海洋一號C、D衛星組網觀測與應用

文｜劉建強 蔣興偉 王麗麗 葉小敏 丁靜 曾韜 宋慶君 孫從容 鄒斌

1．國家衛星海洋應用中心

2. 自然資源部空間海洋遙感與應用重點實驗室

3. 航天東方紅衛星有限公司

一、前言

21世紀是海洋的世紀，利用空間遙感技術對海洋進行立體、動態監測已成為當今海洋監測的重要手段。在《中國的航天》（2000年版）白皮書中指出，海洋系列衛星是我國“長期穩定運行的衛星對地觀測體系”重要組成部分。其中海洋一號系列衛星主要用于海洋水色、水溫環境要素探測，為我國海洋生物資源開發利用、河口港灣的建設和治理、海洋污染監測和防治、海岸帶資源調查和開發以及全球環境變化研究等領域服務。

海洋一號C、D衛星（HY-1C/1D）是我國第一個海洋業務衛星星座，HY-1C/1D衛星分別于2018年9月7日和2020年6月11日成功發射。雙星星上配置相同的5個有效載荷，即海洋水色水溫掃描儀、海岸帶成像儀、紫外成像儀、星上定標光譜儀和船舶自動識別系統。

HY-1C/1D衛星組網觀測填補了我國海洋水色衛星無下午觀測數據的空白，針對海洋水色而言，上午被太陽耀斑影響的海域下午觀測時大部分能夠避免，上午被云覆蓋的觀測海域和未被觀測到的區域下午有機會得到彌補，通過雙星組網，覆蓋頻次增加一倍，可提供快速、高精度的業務化的衛星遙感數據服務。全球海洋水色、海岸帶資源與生態環境的有效觀測能力大大提高，HY-1C/1D不僅用于全球大洋水色水溫環境業務化監測，也為地方省市自然資源調查、環境生態監測、防災減災應急處置、南北極監測以及氣象、農業、水利等行業提供數據服務。拉開了我國民用空間基礎設施中長期發展規劃海洋業務衛星的序幕，開啟了我國自然資源衛星陸海統籌發展的新時代。

二、海洋一號C、D衛星主要使用要求及有效載荷

HY-1C/1D衛星用于連續獲取全球水色水溫資料，監測我國海岸帶環境變化，同時服務于自然資源調查、環境生態、應急減災、農業、氣象、水利等行業，其主要使用要求如下：

1．衛星使用要求

（1）觀測要素

HY-1C/1D衛星主要觀測要素包括海水光學特性、葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、可溶有機物、海表溫度。兼顧要素包括海冰冰情、綠潮、赤潮、海洋初級生產力、海岸帶要素、植被指數、海上大氣氣溶膠、大洋船舶信息。

（2）觀測范圍

HY-1C/1D衛星實時觀測區包括北京、海南、牡丹江地面站接收覆蓋區（渤海、黃海、東海、南海和日本海、中國海岸帶區域以及部分鄰國區域等）。非實時觀測區包括接收站覆蓋區的全球其他觀測區域。

（3）覆蓋特性

海洋水色水溫掃描儀覆蓋周期單顆衛星為1天，雙星組網為0.5天；海岸帶成像儀覆蓋周期單顆衛星為3天；雙星組網為1.5天；紫外成像儀覆蓋周期單顆衛星為1天，雙星組網為0.5天。

（4）衛星標稱軌道參數

HY-1C/1D衛星軌道類型為太陽同步回歸軌道；軌道高度標稱值為782km。衛星觀測的地方時如下：C星為降交點地方時10:30AM±30min；D星為降交點地方時1:30AM±30min。

2．衛星有效載荷

（1）海洋水色水溫掃描儀（COCTS）

主要用于探測海洋水色要素（葉綠素濃度、懸浮泥沙濃度、可溶性有機物等）和海面溫度場等。空間分辨率1km，幅寬大于2900km。通過連續獲取長時序的我國近海及全球水色水溫資料，研究和掌握海洋初級生產力分布、海洋漁業和養殖業資源狀況及環境質量，為海洋生物資源合理開發與利用提供科學依據；為全球變化研究、海洋在全球二氧化碳循環中的作用及厄爾尼諾（El-Nino）探測提供大洋水色水溫資料。

