高分三號衛星在海洋領域的應用

● 文 | 1.國家衛星海洋應用中心 .國家海洋局空間海洋遙感與應用研究重點實驗室 .北京空間飛行器總體設計部袁新哲 林明森 劉建強 謝春華 趙良波 葉小敏 鄒亞榮 曾韜 朱海天 安文韜 崔利民

一、引言

我國是世界上人口最多的沿岸大國，海岸線約1.8萬km，擁有渤海、黃海、東海和南海四大海域。面積500m2以上的島嶼約6500多個，內水和領海主權海域面積38萬km2，我國主張的管轄海域面積約300萬km2。我國在全球海洋政治、經濟、交通、安全、科研上擁有廣泛的戰略利益。遙感衛星作為一種先進的技術手段，已經廣泛用于海洋領域，為海洋監視監測提供了重要的數據支撐。本文介紹了我國高分三號衛星（GF-3）自正式投入使用以來在海洋領域的應用概況，能夠為雷達衛星尤其是GF-3衛星后續業務衛星數據在海洋領域的應用提供參考。

二、高分三號衛星特點

GF-3衛星是我國自主研制的第一顆兼顧海陸應用的民用多極化SAR衛星，衛星于2016年8月10日發射，2017年1月23日正式投入使用。

GF-3衛星運行在平均軌道高度約755km的太陽同步回歸軌道上，軌道重復周期為29天。衛星搭載的C頻段多極化SAR載荷具有12種成像模式，其空間分辨率范圍1～500m，成像幅寬范圍10～650km，具有多極化數據獲取能力，并且為典型海洋要素海浪和海面風觀測設計了專用成像模式——波模式、全球觀測模式，能夠滿足主要海洋監視監測要素的觀測需求。表1為GF-3衛星成像模式主要技術參數[1]。

表1 GF-3衛星成像模式主要技術參數

三、高分三號衛星海洋應用

GF-3衛星海洋領域的主要應用領域包括海洋權益維護、海洋防災減災及應對海上重大環境事件、海洋動力環境監測、海岸帶綜合管理與海域使用管理、極地環境監測與航行保障等。

（1）海洋權益維護

我國主張的管轄海域約300萬km2，GF-3衛星通過獲取的海島、海上船舶、海上油氣平臺監視數據，為島礁維權、油氣資源保護等提供信息服務和輔助決策支持。

1）海島。2017年，國家衛星海洋應用中心初步開展了南海我國管轄海域海島新生沙洲監測工作。通過數十景GF-3衛星數據與高分辨率光學衛星數據對比，驗證了GF-3衛星數據在海島新生沙洲監測工作中的能力（見圖1）。

圖1 利用GF-3衛星全極化條帶1模式圖像與WorldView-2衛星圖像制作的南沙六門礁疊合圖

2）油氣平臺監視。南海蘊藏著豐富的油氣資源。近年來，某些南海周邊國家在我國管轄海域內建設了多個油氣平臺，損害了我國海洋權益。2016年底至2017年3月，國家衛星海洋應用中心利用GF-3衛星數據對南海油氣平臺分布情況進行了監測，并利用高分專項光學衛星數據進行了驗證。圖2是南海南部部分油氣平臺GF-3衛星數據監測結果。

圖2 基于GF-3衛星多時相全極化1條帶模式圖像制作的南海油氣平臺監測專題圖

（2）海洋防災減災及應對海上重大環境事件

我國是世界上少數幾個遭受多種海洋災害的國家之一，包括風暴潮、巨浪以及熱帶氣旋、溫帶氣旋和冷空氣大風所造成的突發性的海洋災害每年都給我國沿海經濟建設、海洋開發和人員生命財產帶來巨大的損失。GF-3衛星提供我國鄰近海域的風暴潮、熱帶氣旋、海冰、海面溢油、綠潮信息，為災害監測和評估、應對重大環境事件提供地理空間信息支持。

1）臺風監測。2017年，我國沿海臺風頻發，對沿海人民生命財產與經濟發展造成了嚴重影響。國家衛星海洋應用中心聯合相關單位，首次獲取了GF-3衛星臺風監測數據。共監測有編號臺風6個，獲取臺風及登陸區域觀測數據30余景，并制作了相應的臺風監測產品[2][3]，向相關單位進行了快速產品分發。為汛期臺風監測、臺風SAR遙感科學研究提供了有效的數據支撐。

