中國海洋遙感技術進展

劉 暢 ，白 強 ，唐 高 ，紹 輝 ，白 勇 ,

（1. 南方科技大學，廣東 深圳 518000；2. 深圳市歐佩亞海洋工程有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

地球表面有2/3以上的面積是海洋，這些區域不僅是物種生存的空間、資源的提供者，更對軍事、經濟、政治和交通有很大影響。在采用傳統方法研究海洋時，若沒有較為宏觀的角度作為補充，很容易以偏概全，而利用海洋遙感技術可獲取海洋的整體情況，速度快、范圍廣，能提供更多的實時信息給相關研究人員參考。采用海洋遙感技術得到海量的波浪、溫度、海冰及風力等海洋環境數據，可增進對船舶與海洋工程學科的研究，為船舶制造裝備和海洋工程裝備的設計提供大量輸入數據，因此發展海洋遙感技術尤為重要[1]。

1 海洋遙感衛星發展

近年來，我國海洋衛星應用研究工作穩步推進。2002年5月15日，我國第一顆海洋水色衛星“海洋一號A”（HY-1A）順利升空，實現了我國海洋衛星零的突破，完成了對海洋水色、水溫的探測試驗驗證任務，該衛星于2004年4月停止工作；2007年4月11日，我國第二顆海洋水色衛星“海洋一號B”（HY-1B）發射升空，使海洋水色衛星從試驗應用過渡到業務服務，目前該衛星已超設計壽命仍在軌運行；2011年8月16日，我國第一顆海洋動力環境衛星“海洋二號A”（HY2A）發射升空，其主要技術指標均達到國際先進水平，填補了我國對海洋動力環境要素進行實時獲取的空白，目前該衛星仍在軌運行[2]。2個系列3顆海洋遙感衛星總體技術特性見表1～表3。

2016年8月10日，我國成功發射了“高分三號”（GF-3）衛星，主要用于海洋監視監測，2017年1月底正式投入使用，目前已成功獲取超過10萬景的多極化海洋和陸地SAR影像[3]。GF-3是一顆依靠微波雷達成像的遙感衛星，擁有時間上連續不斷的成像模式，其綜合性能指標已超過國際上其他同類衛星，例如：GF-3擁有12種成像模式，用來滿足不同用戶的不同需求；GF-3是全球成像模式最多的SAR衛星，其提供的影像既可選擇1m分辨率，也可選擇10m量級或100m量級分辨率[4]。GF-3的在軌設計壽命為8a，遠高于以前衛星3～5a的壽命，同時也領先于國際上其他遙感衛星6～7.5a的壽命。“海洋三號”衛星采用了“高分三號”衛星的相關技術，搭載的主要遙感載荷是合成孔徑雷達（SAR），該雷達是一種主動式微波遙感儀器，通過先發射微波波束再接收來自海面的后向散射回波來獲取海面信息。

目前，我國海洋遙感衛星三大體系已初步形成，包括海洋水色衛星、海洋監視監測衛星和海洋動力環境衛星。此外，中法海洋遙感衛星（CFOSAT）已進入研制階段，并定于2018年發射。CFOSAT衛星是由我國和法國聯合研制的海洋動力環境觀測衛星，主要用于研究海洋波浪和風場的相互作用。CFOSAT衛星包括2個微波遙感有效載荷：一個是我國研制的微波散射計（SCAT），用于測量海洋表面風場；另一個是法國航天局（CNES）研制的雷達波譜儀（SWIM），用于測量海洋波浪方向譜。SCAT是CFOSAT衛星中我國研制的唯一有效載荷，是國際上第一個使用扇形波束掃描體制的海洋風場測量散射計[5]。衛星投入使用之后，將大大增強我國海洋環境預報水平，提高我國對海洋氣候多變性的認識。

表1 HY-1A衛星總體技術特性

表2 HY-2A衛星總體技術特性

表3 HY-1B衛星總體技術特性

續表3

2 海洋遙感應用情況

通過參考國內外其他遙感衛星獲取的資料并利用我國的海洋遙感數據，開展海冰、溢油、綠潮、赤潮、海溫、水色、海洋漁業和風暴潮等方面的應用研究，進一步提高海洋遙感數據的業務化廣度和深度，在我國海況預警報、海洋防災減災、海洋環境保護和海洋資源開發等領域中產生了積極影響。

2.1 海洋溫度監測

應用HY-1B和MODIS等衛星及HY-2A衛星掃描微波輻射計獲取的資料，可繪制出所管轄海域及其周邊海域和全世界的每日、每周、每月及每年的平均海表溫度云圖。海溫產品已在海洋漁場環境監測和海溫預報領域產生重要作用。圖1為2016年12月30日HY-2A衛星掃描微波輻射計原始分辨率海面溫度。

圖1 2016年12月30日HY-2A衛星掃描微波輻射計原始分辨率海面溫度

2.2 海洋水色監測

結合MODIS衛星數據并應用HY-1B衛星數據，可繪制出中國海和鄰近海域的日、月、季葉綠素濃度平均分布等海洋水色資料，提供給漁業部門等有關機構參考。圖2為2015年4季度我國及周邊海域葉綠素濃度平均分布圖。

