王泉斌

(國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

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中日韓海洋水色衛(wèi)星計(jì)劃對比分析*

王泉斌

(國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

摘要：21世紀(jì)以來，圍繞海洋資源開發(fā)、海洋環(huán)境安全和海洋權(quán)益維護(hù)，國際上開展了新一輪的海洋競爭，所有這些競爭都離不開對海洋環(huán)境的認(rèn)知，衛(wèi)星海洋遙感作為世界各國提升海洋環(huán)境認(rèn)知能力的重要高新技術(shù)手段，日益得到各國的重視。海洋水色衛(wèi)星遙感是重要的海洋探測技術(shù)，它通過衛(wèi)星平臺(tái)上的探測器對海洋表面的水色進(jìn)行探測，反演出海洋水體中的葉綠素濃度、泥沙含量及黃色物質(zhì)濃度，進(jìn)而得到其他相關(guān)信息。文章在概要介紹中日韓三國海洋水色衛(wèi)星發(fā)展歷程及性能的基礎(chǔ)上，對中日韓三國的海洋水色衛(wèi)星計(jì)劃及其應(yīng)用進(jìn)行了初步的對比分析，基于參考文獻(xiàn)對其異同點(diǎn)進(jìn)行了闡述與評價(jià)，從發(fā)展思路與發(fā)展方式等角度提出了針對我國未來海洋水色衛(wèi)星計(jì)劃發(fā)展的建議與啟示。

關(guān)鍵詞：中國；日本；韓國；海洋水色；衛(wèi)星計(jì)劃

海洋水色衛(wèi)星是海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的重要技術(shù)手段。1978—1986年在軌運(yùn)行的第一顆水色衛(wèi)星Coastal Zone Color Scanner(CZCS)驗(yàn)證了能力，展示了潛力。在20世紀(jì)90年代進(jìn)入蓬勃發(fā)展期，各國競相發(fā)射水色衛(wèi)星，極大地推動(dòng)了海洋衛(wèi)星水色遙感技術(shù)的發(fā)展。其中，中日韓作為東亞主要海洋國家和經(jīng)濟(jì)體，都認(rèn)識(shí)到了水色衛(wèi)星的重要性，在水色衛(wèi)星發(fā)展上積極作為；但選擇了不同的發(fā)展道路，各有特色，對其進(jìn)行對比分析，評述各自的優(yōu)劣，有助于我國海洋水色衛(wèi)星更好的發(fā)展。本文首先詳細(xì)介紹了3個(gè)國家水色衛(wèi)星計(jì)劃，在此基礎(chǔ)上，對其異同點(diǎn)進(jìn)行了對比分析和評價(jià)。

1　中日韓水色衛(wèi)星計(jì)劃概況

1.1中日韓水色衛(wèi)星發(fā)展歷程

我國目前已發(fā)射了兩顆極軌海洋水色衛(wèi)星即HY-1A和HY-1B。其中，2002-05-15發(fā)射的HY-1A是我國第一顆用于海洋監(jiān)測的海洋水色衛(wèi)星。星上搭載了兩臺(tái)傳感器，一臺(tái)是水色水溫掃描儀COCTS(Chinese Ocean Color and Temperature Scanner)，另一臺(tái)是CCD成像儀。COCTS的空間分辨率為1 100 m，共有10個(gè)波段，光譜范圍為402～12 500 nm。CCD成像儀的空間分辨率為250 m，具有藍(lán)、綠、紅和近紅外四個(gè)波段。HY-1A的軌道高度為798 km，傾角為98.8°，COCTS的刈幅為1 400 km，CCD的刈幅為500 km。HY-1A實(shí)現(xiàn)了我國海洋水色衛(wèi)星零的突破，完成了海洋水色功能及試驗(yàn)驗(yàn)證，為我國海洋衛(wèi)星系列發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。2004-04HY-1A停止運(yùn)行，其后續(xù)星HY-1B于2007-04升空。HY-1B繼承了HY-1A的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，繼續(xù)搭載COCTS和CZI(Coastal Zone Imager)傳感器，與HY-1A CCD相比，HY-1B CZI的波段寬度更窄，波段中心波長也有所調(diào)整。HY-1B衛(wèi)星目前仍在軌運(yùn)行。

