6和表7。

表6 CFOSAT的SWIM技術指標

表7 CFOSAT的CCSCAT技術指標

1.2.3 海洋二號衛(wèi)星

海洋二號衛(wèi)星是海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，集主被動微波遙感器于一體。該衛(wèi)星具有高精度測軌、定軌能力與全天候的全球海洋動力環(huán)境要素探測能力。有效載荷為雷達高度計、微波散射計和掃描微波輻射計等。

● 雷達高度計：用于測量海面高度、有效波高和重力場等參數(shù)，具有外定標工作模式。工作頻率為13.58 GHz、5.25 GHz，脈沖有限足跡優(yōu)于2 km，測距精度優(yōu)于2 cm（海洋星下點），具有海陸觀測功能。

● 微波散射計：用于測量海面風矢量場，具有外定標工作模式，工作頻率為13.256 GHz，工作帶寬為1 MHz（1 dB）（即微波散射計能量低至1 dB時，工作寬帶為1 MHz），極化方式為水平（HH）和垂直極化（VV）極化，處理后地面分辨率為25 km，刈幅HH極化優(yōu)于1350 km，VV極化優(yōu)于1700 km，測量精度為0.5 dB，測量范圍為-40～20 dB。

● 掃描微波輻射計：用于測量海表溫度、海面水汽含量、液態(tài)水含量和降雨強度等參數(shù)，其技術指標見表8。

表8 海洋二號衛(wèi)星的掃描微波輻射計技術指標

表9 高分三號衛(wèi)星合成孔徑雷達載荷成像模式和能力

1.2.4 高分三號衛(wèi)星

2.3 導管尖端定位 13例患兒中有1例經(jīng)右側顳淺靜脈置管后進入右上肢頭靜脈，經(jīng)調管后仍未到達上腔靜脈，予以拔管，經(jīng)左側顳淺靜脈重新置管后到達上腔靜脈。1例走至頸外靜脈，經(jīng)重新調管后進入上腔靜脈。其余11例均送至上腔靜脈。

GF-3衛(wèi)星配置了C頻段多極化合成孔徑雷達，具有聚束、條帶、掃描、波模式等12種成像模式，分辨率達到1～500 m，幅寬達到10～650 km。工作頻段為C波段（5.4 GHz），常規(guī)入射角為20°～50°，擴展入射角為10°～20°或50°～60°。高分三號衛(wèi)星合成孔徑雷達載荷成像模式和能力見表9。

1.3 海洋衛(wèi)星產(chǎn)品體系

我國海洋衛(wèi)星產(chǎn)品體系按衛(wèi)星載荷及產(chǎn)品制作流程分為原始數(shù)據(jù)、0～4級產(chǎn)品及輔助數(shù)據(jù)，各級產(chǎn)品按軌道生成，使用時需要投影轉換。衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)主要是為衛(wèi)星輻射定標和真實性檢驗、精密定軌、質量檢驗分析、數(shù)據(jù)處理等提供的，主要包括亮度溫度數(shù)據(jù)、海面風場數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、海表溫度數(shù)據(jù)、海冰掩膜數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、預報星歷數(shù)據(jù)、遙測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星星歷文件、衛(wèi)星鐘差文件、地球定向參數(shù)文件、地面信標站參考框架文件、大氣參數(shù)文件、定標數(shù)據(jù)、有效波高、海陸標識文件、臭氧數(shù)據(jù)、浮標數(shù)據(jù)、全球探空數(shù)據(jù)、網(wǎng)格化數(shù)據(jù)、海冰標識文件、查找表、衛(wèi)星信息文件、地球空間環(huán)境數(shù)據(jù)文件等。我國海洋衛(wèi)星主要海洋要素觀測產(chǎn)品見表10。

表10 我國海洋衛(wèi)星主要海洋要素觀測產(chǎn)品

1.4 海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取與分發(fā)

我國海洋衛(wèi)星接收系統(tǒng)在北京市、海南省（三亞市、陵水黎族自治縣）、牡丹江市及雪龍?zhí)枠O地考察船上設有海洋衛(wèi)星地面接收站[4]，可實時接收過境衛(wèi)星數(shù)據(jù)和延遲接收全球其他地區(qū)的觀測數(shù)據(jù)。未來將在南極建立海洋衛(wèi)星地面接收站，以提高傳輸海洋衛(wèi)星實時數(shù)據(jù)和境外回放數(shù)據(jù)時效。我國還建有海洋光學定標場和萬山定標場，定標場網(wǎng)獲取的海上現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)均由海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理中心負責處理、存檔和分發(fā)。

