海洋论坛▏中国海洋遥感技术进展
地球表面有2/3以上的面积是海洋，这些区域不仅是物种生存的空间、资源的提供者，更对军事、经济、政治和交通有很大影响。在采用传统方法研究海洋时，若没有较为宏观的角度作为补充，很容易以偏概全，而利用海洋遥感技术可获取海洋的整体情况，速度快、范围广，能提供更多的实时信息给相关研究人员参考。采用海洋遥感技术得到海量的波浪、温度、海冰及风力等海洋环境数据，可增进对船舶与海洋工程学科的研究，为船舶制造装备和海洋工程装备的设计提供大量输入数据，因此发展海洋遥感技术尤为重要。
一、海洋遥感卫星发展
近年来，我国海洋卫星应用研究工作稳步推进。2002年5月15日，我国第一颗海洋水色卫星“海洋一号A”（HY-1A）顺利升空，实现了我国海洋卫星零的突破，完成了对海洋水色、水温的探测试验验证任务，该卫星于2004年4月停止工作；2007年4月11日，我国第二颗海洋水色卫星“海洋一号B”（HY-1B）发射升空，使海洋水色卫星从试验应用过渡到业务服务，目前该卫星已超设计寿命仍在轨运行；2011年8月16日，我国第一颗海洋动力环境卫星“海洋二号A”（HY2A）发射升空，其主要技术指标均达到国际先进水平，填补了我国对海洋动力环境要素进行实时获取的空白，目前该卫星仍在轨运行。2个系列3颗海洋遥感卫星总体技术特性见表1～表3。
表1 HY-1A卫星总体技术特性
参数 | 技术特性 | ||
轨道类型 | 准太阳同步轨道 | ||
轨道高度/km | 798 | ||
倾角/(°) | 98.8 | ||
降交点地方时 | 08:53～10:10 | ||
轨道周期/min | 100.8 | ||
重复观测周期 | 四波段CCD成像仪为7d，十波段海洋水色扫描仪为3d | ||
质量/kg | 368 | ||
姿态控制 | 三轴稳定 | ||
测控 | 统一S频段 | ||
数传系统 | X频段下行 | ||
数传码速率/(Mbit/s) | 5.3232 | ||
星上存储量/MB | 80 | ||
设计寿命/a | 2 | ||
遥感器 | 十波段海洋水色扫描仪(COCTS) | 星下点地面分辨率/m | 1100 |
每行像元数 | 1024 | ||
量化级数/bit | 10 | ||
辐射精度 | 可见光：10% | ||
四波段CCD成像仪 | 星下点地面分辨率/m | 250 | |
每行像元数 | 2048 | ||
偏振度 | ≤5% |
表2 HY-2A卫星总体技术特性
参数 | 技术特性 | ||
轨道类型 | 准太阳同步轨道 | ||
轨道高度/km | 798 | ||
倾角/(°) | 98.8 | ||
降交点地方时 | 10:30±30min | ||
轨道周期/min | 100.83 | ||
覆盖周期 | 海岸带成像仪为7d，海洋水色扫描仪为1d | ||
质量/kg | 442.5 | ||
姿态控制 | 三轴稳定，对地定向 | ||
数据下行频率 | X频段 | ||
下行码速率/(Mbit/s) | 6.654 | ||
设计寿命/a | 3 | ||
遥感器 | 十波段海洋水色扫描仪 | 星下点像元地面分辨率/m | ≤1 |
每行像元数 | 1 | ||
量化级数/bit | 10 | ||
辐射精度 | 可见光：10%；红外：±1 | ||
四波段海岸带成像仪 | 星下点地面分辨率/m | 250 | |
每行像元数 | 2 | ||
波段中心波长偏移/nm | ≤2 | ||
量化等级/bit | 102 |
表3 HY-1B卫星总体技术特性
参数 | 技术特性 | ||
轨道类型 | 准太阳同步轨道 | ||
轨道高度/km | 寿命前期971，寿命后期973 | ||
倾角/(°) | 99.34 | ||
轨道周期/min | 寿命前期104.46，寿命后期104.50 | ||
降交点地方时 | 06:00 | ||
回归轨道重复周期/d | 寿命前期14，寿命后期168 | ||