2.3 海冰災害監測

結合“高分一號”、HY-1B和MODIS等衛星的遙感資料，可對黃海北部及渤海的海冰災害情況進行業務化監測。圖3為2017年1月24日HY-1B衛星遙感影像海冰圖。

圖2 2015年4季度我國及周邊海域葉綠素濃度平均分布圖

圖3 2017年1月24日HY-1B衛星遙感影像海冰圖

2.4 綠潮災害監測

綠潮會造成海洋災難，當大量藻類被洋流帶到岸上時，綠潮藻體會因腐爛而散發有毒氣體，對沙灘景觀產生影響，破壞潮間帶生態系統。2016年5—8月，綠潮對我國黃海沿岸海域造成破壞，分布范圍達到近5a來的極值。利用HY-1B衛星并結合MODIS及“高分一號”等衛星的資料，可對我國近海綠潮災害開展業務化監測，為綠潮災害監測和防災減災提供信息服務。圖4為2015年全年遙感監測綠潮災害中心位置圖。

2.5 海上溢油監測

利用加拿大Radarsat-2衛星和我國遙感衛星的SAR數據，可對我國的渤海、東海及南海重點海域開展溢油遙感監測，為海洋環境保護和維權執法提供輔助決策支持。圖5為2015年昌黎大蒲河河口附近海域溢油遙感監測解譯圖。

圖4 2015年全年遙感監測綠潮災害中心位置圖

圖5 2015年昌黎大蒲河河口附近海域溢油遙感監測解譯圖

2.6 海上臺風監測

利用MeTop和HY-2A衛星的遙感數據可對西北太平洋范圍內的臺風中心位置、臺風分布范圍及熱帶氣旋進行監測，為海洋氣象預報及防災減災工作提供定量化輔助決策信息。圖6為2015年HY-2A衛星觀測到的燦鴻臺風路徑。

3 遙感技術發展方向

3.1 發展海洋實時觀測技術

提高海洋遙感全球實時監測技術，做出實時的響應，研發出實時監測的軟件，有利于降低海洋災害對人類的影響。未來海洋遙感技術發展的一個重要方向就是實現實時響應、運算并傳輸遙感數據到用戶終端。我國海洋環境數值預報遙感數據主要通過海外購買獲得，因此無法做到應用的實時性。發展海洋遙感實時監測技術有利于加強我國的海洋環境數值預報能力。

3.2 提高海洋遙感信息提取技術

提高海洋遙感監測的像素分辨率及海量遙感數據運算能力是海洋遙感監測技術面對的重要問題。在我國建成HY-2A衛星地面應用系統之后，海洋遙感數據運算能力已達到國外同行的運算水平。然而，對于新出現的一些載荷，法國、美國等國家在10a前就已開始研究相應的數據處理方法，我國當前仍沒有這方面的進展。因此，未來我國既要提高海洋遙感衛星的數據處理能力，又要研究新型載荷的數據處理算法。

圖6　2015年HY-2A衛星觀測到的燦鴻臺風路徑

3.3 提高海洋遙感數據應用水平

隨著我國及世界其他各地遙感數據越來越多，遙感數據在存儲、運算和應用等問題上將面臨重要挑戰，尤其是系統架構需重點研究。當前相關科研機構須明確未來海洋信息化的發展要求，建設海洋大數據平臺，促進遙感大數據共享，為推進國家船舶與海工產業發展做出更大的貢獻。

4 結 語

目前，我國海洋觀測平臺的管理模式使得數據共享成了開展海上研究的主要障礙，嚴重影響著數據價值，建設基于遙感大數據概念的共享平臺已成為建設大數據平臺的重要一環。現有的海洋數據系統平臺已難以滿足船舶與海洋工程學科對數據的應用需求[6]。未來大型海洋數據平臺的建設需應用新一代互聯網技術和云計算開發，建立云環境下的海洋數據庫網絡和海洋大數據平臺，通過海洋大數據收集、儲存、運算和分析，促進海洋數據共享，推進船舶與海工產業的建設和發展[7]。

【 參 考 文 獻 】

[1] 陳鷹，瞿逢重，宋宏，等. 海洋技術教程[M]. 杭州：浙江大學出版社，2012.

[2] 曾呈奎. 大力發展海洋科技[J]. 中國高校科技，2004 (1)： 35-37.

[3] YANG Jingsong, WANG Juan, REN Lin. The first quantitative remote sensing of ocean internal waves by Chinese GF-3 SAR satellite[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2017, 36： 118.

[4] 林明森，張有廣，袁新哲. 海洋遙感衛星發展歷程與發展趨勢展望[J]. 海洋學報，2015, 37 (1)： 1-10.

[5] 潘德爐，白雁. 我國海洋水色遙感應用工程技術的新進展[J]. 中國工程科學，2008, 10 (9)： 14-24.

[6] SINGH R K, SHANMUGAM P. A multidisciplinary remote sensing ocean color sensor： analysis of user needs and recommendations for future developments[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2017, 9 (11)： 5223-5238.

[7] 張圣坤. 精心打造“互聯網船海工程業” [J]. 船舶與海洋工程，2015, 31 (1)： 1-4.