國家衛(wèi)星海洋應用中心負責我國海洋衛(wèi)星星地一體化運行管理。海洋系列衛(wèi)星星地系統(tǒng)業(yè)務化運行鏈條完整，產(chǎn)品時效高。以2020年為例。2020年各站共接收海洋系列衛(wèi)星（HY-1C/D衛(wèi)星、HY-2A/B/C衛(wèi)星、中法海洋衛(wèi)星）數(shù)據(jù)17802 軌，高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)1615軌，EOS-MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)8714軌；數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)共向1637位用戶分發(fā)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)1499749軌，數(shù)據(jù)量為275.92 TB；國家衛(wèi)星海洋應用中心數(shù)據(jù)中心作為高分節(jié)點共向126家單位分發(fā)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)59495景，數(shù)據(jù)量為103.73 TB；海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享服務平臺共向各部委直屬事業(yè)單位、地方政府部門等19家單位推送各類衛(wèi)星數(shù)據(jù)文件124.26萬個，共計275.5 TB，其中推送海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)143.3 TB。

2 海洋衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)特征分析

大數(shù)據(jù)從5個維度體現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)體量、數(shù)據(jù)種類、數(shù)據(jù)增長速度與時效、數(shù)據(jù)價值和數(shù)據(jù)真實性[5-6]。隨著國家空間基礎設施的建設以及航天技術和海洋遙感的迅猛發(fā)展，我國海洋衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)已具備了大數(shù)據(jù)的多項基本特征。

2.1 數(shù)據(jù)體量

自2002年我國第一顆海洋衛(wèi)星HY-1A發(fā)射以來，截至2021年9月我國已發(fā)射了10顆海洋衛(wèi)星，其中2018—2021年先后發(fā)射了HY-1C、HY-2B、CFOSAT、HY-1D、HY-2C、HY-2D共6顆衛(wèi)星。與HY-1A/B、HY-2A衛(wèi)星相比，這6顆衛(wèi)星的空間分辨率與量化等級更高，光譜通道更多，掃描幅寬更大，產(chǎn)品級別更豐富，每天工作時間更長，有的載荷每天24 h連續(xù)工作，壽命也由原來的2～3年變?yōu)?～8年。實際上，HY-1B衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行了8年10個月，超期服役5年10個月，在軌期間共成像19233軌，地面應用系統(tǒng)共獲取衛(wèi)星采集的原始數(shù)據(jù)8.84 TB，生產(chǎn)各級各類數(shù)據(jù)產(chǎn)品65.5 TB。HY-1B衛(wèi)星資料和產(chǎn)品已向海洋管理部門、科研院所、大專院校、業(yè)務部門共50家國內外單位進行了分發(fā)應用，累計分發(fā)數(shù)據(jù)量達86.57 TB。其后續(xù)業(yè)務衛(wèi)星HY-1C的各級數(shù)據(jù)產(chǎn)品日增量超過3 TB，在2年9個月的在軌時間里就已經(jīng)累計生產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)2749076景，累計存檔2.549 PB，僅2020年HY-1C衛(wèi)星數(shù)據(jù)累計分發(fā)224.3 TB，海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲量與分發(fā)量呈指數(shù)級增長。

2.2 數(shù)據(jù)種類

“十三五”海洋觀測衛(wèi)星建設完成后，我國將建成海洋水色衛(wèi)星、海洋動力環(huán)境衛(wèi)星和海洋監(jiān)視監(jiān)測衛(wèi)星3個系列衛(wèi)星星座，在軌衛(wèi)星將達十余顆，衛(wèi)星軌道有太陽同步軌道、傾斜軌道，衛(wèi)星主載荷包括COCTS、CZI、UVI、中分辨率可編程成像光譜儀（moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS）、雷達高度計、微波散射計、掃描微波輻射計、校正微波輻射計、SWIM、鹽度計和SAR及輔助載荷等20多個載荷。遙感要素包括葉綠素a濃度、懸浮物濃度、海水透明度、海表溫度、海面風場、有效波高、海面高度、海面流場、大氣水汽含量、云液水含量等。數(shù)據(jù)產(chǎn)品級別包括0到4級。無論從衛(wèi)星種類、載荷種類還是產(chǎn)品種類與級別等維度來看，我國海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品均具有豐富的多樣性。