日本的水色衛(wèi)星計(jì)劃開始的較早，但總體來看進(jìn)展并不順利。日本在1996-08-17發(fā)射的極軌衛(wèi)星ADEOS(Advanced Earth Observation Satellite)上搭載了海洋水色水溫掃描儀OCTS(Ocean Color and Temperature Scanner)，該傳感器共有12波段，光譜范圍400～900 nm，空間分辨率為700 m，刈幅為1 400 km，軌道高度為797 km，傾角為98.6°；由于衛(wèi)星升空后頻繁發(fā)生故障，ADEOS僅運(yùn)行了不到一年的時(shí)間便宣告報(bào)廢。2002-12日本又發(fā)射了極軌ADEOS-II衛(wèi)星，星上搭載的全球成像儀GLI(Global Imager)在OCTS的基礎(chǔ)上作了較大改進(jìn)，在375～12 500 nm的光譜范圍內(nèi)設(shè)置了36個(gè)波段，其中6個(gè)波段的空間分辨率可達(dá)到250 m；2003-10ADEOS-II突然與地面失去聯(lián)系，這對日本的水色衛(wèi)星計(jì)劃來說可謂是雪上加霜。

韓國于1999-12-20發(fā)射的極軌衛(wèi)星KOMPSAT-1搭載了海洋掃描多光譜成像儀OSMI(Ocean Scanning Multispectral Imager)，用于監(jiān)測全球水色，其空間分辨率為850 m，在400～900 nm范圍內(nèi)設(shè)置了6個(gè)波段，軌道高度為685 km，刈幅為800 km，OSMI于2008-01-31停止運(yùn)行。2010-06韓國發(fā)射的靜止衛(wèi)星COMS搭載了全球首個(gè)海洋水色傳感器GOCI(Geostationary Ocean Color Imager)，韓國也成為了全球首個(gè)擁有靜止軌道海洋水色衛(wèi)星的國家。GOCI的空間分辨率為500 m，共有8個(gè)波段，光譜范圍為402～885 nm，軌道高度為35 857 km，覆蓋范圍為2 500 km×2 500 km，GOCI每天可提供8個(gè)時(shí)刻的觀測數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔為1 h，使得海洋-大氣的逐時(shí)變化監(jiān)測成為可能。

表1　中日韓三國歷史和在軌的水色傳感器技術(shù)指標(biāo)

1.2中日韓水色衛(wèi)星遙感應(yīng)用

基于HY-1A/1B數(shù)據(jù)，在海溫、海冰、水色、赤潮綠潮、海上溢油、海上風(fēng)暴的監(jiān)測、海洋漁業(yè)服務(wù)等方面開展了業(yè)務(wù)化應(yīng)用，在我國海洋資源開發(fā)與管理、海洋環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)、海洋災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)報(bào)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。潘德爐等[1]利用準(zhǔn)同步的SeaWiFS數(shù)據(jù)，開展了HY-1A COCTS交叉定標(biāo)研究，結(jié)果表明，交叉定標(biāo)得到的COCTS總輻亮度與現(xiàn)場替代定標(biāo)結(jié)果具有很好的一致性，交叉定標(biāo)方法的精度可以滿足水色遙感的要求。Luo等[2]的研究結(jié)果表明，HY-1A數(shù)據(jù)在渤海海冰監(jiān)測和預(yù)報(bào)中具有應(yīng)用潛力。孫凌等[3]評估了HY-1A CCD水體組分濃度反演能力，結(jié)果表明：HY-1A CCD可以用于二類水體水色反演，特別是在懸浮物濃度的反演方面，該傳感器優(yōu)勢明顯。謝仕義等[4]建立了雷州灣懸浮物濃度反演模型，利用2014-04-11的HY-1B數(shù)據(jù)反演了該區(qū)域的懸浮物濃度空間分布。

盡管OCTS運(yùn)行了不到一年的時(shí)間，但其數(shù)據(jù)資料在觀測黑潮、浮游生物、煙霧等方面發(fā)揮了作用。Yokouchi等[5]基于1997-04—06的OCTS數(shù)據(jù)研究了日本常磐/鹿島沿海黑潮鋒面的Chl-a濃度，結(jié)果表明：高Chl-a濃度的近岸水體與冷水團(tuán)具有密切的聯(lián)系。Fukushima等[6]基于船基和浮標(biāo)的水色數(shù)據(jù)發(fā)展了OCTS的大氣校正算法；Mukai等[7]制作了1997-04-26日本附近太平洋海面的浮游植物色素濃度產(chǎn)品。Stamnes等[8]、Aoki等[9]、Hori等[10]通過對比2001—2005年阿拉斯加和北海道東部4個(gè)站位不同冰雪條件下的GLI和MODIS數(shù)據(jù)，并基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對GLI的冰雪產(chǎn)品進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：衛(wèi)星反演得到的雪表溫度與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.9，均方根誤差為1.1 K。Fukushima等[11]利用衛(wèi)星上自帶的微波散射計(jì)風(fēng)場數(shù)據(jù)發(fā)展了GLI的太陽耀斑去除算法；該算法還可以提高水色產(chǎn)品的可用性以及太陽耀斑區(qū)反射率的精度。

