文 | 劉建強(qiáng) 曾韜 梁超 鄒亞榮 葉小敏 丁靜 鄒斌 石立堅(jiān) 郭茂華自然資源部國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心

海洋占地球表面的71%,海洋是生命的搖籃,是資源的寶庫(kù),是交通的要道,是全球氣候變化的調(diào)節(jié)器,海洋是四維動(dòng)態(tài)變化的流動(dòng)水體,海洋要素包括海面風(fēng)場(chǎng)、海浪、海流、海面溫度、鹽度、海水深度及海洋水色等。空間尺度從厘米到數(shù)千公里;時(shí)間尺度從秒到年。自然資源包括山、水、林、田、湖、草要素,其分布特征千姿百態(tài),其動(dòng)態(tài)變化過程各不相同。只有對(duì)地球自然與人類活動(dòng)環(huán)境連續(xù)有效調(diào)查與監(jiān)測(cè)才能得到其分布特征與動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,在此基礎(chǔ)上才能做出合理的空間規(guī)劃,才能發(fā)現(xiàn)管轄區(qū)域的異常、快速做出預(yù)警、定量做出評(píng)估、及時(shí)采取措施,做到風(fēng)險(xiǎn)可規(guī)避,資源可持續(xù)有效利用,人與自然能和諧共生。
災(zāi)害形成的過程有長(zhǎng)有短,有緩有急。當(dāng)致災(zāi)因素的變化超過一定強(qiáng)度與承載力時(shí),就會(huì)在幾天、幾小時(shí)甚至幾分鐘內(nèi)表現(xiàn)為突發(fā)性自然災(zāi)害行為,如臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮、巨浪、海嘯、海冰、冰川斷裂、溢油、赤潮、綠潮、藍(lán)藻爆發(fā)、森林火災(zāi)、沙塵暴、龍卷風(fēng)、泥石流、洪澇、干旱、山體滑坡等,還有一些災(zāi)害是在致災(zāi)因素長(zhǎng)期發(fā)展的情況下,逐漸顯現(xiàn)成災(zāi)的,如海平面上升、海岸與生態(tài)環(huán)境惡化等。
對(duì)海洋災(zāi)害的監(jiān)測(cè)是“測(cè)、報(bào)、防、抗、救、援” 防災(zāi)減災(zāi)體系鏈中的先導(dǎo)性與長(zhǎng)期性措施,通過全面連續(xù)有效監(jiān)測(cè)可提供更快、更準(zhǔn)、更豐富信息,測(cè)量變異參數(shù),確定成災(zāi)預(yù)兆,從而進(jìn)行示警和預(yù)報(bào),并對(duì)災(zāi)情進(jìn)行監(jiān)視和評(píng)估,是抗災(zāi)、減災(zāi)工作首要環(huán)節(jié)[1]。世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的海洋國(guó)家以及有關(guān)國(guó)際組織,都重視海洋災(zāi)害的預(yù)警與防御,建立包括衛(wèi)星、飛機(jī)、無人機(jī)、船舶、浮標(biāo)、岸站、地下/水下在內(nèi)的海洋立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或海洋監(jiān)測(cè)(觀測(cè))網(wǎng),對(duì)海洋環(huán)境要素(災(zāi)害)分布與變化進(jìn)行測(cè)量、發(fā)現(xiàn)、跟蹤、評(píng)估。
海洋衛(wèi)星具備全天時(shí)、全天候、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,不受地理位置和人為條件限制,可覆蓋環(huán)境條件惡劣的海區(qū)及政治敏感海區(qū),與現(xiàn)場(chǎng)海洋監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合,取得了過去單純用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段無法替代的重大成果,是認(rèn)識(shí)、研究、開發(fā)、利用海洋不可替代并已成為現(xiàn)代海洋觀測(cè)的主導(dǎo)手段。
根據(jù)不同要素的探測(cè)技術(shù)能力與特點(diǎn)、時(shí)間與空間分辨率、覆蓋范圍與監(jiān)測(cè)頻次要求,我國(guó)海洋衛(wèi)星按海洋水色、海洋動(dòng)力與海洋監(jiān)測(cè)監(jiān)視三個(gè)系列規(guī)劃,同時(shí)構(gòu)建由北京、牡丹江、海南、杭州、船載系統(tǒng)、南極地面接收站、定標(biāo)場(chǎng)網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心組成的地面系統(tǒng),開展包括海洋與陸地自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、資源調(diào)查與開發(fā)利用、環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)應(yīng)用與地球系統(tǒng)科學(xué)研究[2]。
在《陸海觀測(cè)衛(wèi)星業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)劃》中,“十二五”和“十三五”期間發(fā)射8顆海洋業(yè)務(wù)衛(wèi)星。在《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中,2015-2025年規(guī)劃了15+2顆海洋系列觀測(cè)衛(wèi)星。