2.3 數(shù)據(jù)時效

隨著多種衛(wèi)星組網(wǎng)運行以及海洋衛(wèi)星地面系統(tǒng)建設完成，我國海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)探測計劃實現(xiàn)自主可控，探測計劃制定和數(shù)據(jù)獲取的時效提高，數(shù)據(jù)處理能力和分發(fā)服務能力不斷提高。隨著芬蘭衛(wèi)星地面接收站的投入運行以及未來南極海洋衛(wèi)星地面接收站建成，海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取時效將大幅提高，實時接收的區(qū)域產(chǎn)品將在接收結束后0.5 h內生產(chǎn)完成，目前全球數(shù)據(jù)在6 h內完成生產(chǎn)，如HY-2系列衛(wèi)星的全球數(shù)據(jù)生產(chǎn)時效（從觀測到L2B級產(chǎn)品）和分發(fā)時效（從觀測到可分發(fā)系統(tǒng)查詢）基本為6 h以內。

2.4 數(shù)據(jù)價值

我國海洋衛(wèi)星實現(xiàn)了從試驗星到業(yè)務星的跨越，其應用服務能力也實現(xiàn)了從應用示范到業(yè)務化應用的轉變，海洋水色衛(wèi)星、海洋動力環(huán)境衛(wèi)星和海洋監(jiān)視監(jiān)測衛(wèi)星3個系列星地一體業(yè)務化運行，獲取的數(shù)據(jù)與產(chǎn)品是高價值的信息資產(chǎn)并被不斷重復使用，3個系列衛(wèi)星星地一體的業(yè)務化運行是海洋調查與監(jiān)測的有力、有效手段。通過數(shù)據(jù)分析研究發(fā)現(xiàn)，很多海洋現(xiàn)象的變化過程與規(guī)律已經(jīng)在海洋環(huán)境與資源監(jiān)測、海洋災害監(jiān)測、海洋權益維護、海洋環(huán)境預報與南北極考察、安全保障以及全球氣候變化研究中發(fā)揮了重要作用[7-14]。

2.5 數(shù)據(jù)真實性

衛(wèi) 星探測能全面、客觀、真實地獲得海洋與陸地表面特性，通過空間基礎設施建設、在軌測試與海上定標檢驗，海洋衛(wèi)星多種產(chǎn)品的精度得到驗證，其時空分辨率和輻射精度得到了極大的提升。將海洋水色產(chǎn)品和海洋動力要素產(chǎn)品進行海上現(xiàn)場觀測檢驗并與國外同類衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行交叉比對發(fā)現(xiàn)，其達到國際先進水平。以HY-2B衛(wèi)星遙感產(chǎn)品為例，微波散射計的海面風速產(chǎn)品精度優(yōu)于1.5 m/s、海面風向產(chǎn)品精度優(yōu)于20°，掃描微波輻射計的海面溫度產(chǎn)品精度優(yōu)于1℃。圖1為HY-2B衛(wèi)星微波散射計海面風場產(chǎn)品的檢驗精度結果。

圖1 HY-2B衛(wèi)星微波散射計海面風場產(chǎn)品的檢驗精度結果

3 海洋衛(wèi)星大數(shù)據(jù)應用服務

自20 世紀末開始，我國開始發(fā)展海洋衛(wèi)星，目前3個系列的海洋衛(wèi)星體系已基本建成；載荷種類與衛(wèi)星型譜日益豐富；由北京市、海南省、牡丹江市、杭州市、船載移動站、海外站構成的地面站接收網(wǎng)布局基本完成；定標檢驗場網(wǎng)初步確立；從衛(wèi)星探測規(guī)劃控制、數(shù)據(jù)多站接力實時接收、數(shù)據(jù)快速傳輸、標準基礎產(chǎn)品制作、數(shù)據(jù)定標與產(chǎn)品真實性檢驗到產(chǎn)品存檔分發(fā)全過程自主控制，生產(chǎn)鏈條完整，海洋衛(wèi)星星地一體業(yè)務化運行體系日趨完善，完成了從試驗型向業(yè)務型的轉變。我國海洋系列衛(wèi)星獲取了紫外、可見光、近紅外、熱紅外、主被動微波遙感載荷及AIS、DCS、GPS等輔助載荷的海量探測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)覆蓋全球，空間分辨率為1 m～50 km，時間分辨率為1～3天，形成了多要素海洋遙感數(shù)據(jù)集。海洋衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在海洋動力環(huán)境、海洋生態(tài)環(huán)境、南北極環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用，同時在海島海岸帶、水體、極地遙感等專項調查以及公眾服務中成效顯著[7-13]。海洋衛(wèi)星遙感應用的廣度與深度不斷擴展，海洋遙感應用將迎來大數(shù)據(jù)時代。海洋衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)是智慧海洋、數(shù)字海洋、透明海洋、數(shù)字中國構建與海洋強國建設的重要數(shù)據(jù)支撐。