（2）海岸帶成像儀（CZI）

空間分辨率50m，幅寬1000km，主要用于獲取海陸交互作用區域的實時圖像資料進行海岸帶監測；了解重點河口港灣的懸浮泥沙分布規律；并對包括海冰、赤潮、綠潮、污染物等海洋環境災害進行實時監測和預警。

（3）紫外成像儀（UVI）

主要用于提高海洋水色水溫掃描儀近岸高渾濁水體大氣校正精度。

（4）星上定標光譜儀（SCS）

為海洋水色水溫掃描儀8個可見近紅外波段和紫外成像儀2個紫外譜段提供星上同步校準功能，監測水色水溫掃描儀可見近紅外譜段和紫外成像儀在軌輻射穩定性。可見、近紅外譜段具備400—900nm范圍內5nm帶寬連續光譜數據下傳能力；具有在軌太陽定標能力，覆蓋2個紫外波段及水色水溫掃描儀8個可見近紅外波段。

（5）船舶自動識別系統（AIS）

主要用于獲取大洋船舶位置和屬性信息，為海上權益維護、海洋防災減災和大洋漁業生產活動等提供數據服務。主要功能包括：在軌全球偵收、存儲和轉發AIS報文；并具備四個頻點同時偵收的能力；可監測幅寬≥監測幅寬。

三、海洋一號C、D衛星數據處理與覆蓋能力

1．數據獲取與處理

HY-1C/1D衛星在軌交付后實現了業務化運行，探測計劃以及衛星上行指令由國家衛星海洋應用中心執行，衛星數據由牡丹江、北京、海南（三亞、陵水）地面站接收之后傳送到北京數據處理中心進行處理，各載荷數據處理流程包括業務化常規處理和應急快交付處理兩套處理系統流程，分別提供相應的業務化產品。產品精度滿足地面系統業務產品設計指標要求，單顆衛星每天數據3.5TB。

HY-1C/1D衛星地面應用系統建立與優化了COCTS、UVI和CZI各載荷數據處理流程與算法軟件，通過云掩模、水色大氣校正和海洋遙感產品參數定量化反演、不同時間周期統計完成產品制作過程，均在規定時間內完成。配置了一條全載荷實時數據處理流程和八條定時生產流程，每天生產L0、L1、L2、L3級數據與產品，包括單軌衛星數據產品和全球網格化單天、8天、月、季和年統計產品以及多源衛星融合數據產品。

COCTS和UVI提供的主要業務化產品種類包括各波段遙感反射比、葉綠素a濃度、氣溶膠光學厚度、海表溫度、總懸浮物濃度、懸浮泥沙濃度、水體漫衰減系數、黃色物質濃度、水體透明度、水體固有光學特性、初級生產力等。

CZI業務化產品種類主要包括CZI各波段經瑞利散射校正后的反射率、歸一化離水輻亮度、懸浮泥沙濃度、歸一化植被指數、葉綠素濃度和海水透明度等。

2．衛星載荷覆蓋能力

HY-1C/1D海洋水色水溫掃描儀幅寬大于2900km，其中HY-1C衛星從北極飛向南極，降軌成像，每天繞極地飛行14圈將全球覆蓋，兩軌之間有部分重疊區以避免漏掃，在星下點的右側海面上出現耀斑區，HY-1D衛星從南極飛向北極，星下點左側出現太陽耀斑。上下午雙星組網觀測可將大部分太陽耀斑區域數據剔除。

海岸帶成像儀的掃描幅寬950km，每天可以覆蓋全國三分之一區域，三天可覆蓋中國海岸帶一次，雙星組網三天可覆蓋兩次，在部分重疊區實現三天四次探測能力，衛星經過我國牡丹江、海南地面站接收覆蓋區時下發數據，其他區域包括南北極、境外探測區通過星上記錄存貯，晚上經過地面站時進行回放。