海洋一號(hào)系列衛(wèi)星用于水色水溫探測(cè),配置光學(xué)載荷,陸海兼顧,多種空間分辨率、高信噪比、高動(dòng)態(tài)范圍與寬刈幅,于 2002 年 5 月、2007 年 4 月、2018 年 9 月、2020年6月分別發(fā)射了海洋一號(hào) A、B、C、D 衛(wèi) 星(HY-1A/1B/1C/1D),新一代水色衛(wèi)星正在研制。
海洋二號(hào)系列衛(wèi)星用于全天候觀測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)、高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè),載荷為雷達(dá)高度計(jì)、微波散射計(jì)、微波輻射計(jì)、GPS等,于2011年8月、2018年10月分別發(fā)射了海洋二號(hào)A、B衛(wèi)星(HY-2A/2B),后續(xù)衛(wèi)星已經(jīng)研制,計(jì)劃2021年發(fā)射[3]。
海洋三號(hào)系列衛(wèi)星用于對(duì)溢油、海冰、船舶、海浪、內(nèi)波、海面風(fēng)場(chǎng)全天候監(jiān)測(cè),陸海兼顧,載荷為合成孔徑雷達(dá)(SAR),首顆衛(wèi)星高分三號(hào)(GF-3)于2016年8月發(fā)射,后續(xù)衛(wèi)星正在研制。
中法海洋衛(wèi)星(CFOSAT)為國(guó)際合作科研試驗(yàn)衛(wèi)星,用于提供全球海面風(fēng)場(chǎng)與波浪譜,中方提供散射計(jì),法方提供波譜儀,雙方各自建立地面系統(tǒng),數(shù)據(jù)共享,體現(xiàn)了共商共建共享以及創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享五大發(fā)展理念,衛(wèi)星于2018年10月發(fā)射。
海洋一號(hào)衛(wèi)星包括海洋一號(hào)A、B、C、D衛(wèi)星,海洋一號(hào)A衛(wèi)星為試驗(yàn)星,海洋一號(hào)B衛(wèi)星為試驗(yàn)業(yè)務(wù)星,海洋一號(hào)C、D衛(wèi)星為業(yè)務(wù)衛(wèi)星星座,海洋一號(hào)A、B衛(wèi)星載荷為海洋水色水溫掃描儀(COCTS)、海岸帶成像儀(CZI),海洋一號(hào)C、D衛(wèi)星在原有海洋水色水溫掃描儀、海岸帶成像儀配置基礎(chǔ)上提升性能,同時(shí)增配了紫外成像儀(UVI)、定標(biāo)光譜儀(SCS)、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)。海洋一號(hào)C、D衛(wèi)星上下午組網(wǎng),增加監(jiān)測(cè)頻率,同時(shí)彌補(bǔ)下午無數(shù)據(jù)的瓶頸。
其中海洋水色水溫掃描儀包含可見光、近紅外、熱紅外共10個(gè)通道,量化等級(jí)12bit,信噪比優(yōu)于400,空間分辨率1.1km,可制作1:400萬的遙感專題圖,幅寬大于2900km,每天覆蓋全球兩次,可獲取全球海洋水色、海面溫度及兩極海冰信息,可用于大范圍、大尺度的海洋生態(tài)災(zāi)害、森林火災(zāi)、海溫異常、兩極冰川斷裂事件監(jiān)測(cè)。
海岸帶成像儀含紅、綠、藍(lán)、近紅外4個(gè)通道,量化等級(jí)12bit,信噪比優(yōu)于250,空間分辨率優(yōu)于50m,可制作1:5~20萬的遙感專題圖,幅寬大于950km,對(duì)中國(guó)沿海以及大部分省市不用側(cè)擺就可實(shí)現(xiàn)每三天一次覆蓋,覆蓋頻次高,可實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺度自然資源與災(zāi)害變化的快速監(jiān)測(cè)。
海洋一號(hào)C衛(wèi)星每天的探測(cè)計(jì)劃通常提前三天做出,載荷按計(jì)劃自動(dòng)觀測(cè),海洋水色水溫掃描儀與紫外成像儀每天24小時(shí)工作,海岸帶成像儀數(shù)據(jù)量大,境內(nèi)工作2~3軌,境外工作時(shí)間不超過34分鐘,從地面站接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸、處理、存檔制作一般在一小時(shí)內(nèi)完成,根據(jù)應(yīng)急要求,處理與制作專題圖也在一小時(shí)內(nèi)完成,從接收數(shù)據(jù)到最終傳送到用戶通常在兩小時(shí)內(nèi)完成。
西北太平洋海域臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)目前主要利用海洋二號(hào)A、B衛(wèi)星、中法海洋衛(wèi)星以及歐洲航天局Metop-A/B衛(wèi)星上的微波散射計(jì)全球海面風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng),通過海洋衛(wèi)星遙感實(shí)況小程序,在手機(jī)上可查看當(dāng)天與近五天的全球任何海域的海面風(fēng)場(chǎng),判別臺(tái)風(fēng)中心位置、臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與移動(dòng)路徑。
海洋一號(hào)C衛(wèi)星的海洋水色水溫掃描儀及紫外成像儀、海岸帶成像儀主要提供臺(tái)風(fēng)云圖,可分析臺(tái)風(fēng)中心位置及云系分布特征(圖1)。與海面風(fēng)場(chǎng)結(jié)合可更直觀了解臺(tái)風(fēng)變化規(guī)律與狀態(tài),通過災(zāi)前、災(zāi)后衛(wèi)星遙感實(shí)況比較可評(píng)估災(zāi)害損失。