3.1 海洋衛(wèi)星遙感基礎數(shù)據(jù)集

我國各 類海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)量已達4.35 PB，其中HY-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)量為10 TB，HY-1B衛(wèi)星數(shù)據(jù)量為50 TB，HY-1C衛(wèi)星數(shù)據(jù)量為2823 TB，HY-1D衛(wèi)星數(shù)據(jù)量為923 TB，HY-2A衛(wèi)星數(shù)據(jù)量為11 TB，HY-2B衛(wèi)星數(shù)據(jù)量為46 TB，HY-2C衛(wèi)星數(shù)據(jù)量為5 TB，CFOSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)量為78 TB，GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)量為507 TB。數(shù)據(jù)按載荷或要素形成不同級別的產(chǎn)品（沿軌產(chǎn)品、區(qū)域產(chǎn)品以及全球產(chǎn)品）。各類產(chǎn)品按時間周期形成日平均、月平均、季節(jié)平均數(shù)據(jù)集后歸檔。上述歸檔歷史數(shù)據(jù)經(jīng)再定標處理后，重新獲取海洋水色要素產(chǎn)品、海表溫度產(chǎn)品、海洋動力環(huán)境要素產(chǎn)品的再定標數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集可為涉海部門提供大數(shù)據(jù)支撐，為后續(xù)研究打下基礎。

目前，相關部門每天獲取各級數(shù)據(jù)7 TB，分發(fā)數(shù)據(jù)3.3 TB，用戶數(shù)為2052個，且逐年上升；專項服務通過專線進行推送，普通用戶通過訂單網(wǎng)絡進行下載，用戶包括311個業(yè)務部門、393個科研院所、1172個高等院校、177個其他單位。

3.2 海洋衛(wèi)星在災害與環(huán)境監(jiān)測中的應用

我國海 洋衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在風暴潮、海冰、大洋和極地的環(huán)境與航行保障、海洋生態(tài)以及陸地等領域具有巨大的應用價值[7-14]。

（1）風暴潮監(jiān)測

海洋衛(wèi)星是風暴潮監(jiān)測的利器。臺風海面風場和云系結構分別可由海洋二號系列衛(wèi)星微波載荷和海洋一號系列衛(wèi)星可見光、紅外、紫外云圖獲得。自海洋二號衛(wèi)星發(fā)射以來，影響我國的各個臺風的生成、增強、消亡過程均能被海洋衛(wèi)星監(jiān)測到。每個臺風的海面風場及其變化過程均可通過多星協(xié)同觀測獲取。利用HY-2A/2B/2C和CFOSAT以及Metop-A/B/C衛(wèi)星上的散射計獲得的數(shù)據(jù)已實現(xiàn)臺風監(jiān)測的業(yè)務化運行，近實時制作單星單軌和單星全球網(wǎng)格化風場專題產(chǎn)品、全球海面風場融合專題產(chǎn)品以及臺風監(jiān)測專題產(chǎn)品，并進行業(yè)務化分發(fā)。臺風監(jiān)測專題圖信息包括海面風場、臺風半徑、風暴中心位置和強度等。通過分析時序數(shù)據(jù)可得到臺風移動軌跡。在進行臺風業(yè)務化監(jiān)測的同時，海洋二號系列衛(wèi)星雷達高度計、微波輻射計載荷的海面風速產(chǎn)品，以及GF-3衛(wèi)星的合成孔徑雷達海面風場產(chǎn)品也可作為輔助產(chǎn)品進行臺風監(jiān)測。利用HY-1A/B/C/D衛(wèi)星的COCTS、UVI數(shù)據(jù)制作臺風云圖，可分析臺風云系結構及變化，為風暴潮預報提供準確的信息服務。