四、海洋一號C、D衛星典型應用

HY-1C/1D衛星運行以來，已開發研制全球、中國區、重點關注區域的水色要素、海面溫度基礎產品，并制作了遙感專題圖像，在海洋災害預警監測、海洋生態環境監測、極地海冰與航行保障以及省市其他行業的業務工作中發揮了重要支撐作用。由于幅寬大、覆蓋頻次高，有效數據增多和時效性好，在渤海海冰、黃海滸苔、沿海赤潮、突發溢油事件、極地冰川變化、洪澇災情、臺風監測、農作物變化、森林火災監測中表現突出。在水資源變化監測方面，已經獲取了包括河口港灣、海島、長江、黃河以及丹江口水庫、密云水庫、山岳冰川融化、鄱陽湖等江河湖泊高頻次的時序數據；在農業方面，對農作物面積和干旱監測、油菜種植等實現快速監測；在生態環境方面，對太湖、巢湖、滇池、洱海等內陸湖泊水華和水體水質進行了監測，效果良好；在海岸工程建設方面，如海上風電、核電、機場、圍填海等監測過程具有一定潛力；在應急監測方面，在金沙江堰塞湖、墨西哥灣藻類監測等應急事件中及時提供遙感實況圖像，為應急部門抗災救災、災后重建提供信息服務支撐。

1．渤海海冰監測

渤海海域每年冰期從11月下旬開始到第二年3月下旬左右結束，嚴重的海冰直接影響海上交通運輸、海上石油平臺以及其他構建物安全、工程生產作業。衛星遙感監測海冰冰情是一項重點業務工作，每年利用國內外多尺度的可見光、微波遙感數據進行監測。自HY-1C/1D衛星運行后，寬幅、短重訪周期的中分辨率海岸帶成像儀已經成為渤海海冰監測的主力，已經實現對渤海三天兩次監測頻次，局部區域達到一天一次，空間分辨率50m的遙感專題產品深受用戶歡迎。

根據HY-1C/1D衛星監測結果，2020年11月下旬遼河口沿岸有碎冰出現，12月中旬進一步增加，2021年1月17日遼東灣海域海冰面積10371km，2021年1月1—17日三周內海岸帶成像儀獲取的數據至少10天可用（1月1、2、5、7、8、10、11、13、16、17日可用），展示了雙星組網優勢。通過對時間序列的數據比較，可以得到各海域空間分辨率50m的海冰冰情日變化狀態，為海上船舶航行、海上工程作業、海上石油平臺、海岸養殖、海洋牧場與海洋工程管理提供信息服務，圖1為HY-1C/1D衛星2021年1月16—17日遼東灣海冰遙感實況。

圖1 HY-1C/1D衛星遼東灣海冰分布觀測圖像

2．滸苔監測

在2019年滸苔監測中，HY-1C衛星海洋水色掃描儀和海岸帶成像儀監測滸苔的能力得到驗證，特別是海岸帶成像儀表現尤為突出。相對于HY-1B衛星的海岸帶成像儀，其掃描幅寬提高了一倍，空間分辨率提高了5倍，同時信噪比高，識別能力大大提高，不僅能看到海洋表層滸苔，水下的部分信息也能觀測到，因此分析處理得到的滸苔分布面積更為真實。HY-1D發射后，雙星組網覆蓋周期由原來的三天一次變成三天兩次，再結合高分衛星與陸地衛星可實現自主衛星對黃東海每天一次監測，為滸苔防控提供了更有效、更有力的支撐。圖2 為黃海滸苔分布，2021年6月6日同一天實現兩次監測，（a）圖為HY-1C上午觀測圖像，（ b）圖為HY-1D下午觀測圖像，滸苔分布特征基本一致，小部分區域滸苔位置有漂移，滸苔呈現綠色條帶狀，各條帶長寬不一。