圖1 海洋一號(hào)C衛(wèi)星監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)
每年冬季渤海有不同程度的結(jié)冰,嚴(yán)重的海冰影響海上交通運(yùn)輸與海上工程作業(yè),危及海上石油平臺(tái)安全。2019年利用海洋一號(hào)C衛(wèi)星對(duì)渤海及黃海北部的冬季海冰冰情開展了業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè),制作了遙感專題圖與海冰冰情要素分布圖,冰期每天一期,向國(guó)家、海區(qū)、省市三級(jí)部門和單位提供服務(wù),為海冰冰情監(jiān)測(cè)與災(zāi)害評(píng)估、應(yīng)急響應(yīng)提供了不可或缺的信息支撐。圖2展示了從2019年12月到2020年2月期間海岸帶成像儀監(jiān)測(cè)到的遼東灣海冰外緣線不斷增大過程的遙感實(shí)況。

圖2 海洋一號(hào)C衛(wèi)星遼東灣海冰遙感影像圖
溢油污染對(duì)海洋環(huán)境、海洋生態(tài)及人類經(jīng)濟(jì)生活產(chǎn)生極大危害,海洋溢油能被微波雷達(dá)、光學(xué)遙感、熱紅外、紫外等不同遙感器探測(cè)到[4]。
2019年4月針對(duì)海南三亞附近海域船舶溢油事件,采用海洋一號(hào)C衛(wèi)星海岸帶成像儀、紫外成像儀等傳感器數(shù)據(jù)開展海上溢油監(jiān)測(cè),為海上溢油事件快速響應(yīng)、應(yīng)急處理和海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)提供輔助決策支持。圖3為2019年4月8日海洋一號(hào)C衛(wèi)星對(duì)三亞近海溢油應(yīng)急遙感監(jiān)測(cè)實(shí)況。

圖3 海洋一號(hào)C衛(wèi)星三亞溢油遙感監(jiān)測(cè)專題圖
2020年4月國(guó)際原油價(jià)格爆跌后,海上運(yùn)輸船隊(duì)利潤(rùn)下降,海上非法排污日益增多,溢油條帶幾千米到幾十千米,有時(shí)長(zhǎng)達(dá)260km,對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響,自2020年4月開始利用海洋一號(hào)C衛(wèi)星海岸帶成像儀先后監(jiān)測(cè)到東南亞海域多起溢油事件(圖4)。

圖4 海洋一號(hào)C衛(wèi)星監(jiān)測(cè)東南亞海域溢油
近年來,經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展速度過快導(dǎo)致工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染以及城市生活廢水、污水增多,這些廢水未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),最后通過多種形式進(jìn)入江河湖泊,造成水體富營(yíng)養(yǎng)化,在適宜的溫度條件下,藍(lán)藻大量繁殖,嚴(yán)重影響飲用水源與生活用水,藍(lán)藻的惡臭也嚴(yán)重影響人們自由呼吸。
利用海洋一號(hào)C衛(wèi)星海岸帶成像儀監(jiān)測(cè)到太湖、巢湖、洱海多個(gè)湖泊藍(lán)藻爆發(fā)(圖5),多地城市生態(tài)環(huán)境狀態(tài)令人擔(dān)憂,衛(wèi)星數(shù)據(jù)已及時(shí)提供給有關(guān)部門,為地方政府的藍(lán)藻綜合治理提供了依據(jù)。