作為世界上首顆靜止軌道水色傳感器，憑借其一天可提供多景數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，GOCI已經(jīng)成為海洋水色遙感研究的新熱點(diǎn)。在海溫、鹽度、水色、潮汐等海洋環(huán)境，赤潮、綠潮、海冰、溢油等海洋災(zāi)害方面已有了很大的研究進(jìn)展。劉猛等[12]研究中GOCI的一天多景數(shù)據(jù)，采用基于半經(jīng)驗(yàn)輻射傳輸模型反演獲得杭州灣懸浮泥沙濃度的時(shí)空分布，結(jié)果表明：潮流變化是該海區(qū)在漲落潮、大小潮懸沙分布變化的主要影響因素；風(fēng)浪作用導(dǎo)致杭州灣海域懸沙濃度枯季明顯大于洪季。Choi等[13]開展了類似的研究。Son等[14]基于GOCI數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬，研究了2011年夏季黃東海的漂浮綠潮，指出綠潮漂移受到洋流和風(fēng)的影響。

1.3中日韓未來的水色衛(wèi)星計(jì)劃

展望未來，中日韓三國在水色衛(wèi)星計(jì)劃方面各有側(cè)重，中國計(jì)劃發(fā)展水色衛(wèi)星星座HY-1C/1D，日本計(jì)劃發(fā)展面向氣候變化研究水色衛(wèi)星GCOM-C，韓國則已開始研發(fā)下一代靜止軌道水色成像儀—GOCI-II。

我國的HY-1C/D將采用上、下午星模式，其中上午星在10:30左右過境，下午星在13:30左右過境。海洋水色水溫掃描儀和海岸帶成像儀仍將是主力遙感器，遙感器性能將進(jìn)一步提高。

日本的GCOM-C衛(wèi)星計(jì)劃于2106年發(fā)射，旨在觀測海氣界面的輻射收支和全球環(huán)境變化。其設(shè)計(jì)軌道高度為798 km，成像時(shí)間為當(dāng)?shù)貢r(shí)間10:30，在380～12 000 nm范圍內(nèi)設(shè)置19個(gè)波段，空間分辨率為250，500和1 000 m，其中250 m分辨率是為了觀測近岸的河流入?？?、區(qū)域性赤潮、潮汐等。

韓國靜止水色GOCI-II計(jì)劃于2018年發(fā)射，與GOCI相比，GOCI-II新增了半球成像(Full disk)方式，白天的成像次數(shù)由8次提高到了10次，新增了1個(gè)全色波段和4個(gè)水色波段(水色波段的范圍370～885 nm)，波段數(shù)提高到了13個(gè)，空間分辨率由500 m提高至250 m。

2　中日韓水色衛(wèi)星計(jì)劃特點(diǎn)的對比分析與評價(jià)

2.1發(fā)展思路上

海洋水色衛(wèi)星計(jì)劃的使命之一是為全球碳循環(huán)研究服務(wù)，因此全球覆蓋是其關(guān)鍵技術(shù)要求。另一方面，海洋的運(yùn)動(dòng)變化特性，凸顯了時(shí)變監(jiān)測的重要性，而極軌水色衛(wèi)星時(shí)間分辨率較低，無法滿足海洋特別是近海逐時(shí)變化觀測的需求，發(fā)展靜止軌道海洋水色衛(wèi)星是解決這一問題的唯一途徑。

在傳統(tǒng)的極軌海洋水色衛(wèi)星領(lǐng)域，美國代表了目前世界的最高水平，用于全球氣候變化研究的高質(zhì)量、長時(shí)間序列、全球海洋水色遙感數(shù)據(jù)集，主要來自于美國的水色衛(wèi)星SeaWiFS和MODIS。反觀其他國家，由于技術(shù)儲(chǔ)備等方面的原因，除歐洲ENVISAT MERIS水色衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有與SeaWiFS和MODIS相當(dāng)?shù)挠^測精度、長期穩(wěn)定性和全球覆蓋能力之外，其他國家的水色衛(wèi)星都與美國存在明顯差距，不能相提并論。