圖2 HY-1C/1D衛星2021年6月6日黃海滸苔分布觀測圖像

3．赤潮監測

赤潮頻發是近岸海域環境污染的主要因素之一，既嚴重破壞了海域生態環境，又影響海洋漁業和濱海旅游業發展，甚至危害到人類健康。HY-1C/1D先后監測到了渤海、黃海近岸、深圳灣、北部灣、東海、海南沿海等海域的多次赤潮事件，獲取了赤潮位置、影響范圍等重要信息并提供給了相關業務部門。

2021年2月14日，HY-1C/1D衛星上午與下午均捕捉到北部灣大面積赤潮（圖3），2021年2月17日，HY-1C/1D海岸帶成像儀圖像顯示赤潮已經消失。經處理分析，異常區位于潿洲島西南部海域，分布范圍較廣，水色異常區最東側距離潿洲島約31km。異常區域色彩呈金色、部分棕色，形狀呈條、線狀，初步估計是夜光藻赤潮，其面積約6400km，歷史上少見。

圖3 HY-1C/1D衛星2021年2月14日北部灣夜光藻遙感監測圖像（局部）

2021年2月15日，自然資源部南海局、自然資源廣西衛星應用技術中心組織相關單位進行了現場驗證，自然資源部南海局北海海洋環境監測中心站派出現場監測隊伍，在潿洲島以西海域進行巡視采樣，實驗室分析得出結論，本次異常區為夜光藻，無毒，濃度為3.2×10個/L，該值已達赤潮預警濃度。

通過本次赤潮監測的應用效果，進一步驗證了HY-1C/1D上下午雙星組網觀測的能力與優勢，海岸帶成像儀監測赤潮性能好、潛力大，同時開展了衛星監測與現場調查互動，國家衛星海洋應用中心與南海局、省級衛星應用技術中心開展海洋生態環境預警與應急監測的聯動機制基本形成。

4．極地遙感監測

基于HY-1C/1D衛星CZI數據開展了南極地區衛星遙感影像鑲嵌工作，形成了50m分辨率的南極衛星影像鑲嵌圖，為南極地理基礎資料更新提供新的數據源；成功監測到了2018年西南極松島冰川崩解，2019年東南極埃默里冰架崩解事件，2021年南極火山噴發、布倫特冰架斷裂、D28大冰山遠距離漂移與180°旋轉過程。在第36、37次南極、第10、11次北極科考期間，針對雪龍船冰區應急航行需求，利用HY-1C/1D衛星開展了冰情應急監測，為拓展“冰上絲路”和“雪龍探極”提供了保障服務。雙星組網后，僅海岸帶成像儀就已經獲得南北極數據3萬多景，為后續極地研究與大數據研究奠定了基礎。

（1）布倫特冰架斷裂分離

在2021年2月9日HY-1D海岸帶圖像上顯示南極布倫特冰架上有三條長度超過50km的冰裂縫，即圖4中的冰裂縫A、冰裂縫B（萬圣節冰裂縫）、冰裂縫C（新的冰裂縫），其中靠北側的這條冰裂縫C長度為55km，裂縫清晰明顯，最寬處約400m。該裂縫與英國南極研究站哈雷6距離約20km。2021年2月26日該裂縫再次延伸與擴大，導致冰架崩解形成新的冰山，新的冰山面積約1300km。新的大冰山其漂移與消融將影響所到之處周邊的海洋生態環境、水動力過程與海上安全航行。

圖4 HY-1C/1D衛星布倫特冰架遙感實況影像圖

（2）南極火山噴發監測

2021年 1月25日4時56分（世界時，UTC）HY-1D海岸帶成像儀獲取的羅斯海區域羅斯島遙感圖像上有明顯的異常區，分析判斷是南極埃里伯斯火山正在噴發，其火山口直徑約500m，在火山口上方發現有白色煙霧，火山口外呈現褐色的火山云，火山云分三段展開，全長達20km左右，接近火山口的火山云濃密，長約7～8km（圖5）。HY-1D在軌測試期間已多次監測到包括櫻島、太平洋新島以及千島群島等火山噴發時刻，但用HY-1D捕捉到埃里伯斯火山噴發還是第一次，也是迄今為止首次用國產衛星捕捉到南極火山噴發。