卫星尺寸/(m×m×m) | 8.56×4.55×3.185 | ||
质量/kg | ≤1 | ||
三轴指向精度/(°) | ＜0.1 | ||
姿态稳定度/((°)/s) | ＜0.003 | ||
测量精度/(°) | ＜0.03 | ||
卫星输出功率/W | 1 | ||
数据下行频率 | X频段 | ||
下行码速率/(Mbit/s) | 20 | ||
星上存储记录器容量/Gbits | 120 | ||
设计寿命/a | 3 | ||
遥感器 | 雷达高度计 | 工作频率/GHz | 13.58，5.25 |
脉冲有限足迹/km | ≤2 | ||
测高精度/cm | ≤4 | ||
有效波高测量范围/m | 0.5～20.0 | ||
微波散射计 | 工作频率/GHz | 13.256 | |
风速测量精度/(m/s) | 2 | ||
风速测量范围/(m/s) | 2～24 | ||
风向测量精度/(°) | 20 | ||
扫描微波辐射计 | 工作频率/GHz | 6.6～37 | |
动态范围 | 3～350K | ||
定标精度 | 1.0K | ||
校正微波辐射计 | 工作频率/GHz | 18.7～37.0 | |
动态范围 | 3～300K | ||
定标精度 | 1.0K |
2016年8月10日，我国成功发射了“高分三号”（GF-3）卫星，主要用于海洋监视监测，2017年1月底正式投入使用，目前已成功获取超过10万景的多极化海洋和陆地SAR影像。GF-3是一颗依靠微波雷达成像的遥感卫星，拥有时间上连续不断的成像模式，其综合性能指标已超过国际上其他同类卫星，例如：GF-3拥有12种成像模式，用来满足不同用户的不同需求；GF-3是全球成像模式最多的SAR卫星，其提供的影像既可选择1m分辨率，也可选择10m量级或100m量级分辨率。GF-3的在轨设计寿命为8a，远高于以前卫星3～5a的寿命，同时也领先于国际上其他遥感卫星6～7.5a的寿命。“海洋三号”卫星采用了“高分三号”卫星的相关技术，搭载的主要遥感载荷是合成孔径雷达（SAR），该雷达是一种主动式微波遥感仪器，通过先发射微波波束再接收来自海面的后向散射回波来获取海面信息。
目前，我国海洋遥感卫星三大体系已初步形成，包括海洋水色卫星、海洋监视监测卫星和海洋动力环境卫星。此外，中法海洋遥感卫星（CFOSAT）已进入研制阶段，并定于2018年发射。CFOSAT卫星是由我国和法国联合研制的海洋动力环境观测卫星，主要用于研究海洋波浪和风场的相互作用。CFOSAT卫星包括2个微波遥感有效载荷：一个是我国研制的微波散射计（SCAT），用于测量海洋表面风场；另一个是法国航天局（CNES）研制的雷达波谱仪（SWIM），用于测量海洋波浪方向谱。SCAT是CFOSAT卫星中我国研制的唯一有效载荷，是国际上第一个使用扇形波束扫描体制的海洋风场测量散射计。卫星投入使用之后，将大大增强我国海洋环境预报水平，提高我国对海洋气候多变性的认识。
二、海洋遥感应用情况
通过参考国内外其他遥感卫星获取的资料并利用我国的海洋遥感数据，开展海冰、溢油、绿潮、赤潮、海温、水色、海洋渔业和风暴潮等方面的应用研究，进一步提高海洋遥感数据的业务化广度和深度，在我国海况预警报、海洋防灾减灾、海洋环境保护和海洋资源开发等领域中产生了积极影响。
⒈ 海洋温度监测
应用HY-1B和MODIS等卫星及HY-2A卫星扫描微波辐射计获取的资料，可绘制出所管辖海域及其周边海域和全世界的每日、每周、每月及每年的平均海表温度云图。海温产品已在海洋渔场环境监测和海温预报领域产生重要作用。图1为2016年12月30日HY-2A卫星扫描微波辐射计原始分辨率海面温度。
图1 2016年12月30日HY-2A卫星扫描微波辐射计原始分辨率海面温度
⒉ 海洋水色监测
结合MODIS卫星数据并应用HY-1B卫星数据，可绘制出中国海和邻近海域的日、月、季叶绿素浓度平均分布等海洋水色资料，提供给渔业部门等有关机构参考。图2为2015年4季度我国及周边海域叶绿素浓度平均分布图。