圖3（a）、圖3（b）分別是GF-3衛星獲取的2017年第5號臺風“奧鹿”和19號臺風“杜蘇芮”圖像。

圖4（a）、圖4（b）分別為2017年13號強臺風“天鴿”GF-3衛星圖像及其臺風監測產品。

圖3 GF-3衛星臺風“奧鹿”寬幅掃描模式VH極化圖像與臺風“杜蘇芮”寬幅掃描模式VV極化圖像

圖4 臺風“天鴿”GF-3衛星寬幅掃描VV極化圖像及基于VH極化圖像制作的風場監測產品

2）溢油監測。2018年1月6日，巴拿馬油船桑吉號與香港散貨船長峰水晶號在長江口以東約160海里處發生碰撞，導致桑吉號全船失火，船載凝析油大量外泄，對海洋環境造成嚴重影響。國家衛星海洋應用中心利用業務化海上溢油監視系統[4]及時開展桑吉號油船及其溢油的衛星遙感應急監測。利用GF-3衛星數據制作桑吉號溢油應急監測專題產品及監測報告，及時為決策部門提供了溢油分布面積、位置以及溢油路徑預測等信息（見圖5）。

圖5 基于GF-3衛星標準條帶模式VV極化圖像制作的桑吉號海上溢油監測專題圖

（3）海洋動力環境監測

高分辨率海浪、海面風場、內波、淺海水下地形、中尺度渦和鋒面數據，能夠為全球海洋動力環境研究、海洋預報以及沿海重大工程論證、運行提供支撐。

內波是重要的海洋監測要素。我國南海北部是內波高發區，是世界公認的研究內波的“天然試驗場”。GF-3衛星獲取了豐富的南海內波圖像資料，為深入研究內波提供了基礎。國家海洋局利用GF-3衛星數據對南中國海東沙島附近的內波開展了振幅高精度反演。

（4）海岸帶綜合管理與海域使用管理

GF-3衛星能夠獲取海岸變遷、海岸帶植被等海岸帶典型地物要素、海域使用類型、位置分布、用海面積監視數據，為全面、及時掌握海岸帶與海域使用現狀提供重要的客觀依據。

濕地被稱為“地球之腎”，是重要的生態系統。GF-3衛星具有的多極化數據獲取能力，能夠提供相對于傳統單極化SAR數據幅度、相位以外的極化信息，在濱海濕地典型地物分類中有著重要應用。圖6是2017年國家海洋局利用GF-3衛星全極化條帶1模式數據，制作的黃河三角洲濱海濕地典型地物分類專題圖。

圖6 基于GF-3衛星全極化條帶1模式圖像制作的黃河口濕地分類專題圖

（5）極地環境監測與航行保障

極地環境變化與全球環境和氣候變化有著密切聯系。極地航道對于經濟、軍事以及極地科考都具有重要意義。GF-3衛星能夠提供極地冰覆蓋、極地航道監測數據，為應對全球變化與極地科學考察提供有力保障。

2016年11月，盡管GF-3衛星在軌測試尚未結束，但衛星數據已經用于第33次南極科考雪龍號科考船極地航行保障工作。在2017年第34次南極科考雪龍號科考船極地航行保障任務中，國家衛星海洋應用中心進一步利用GF-3衛星為雪龍號科考船整個航行期間提供了數據保障。圖7為第34次南極科考時，雪龍號科考船抵近中山站準備進行卸貨作業時，利用GF-3衛星數據制作的冰情態勢分析圖。

四、結束語

本文通過大量應用實例，介紹了GF-3衛星投入使用以來在海洋主要應用領域的示范應用情況。實際使用效果驗證了GF-3衛星在海洋領域的應用能力與潛力。目前GF-3衛星的后續業務衛星研制工作正在開展，隨著GF-3衛星后續業務衛星的發射，通過衛星組網運行，可以預見GF-3衛星及其后續業務衛星將在海洋領域發揮更重要的作用。

圖7 基于2017年12月28日GF-3衛星標準條帶VV極化圖像制作的雪龍號科考船航行保障冰情分析圖