圖5 海洋一號(hào)C衛(wèi)星監(jiān)測(cè)湖泊藍(lán)藻遙感影像圖
赤潮是我國(guó)近海頻發(fā)的一種海洋生態(tài)系統(tǒng)異常現(xiàn)象,海洋中的浮游生物爆發(fā)性急劇繁殖造成海水呈現(xiàn)黃、綠、褐、紅等不同顏色,利用海洋一號(hào)C衛(wèi)星海岸帶成像儀監(jiān)測(cè)到遼東灣、天津?yàn)I海新區(qū)、深圳海域的多次赤潮(圖6)。

圖6 海洋一號(hào)C衛(wèi)星監(jiān)測(cè)赤潮
2008年青島奧帆賽前,青島出現(xiàn)大面積滸苔,影響比賽,當(dāng)時(shí)動(dòng)用包括海洋一號(hào)B衛(wèi)星在內(nèi)的17顆衛(wèi)星進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)三個(gè)月的監(jiān)測(cè)[5],為滸苔打撈與防控提供了有序、有力的技術(shù)支撐。
2019年利用海洋一號(hào)C衛(wèi)星,結(jié)合美國(guó)地球觀測(cè)系統(tǒng)/中分辨率成像光譜儀(EOS/MODIS)、高分一號(hào)、高分二號(hào)、高分三號(hào)、高分四號(hào)等衛(wèi)星資料對(duì)我國(guó)近海的綠潮開展業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)及黃海跨區(qū)域滸苔綠潮聯(lián)防聯(lián)控保障工作,制作和發(fā)布《綠潮衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)報(bào)告》129期,實(shí)現(xiàn)了綠潮災(zāi)害早期發(fā)現(xiàn)和全過程跟蹤監(jiān)測(cè),為綠潮漂移路徑預(yù)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)提供了準(zhǔn)確及時(shí)的信息服務(wù)。圖7為2019年6月11日和6月23日青島近海海上滸苔綠潮分布遙感實(shí)況。

圖7 海洋一號(hào)C衛(wèi)星青島近海綠潮遙感影像圖
兩極冰川的變化已成為全球海平面升降的最重要因素之一,其中松島冰川是南極最大、移動(dòng)速度最快的冰川,是西南極冰層內(nèi)部所發(fā)生的任何大變動(dòng)的一個(gè)指示器,受到多國(guó)科學(xué)家關(guān)注,并采用現(xiàn)場(chǎng)、航空、衛(wèi)星等多手段進(jìn)行了多年觀測(cè)與測(cè)量。采用海洋一號(hào)C衛(wèi)星上的海洋水色水溫掃描儀與海岸帶成像儀對(duì)南極進(jìn)行觀測(cè),通過調(diào)試設(shè)置合理的工作模式,安排探測(cè)計(jì)劃,獲得數(shù)據(jù)后,經(jīng)一系列的處理分析,發(fā)現(xiàn)松島冰川靠海洋的一端有一條冰縫隙逐漸加大,并已分離出巨大的冰山,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)冰雪探測(cè)模式有效可用,應(yīng)用潛力很大。
從2018年11月至2019年3月期間的12次海岸帶成像儀影像圖顯示了其崩裂的變化情況—從前端開裂,然后崩解成數(shù)個(gè)冰山,直到最后的主體冰山隨洋流脫離冰架后不再崩解,分離的冰上面積達(dá)到180km2(圖8)。2019年9月用海洋水色水溫掃描儀數(shù)據(jù)產(chǎn)品還監(jiān)測(cè)到南極中山站附近埃默里冰架斷裂全過程,從海岸帶成像儀遙感圖像可以量算出冰架裂縫斷裂造成分離的冰山達(dá)到1700km2。