图2 2015年4季度我国及
周边海域叶绿素浓度平均分布图
⒊ 海冰灾害监测
结合“高分一号”、HY-1B和MODIS等卫星的遥感资料，可对黄海北部及渤海的海冰灾害情况进行业务化监测。图3为2017年1月24日HY-1B卫星遥感影像海冰图。
图3 2017年1月24日HY-1B卫星遥感影像海冰图
⒋ 绿潮灾害监测
绿潮会造成海洋灾难，当大量藻类被洋流带到岸上时，绿潮藻体会因腐烂而散发有毒气体，对沙滩景观产生影响，破坏潮间带生态系统。2016年5～8月，绿潮对我国黄海沿岸海域造成破坏，分布范围达到近5a来的极值。利用HY-1B卫星并结合MODIS及“高分一号”等卫星的资料，可对我国近海绿潮灾害开展业务化监测，为绿潮灾害监测和防灾减灾提供信息服务。图4为2015年全年遥感监测绿潮灾害中心位置图。
图4 2015年全年遥感监测绿潮灾害中心位置图
⒌ 海上溢油监测
利用加拿大Radarsat-2卫星和我国遥感卫星的SAR数据，可对我国的渤海、东海及南海重点海域开展溢油遥感监测，为海洋环境保护和维权执法提供辅助决策支持。图5为2015年昌黎大蒲河河口附近海域溢油遥感监测解译图。
图5 2015年昌黎大蒲河河口附近海域溢油遥感监测解译图
⒍ 海上台风监测
利用MeTop和HY-2A卫星的遥感数据可对西北太平洋范围内的台风中心位置、台风分布范围及热带气旋进行监测，为海洋气象预报及防灾减灾工作提供定量化辅助决策信息。图6为2015年HY-2A卫星观测到的灿鸿台风路径。
图6 2015年HY-2A卫星观测到的灿鸿台风路径
三、遥感技术发展方向
⒈发展海洋实时观测技术
提高海洋遥感全球实时监测技术，做出实时的响应，研发出实时监测的软件，有利于降低海洋灾害对人类的影响。未来海洋遥感技术发展的一个重要方向就是实现实时响应、运算并传输遥感数据到用户终端。我国海洋环境数值预报遥感数据主要通过海外购买获得，因此无法做到应用的实时性。发展海洋遥感实时监测技术有利于加强我国的海洋环境数值预报能力。
⒉ 提高海洋遥感信息提取技术
提高海洋遥感监测的像素分辨率及海量遥感数据运算能力是海洋遥感监测技术面对的重要问题。在我国建成HY-2A卫星地面应用系统之后，海洋遥感数据运算能力已达到国外同行的运算水平。然而，对于新出现的一些载荷，法国、美国等国家在10a前就已开始研究相应的数据处理方法，我国当前仍没有这方面的进展。因此，未来我国既要提高海洋遥感卫星的数据处理能力，又要研究新型载荷的数据处理算法。
⒊ 提高海洋遥感数据应用水平
随着我国及世界其他各地遥感数据越来越多，遥感数据在存储、运算和应用等问题上将面临重要挑战，尤其是系统架构需重点研究。当前相关科研机构须明确未来海洋信息化的发展要求，建设海洋大数据平台，促进遥感大数据共享，为推进国家船舶与海工产业发展做出更大的贡献。
四、结语
目前，我国海洋观测平台的管理模式使得数据共享成了开展海上研究的主要障碍，严重影响着数据价值，建设基于遥感大数据概念的共享平台已成为建设大数据平台的重要一环。现有的海洋数据系统平台已难以满足船舶与海洋工程学科对数据的应用需求。未来大型海洋数据平台的建设需应用新一代互联网技术和云计算开发，建立云环境下的海洋数据库网络和海洋大数据平台，通过海洋大数据收集、储存、运算和分析，促进海洋数据共享，推进船舶与海工产业的建设和发展。
【作者简介】文/刘畅 白强 唐高 绍辉 白勇，分别来自南方科技大学和深圳市欧佩亚海洋工程有限公司；第一作者刘畅，女，工程师，1987年出生，2013年毕业于哈尔滨工程大学船舶与海洋结构物设计制造专业，现从事海洋工程相关工作；文章来自《船舶与海洋工程》（2018年第1期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者与出版社共同拥有。
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