（2）海冰監(jiān)測

每年11月下旬到第二年3月底，渤海、黃海北部有不同程度的結冰，嚴重的海冰可影響海上交通運輸和海上工程作業(yè)，危及海上石油平臺安全。利用HY-1A/B/C/D衛(wèi)星海岸帶成像儀數(shù)據(jù)、地球觀測系統(tǒng)（earth observation system，EOS）/MODIS可見光數(shù)據(jù)、GF-3衛(wèi)星及國外衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)等多顆衛(wèi)星的資料，相關部門開展了業(yè)務化海冰監(jiān)測，多顆衛(wèi)星在空間、時間以及探測手段方面優(yōu)勢互補，20多年來連續(xù)完成了對渤海及黃海北部的冬季海冰冰情每天多次監(jiān)測。自HY-1C/D衛(wèi)星組網(wǎng)后，50 m空間分辨率海岸帶成像儀的數(shù)據(jù)成像幅寬增大，雙星組網(wǎng)實現(xiàn)至少三天兩次對渤海海冰的監(jiān)測，獲取數(shù)據(jù)時效提高。再加上GF-3衛(wèi)星SAR載荷補充，實現(xiàn)了可見光與SAR協(xié)同，得到的信息更豐富，深受用戶歡迎，為海洋工程以及海冰預報提供了有力支撐。

（3）極地遙感監(jiān)測與航行保障

基于HY-1C/D衛(wèi)星海岸帶成像儀數(shù)據(jù)開展南極地區(qū)衛(wèi)星遙感影像鑲嵌，形成了50 m分辨率的HY-1C南極衛(wèi)星影像鑲嵌圖，為南極地理基礎資料更新提供了新的數(shù)據(jù)源。利用海岸帶成像儀成功監(jiān)測到2018年西南極松島冰川崩解、2019年東南極埃默里冰架崩解、2021年布倫特冰架裂縫及崩解、2021年南極埃里伯斯火山噴發(fā)等場景。在多次南北極科考期間，針對雪龍?zhí)枠O地考察船冰區(qū)應急航行需求，利用HY-1、HY-2衛(wèi)星開展了冰情應急監(jiān)測，利用雪龍?zhí)柎d遙感接收系統(tǒng)實時接收、處理海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)并制作專題圖，為建設“冰上絲綢之路”和“雪龍?zhí)綐O”重大工程提供了保障服務。

（4）海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

陸源污染排放、海上生產(chǎn)經(jīng)營活動、石油開采與交通運輸?shù)葧е潞Ｉ仙鷳B(tài)環(huán)境發(fā)生變化，有的會危及海上生態(tài)安全。其造成的影響可被我國多顆海洋衛(wèi)星連續(xù)觀測到。

赤潮是我國近海頻發(fā)的一種海洋生態(tài)系統(tǒng)異常現(xiàn)象，海洋中的浮游生物急劇繁殖造成海水呈現(xiàn)黃色、綠色、褐色、紅色等不同顏色。近年來相關部門利用HY-1C和HY-1D衛(wèi)星監(jiān)測到了我國渤海、黃海、東海、南海的多次赤潮事件，獲得了其位置、影響范圍等重要信息。

自從2008年青島海域滸苔爆發(fā)以來，滸苔監(jiān)測成為一項業(yè)務化監(jiān)測工作。相關部門利用HY-1A/B/C/D、EOS/MODIS以及高分系列衛(wèi)星等多種衛(wèi)星資料提取黃海和東海滸苔信息，每天制作和發(fā)布綠潮衛(wèi)星遙感監(jiān)測報告，實現(xiàn)了綠潮災害早期發(fā)現(xiàn)和全過程跟蹤監(jiān)測，為綠潮漂移路徑預測和防災減災提供了準確及時的信息服務。

溢油污染對海洋環(huán)境、海洋生態(tài)及人類經(jīng)濟生活均可產(chǎn)生極大的危害，海洋溢油能被微波雷達、可見光、近紅外、熱紅外和紫外等不同遙感器探測到。相關部門利用HY-1C、HY-1D以及GF-3衛(wèi)星對渤海、南海、東海的多次溢油事件進行了監(jiān)測，效果顯著。

此外，相關部門利用海洋一號衛(wèi)星對廣西山口國家級紅樹林生態(tài)自然保護區(qū)的紅樹林分布范圍等信息進行提取，制作了廣西山口國家級紅樹林生態(tài)自然保護區(qū)紅樹林分布范圍專題圖。