圖5 HY-1D衛星 2021年1月25日南極火山噴發遙感影像圖

（3）D28冰山移動

從埃默里冰架分離出來的 D28冰山面積達1700km，2020年11月達到恩德比地近岸，在2020年11月16日—2021年1月18日兩個月時間內，D28這座大冰山在該區域做了一次180°的大轉彎，冰山轉體后繼續向西流動。2020年12月D28開始轉向，到12月30日冰山與海岸垂直，之后開始轉體直到2021年1月15日，冰山又與海岸平行流動，整整兩個月時間，冰山一端移動150km左右，同時方向轉了180°，在此區域可能是渦流、氣旋、地形等綜合因素造成了180°大轉彎，何種因素為主還有待進一步分析研究。圖6 為HY-1C/1D衛星海岸帶成像儀數據提取的D28冰山移動“足跡”。

圖6 HY-1C/1D衛星提取的D28冰山移動“足跡”

5．洪澇災情監測

汛期一般是多云多雨，但總有晴空時，兩年來國家衛星海洋應用中心充分利用HY-1C/1D衛星載荷掃描幅寬大，重訪周期短的優勢，與省級地方聯動，針對洪澇災害制作了多個省份系列化的衛星遙感專題圖像，為汛期防災救災與災后重建提供了有力信息服務支撐。

2021年7月20日，河南鄭州暴雨突破歷史極值，利用HY-1C/1D雙星組網對鄭州、衛河、賈魯河密切監測，其中7月24日下午、7月26日上下午、7月30日下午、8月1日上下午、8月2日下午共7次監測到受災后新鄉至浚縣水體狀態，獲取的數據與制作的專題產品及時推送河南省自然資源衛星技術應用中心，為洪澇災害監測評估以及救助提供了支持。圖7為HY-1C/1D衛星衛河衛輝市至浚縣段遙感影像圖，可以明顯看出災前災后衛河局部水體變化。

圖7 HY-1C/1D衛星衛河衛輝市至浚縣段遙感影像圖

6．臺風、風暴潮監測

HY-1C/1D雙星組網后，海洋水色水溫掃描儀一天可以獲取同一個地區4次熱紅外數據和兩次可見光、近紅外、紫外數據，利用通道6（紅光譜段）、8（近紅外譜段）、2（藍光譜段）或10（熱紅外譜段）偽彩色合成遙感圖像或者熱紅外通道圖像，可得到全球臺風、氣旋分布與位置，根據時序圖像可得到臺風云系影響范圍和移動路徑，結合海洋二號（HY-2）、中法海洋衛星（CFOSAT）風場數據，為海洋災害預報預警與地方防災減災提供了及時準確的信息服務。圖8是2021年第6號臺風“煙花”7月24、25日臺風云圖。臺風眼清晰，臺風云系范圍廣，影響大。

圖8 HY-1C/1D衛星第六號臺風“煙花”云系變化（熱紅外通道）

五、結語

HY-1C/1D衛星組網實現了對全球海洋水色、水溫環境高精度、快覆蓋監測，每天獲取4次全球海面溫度信息，2次空間分辨率為1km的海洋水色信息，寬幅的海岸帶成像儀實現了對中國海岸帶、重點區域三天兩次空間分辨率為50m的覆蓋，獲取的這些數據已在全球海洋生態環境監測、海洋防災減災、南北極監測、海岸帶管理以及全球氣候變化研究中得到應用。

HY-1C/1D衛星數據不僅可以用于海洋、海岸帶觀測，同時可兼顧陸地江河湖泊水體以及植被監測，在自然資源、生態環境、水利、交通、農業農村、應急管理和氣象領域也有很大的應用潛力。

截至2021年8月初，已累計分發HY-1C/D衛星數據達到450TB，800多個用戶單位或個人正在使用，應用效益顯著。