圖8 海洋一號(hào)C衛(wèi)星監(jiān)測(cè)南極松島冰川崩解、分離、漂移過程
2018年10月10日晚22時(shí)6分,西藏自治區(qū)昌都市江達(dá)縣和四川省甘孜藏族自治州白玉縣境內(nèi)發(fā)生山體滑坡,堵塞金沙江干流河道,形成堰塞湖,11月3日17時(shí)40分許,波羅鄉(xiāng)白格村原山體滑坡點(diǎn)發(fā)生二次滑坡,金沙江斷流并形成堰塞體。因堰塞湖水位上漲,導(dǎo)致金沙江支流藏曲河河水倒灌,波羅鄉(xiāng)、巖比鄉(xiāng)部分房屋、道路、橋梁、耕地被淹沒,其中波羅鄉(xiāng)白格自然村、寧巴自然村全部被淹,堰塞湖上游受威脅范圍達(dá)20多千米。
針對(duì)金沙江“11.03”山體滑坡堰塞湖應(yīng)急事件,國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心當(dāng)時(shí)利用剛發(fā)射的海洋一號(hào)C衛(wèi)星的海岸帶成像儀數(shù)據(jù)開展連續(xù)應(yīng)急監(jiān)測(cè)。海岸帶成像儀幅寬達(dá)1000km,星下點(diǎn)分辨率優(yōu)于50m,重訪周期為3天,覆蓋頻次高,時(shí)效快。采用3、2、1波段RGB組合,對(duì)堰塞湖區(qū)上游及下游整體實(shí)現(xiàn)每2~3天一次監(jiān)測(cè),提供宏觀監(jiān)測(cè)信息,把握整體態(tài)勢(shì)。從11月1-23日,共獲取堰塞湖區(qū)域海洋一號(hào)C衛(wèi)星海岸帶成像儀數(shù)據(jù)20余景(其位置正好相鄰軌道都覆蓋),制作遙感監(jiān)測(cè)影像圖10期。數(shù)據(jù)通過FTP及時(shí)提供給應(yīng)急管理部國(guó)家減災(zāi)中心,為金沙江“11.03”山體滑坡堰塞湖前線聯(lián)合指揮提供了客觀準(zhǔn)確的決策輔助信息(圖9)。

圖9 海洋一號(hào)C衛(wèi)星白格堰塞湖遙感影像與水體要素遙感分布圖
海洋一號(hào)C衛(wèi)星在軌交付以來,發(fā)現(xiàn)地球上多個(gè)國(guó)家以及中國(guó)多個(gè)城市每月幾乎都有各種森林火災(zāi)出現(xiàn)。發(fā)生火災(zāi)時(shí)常伴隨長(zhǎng)距離淡藍(lán)色或淡黃色的濃煙,無論是海洋水色水溫掃描儀圖像還是海岸帶成像儀的圖像都能看到其特征明顯,煙霧與云層也能利用形狀及陰影特征區(qū)分開,一般有火災(zāi)出現(xiàn)時(shí),在遙感圖像上基本能一眼看出,由于火災(zāi)發(fā)生后,其輻射值與周邊有明顯的差異,特別是海洋水色水溫掃描儀每天一次覆蓋和海岸帶成像儀三天一次覆蓋,數(shù)據(jù)獲取頻次高,火災(zāi)前后圖像做比對(duì)更容易判斷,大面積與小面積的火災(zāi)沒有云覆蓋條件下一般都能發(fā)現(xiàn),發(fā)現(xiàn)之后再找前三天或六天圖像比對(duì),可計(jì)算過火面積。2019年至今在俄羅斯、澳大利亞、巴西、印尼、美國(guó)、緬甸、老撾等國(guó)以及我國(guó)青島、山西、廣東、四川、云南、江西、北京等多地發(fā)生火災(zāi)時(shí),利用海洋一號(hào)C衛(wèi)星進(jìn)行了應(yīng)急監(jiān)測(cè),其數(shù)據(jù)與產(chǎn)品及時(shí)提供給了需要的部門(圖10)。

圖10 海洋一號(hào)C衛(wèi)星監(jiān)測(cè)國(guó)內(nèi)外森林火災(zāi)遙感影像圖
防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作事關(guān)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全,事關(guān)社會(huì)和諧穩(wěn)定,我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)工作的指導(dǎo)方針是“以防為主、防抗救相結(jié)合”,“常態(tài)減災(zāi)和非常態(tài)救災(zāi)相統(tǒng)一”,并實(shí)現(xiàn)從注重災(zāi)后救助向注重災(zāi)前預(yù)防轉(zhuǎn)變、從應(yīng)對(duì)單一災(zāi)種向綜合減災(zāi)轉(zhuǎn)變、從減少災(zāi)害損失向減輕災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)變。
海洋一號(hào)C衛(wèi)星配置的載荷每天工作時(shí)間長(zhǎng),其載荷掃描幅寬大,數(shù)據(jù)獲取頻次多,在D星發(fā)射后有下午衛(wèi)星經(jīng)過災(zāi)害發(fā)生區(qū),將填補(bǔ)下午無數(shù)據(jù)可用的空白,同時(shí)用戶負(fù)責(zé)星地一體化運(yùn)行管理,從衛(wèi)星探測(cè)計(jì)劃到接收、處理、分發(fā)推送全鏈條完整,產(chǎn)品時(shí)效快,可快速發(fā)現(xiàn)地球表面的多尺度、多要素環(huán)境信息變化與異常,在自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面有很好的應(yīng)用潛力。