（5）非海洋應用

● 水環(huán)境與水資源監(jiān)測：HY-1C/D衛(wèi)星自運行以來，對我國陸地上的大江大河每年有10～100多次有效覆蓋，可得到水體枯水期、豐水期的水體面積和出現(xiàn)時間，同時可監(jiān)測到湖泊的水體生態(tài)環(huán)境變化，如太湖、巢湖、滇池、洱海等內陸湖泊水華，還可監(jiān)測到山岳冰川分布和變化過程。

● 洪澇災情監(jiān)測：海洋一號衛(wèi)星載荷是針對水體設計的，掃描幅寬大，重訪周期短；GF-3衛(wèi)星全天候監(jiān)測；國家衛(wèi)星海洋應用中心利用光學和SAR載荷與省級衛(wèi)星數(shù)據(jù)應用部門聯(lián)合開展應用，汛期時間序列的衛(wèi)星遙感專題圖已為江西、安徽、湖北、湖南、陜西、甘肅、江蘇、四川、黑龍江等省份的汛期防災救災與災后重建提供了有力的信息服務支撐。

● 森林火災監(jiān)測：利用HY-1C/D衛(wèi)星重訪周期短以及海岸帶成像儀高信噪比的優(yōu)勢，相關部門已對青島、山西、廣東、四川、云南、江西、北京等多地發(fā)生的森林火災進行了有效監(jiān)測分析，利用災前、災中、災后多時次圖像植被變化和煙霧方向分析得到火情專題圖，并在第一時間向應急管理部門及有關省份的前方指揮部推送，為應急救災提供了有效有力的服務。

3.3 公眾服務

國家衛(wèi)星海洋應用中心于2020年推出了“海洋衛(wèi)星遙感實況”微信小程序。該小程序向公眾提供海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務，可隨時隨地獲取全球任何海域的CFOSAT、HY-2系列衛(wèi)星及Metop-A/B衛(wèi)星單星海面風場產(chǎn)品以及多星融合的海面風場產(chǎn)品，查詢指定海域的臺風或氣旋分布情況及其最近7天的變化過程。公眾、涉海企業(yè)及政府部門通過該小程序可方便快捷地得到其特定關注區(qū)域的海上實況。小程序運行一年多來，查看產(chǎn)品的用戶約9萬個。

4 海洋衛(wèi)星大數(shù)據(jù)管理和應用面臨的問題和挑戰(zhàn)

海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)應用中的首要問題是數(shù)據(jù)獲取時間太長。如HY-1C/D衛(wèi)星的CZI L1C產(chǎn)品一景數(shù)據(jù)為4 GB，白天用戶多，通信帶寬受限，數(shù)據(jù)獲取時間有時很長。解決辦法一是先將用戶不關心的區(qū)域或通道剔除，使數(shù)據(jù)量小一點；二是將用戶的算法部署到處理中心運行，直接獲取結果數(shù)據(jù)，減少中間傳輸時間；三是改變數(shù)據(jù)格式，確定數(shù)據(jù)取值范圍后，將所有數(shù)據(jù)減去基數(shù)（即最小值）后重新編碼，減少文件字節(jié)數(shù)，計算時再增加基數(shù)。

其次是缺乏多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)的關聯(lián)模型。由于獲取的數(shù)據(jù)的空間分辨率、時間分辨率、評價準則不同，誤差與精度不一，融合使用時已經(jīng)是數(shù)據(jù)產(chǎn)品，還需要建立關聯(lián)模型將數(shù)據(jù)歸一化。

最后是缺乏分析展示海洋多要素信息特征的工具軟件。海洋要素涉及海面風場、海浪、海表流程、潮流、海表溫度、海水密度和海洋水色等，缺乏直觀展示其產(chǎn)品的標準規(guī)范，同時還缺少多要素關聯(lián)展示及相互影響分析、隨時間同步互動變化的多維空間展示分析工具。

5 結束語

我國海 洋衛(wèi)星體系已基本建成，星-地系統(tǒng)進入業(yè)務化運行階段。多載荷、多時空分辨率遙感影像數(shù)據(jù)和要素產(chǎn)品的數(shù)據(jù)量激增，完全具備了大數(shù)據(jù)的5項基本特征，海洋衛(wèi)星遙感迎來了大數(shù)據(jù)時代。

海洋衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)挖掘、不同時空尺度數(shù)據(jù)融合、多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)可視化表達、大數(shù)據(jù)抽取與截取、大數(shù)據(jù)傳輸以及遙感數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)的同化融合、海洋衛(wèi)星的非海洋應用等還有待進一步拓展和深入研究、實踐。