與中日等絕大部分國際追隨美國發(fā)展極軌水色衛(wèi)星不同，韓國在嘗試了極軌水色衛(wèi)星之后，選擇了走靜止海洋水色衛(wèi)星的路子，而實(shí)踐證明這一選擇是正確的。雖然靜止海洋水色衛(wèi)星計(jì)劃發(fā)展之初也有質(zhì)疑的聲音(特別是技術(shù)可行性)，但韓國敢想敢試，先行先試，走到了國際的前列，占據(jù)了領(lǐng)先的地位，為韓國乃至世界的靜止軌道衛(wèi)星水色遙感技術(shù)的發(fā)展都起到了推動(dòng)作用，目前美國(NASA)、歐洲(ESA)都以此為榜樣開始進(jìn)行效仿，積極推動(dòng)各自的海洋水色衛(wèi)星計(jì)劃。

2.2發(fā)展方式上

韓國海洋水色衛(wèi)星計(jì)劃的國際化特色明顯，比如：韓國靜止軌道海洋水色衛(wèi)星的研制和發(fā)射、遙感器的研制都依靠歐洲；現(xiàn)場定標(biāo)檢驗(yàn)系統(tǒng)定期到美國定標(biāo)；設(shè)立研究項(xiàng)目，吸引世界知名科學(xué)家和研究團(tuán)隊(duì)共同開展GOCI衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究和產(chǎn)品開發(fā)等等。

由于GOCI是世界首個(gè)靜止軌道海洋衛(wèi)星遙感器，得到了Kevin Ruddick，Zhongping Lee等一大批世界知名科學(xué)家的關(guān)注，他們都表現(xiàn)出了極大的熱情；韓國也因此受益，不僅在多國科學(xué)家的協(xié)助下拓展了GOCI的應(yīng)用，解決了GOCI數(shù)據(jù)存在的問題(如inter-slot)，而且大幅提升了韓國水色遙感界的國際地位，圖1給出了與韓方建立實(shí)質(zhì)性合作關(guān)系的國際科研機(jī)構(gòu)。

圖1　與韓國海洋衛(wèi)星中心具有合作關(guān)系的國際研究機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1　The international research groups which have a cooperative relationship with the Korean Ocean Satellite Center (KOSC)

當(dāng)然，必須看到韓國開展國際合作也有其客觀原因(如韓國自主的衛(wèi)星技術(shù)、遙感器技術(shù)相對落后)，但他們主動(dòng)思變、差異化發(fā)展的理念和做法值得他國借鑒的。

3　幾點(diǎn)思考和建議

1)在未來的水色衛(wèi)星計(jì)劃設(shè)計(jì)中，建議遵循差異化發(fā)展的思路，在跟蹤、引進(jìn)、消化吸收的基礎(chǔ)上，走出具有中國特色的水色衛(wèi)星發(fā)展道路。

2)在發(fā)展自主海洋水色衛(wèi)星事業(yè)過程中，大力推動(dòng)國際合作。

3)在水色衛(wèi)星規(guī)劃中，考慮極軌和靜止衛(wèi)星相結(jié)合的方式。

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文章編號(hào)：1002-3682(2016)02-0059-07

*收稿日期：2015-12-04

作者簡介：王泉斌(1980-)，男，工程師，碩士，主要從事海洋環(huán)境與資源管理、中韓海洋領(lǐng)域合作等方面研究. E-mail:wangquanbin@fio.org.cn

中圖分類號(hào)：P715.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1002-3682.2016.02.008

Comparison and Analysis on Ocean Color Satellite Projects in China, Korea and Japan

WANG Quan-bin

(TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China)

Abstract:Since the 21st century, a new round of competition has been carried out in the fields of marine resources exploitation, marine environment safety and maritime rights and interests safeguard. All these are inseparable from the cognitive ability for marine environment. As an important high and new technology means for enhancing the marine environmental awareness, the ocean satellite remote sensing has increasingly gotten much attention of the countries all over the world. The ocean color satellite remote sensing is one of the most updated important technical means for ocean environmental detection, by which the color of the ocean surface can be detected through the detector mounted on the remote sensing platform and the concentrations of chlorophyll, sediment and yellow substance in the ocean waters can be inversed, and then other relevant information can be obtained. In the present paper, the development and performance of the ocean color satellites among China, Japan and Korea are introduced briefly, a preliminary comparative analysis of the ocean color satellite projects and applications in the three countries is carried out and their similarities and differences are elaborated and evaluated according to the cited references. Finally, proposals and enlightenments for the future ocean color satellite development in China are suggested from the perspective of the ideas and ways of development.

Key words:China; Japan; Korea; ocean color; satellite project

資助項(xiàng)目：中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目——中韓海洋功能區(qū)選劃政策及技術(shù)方法比較研究(2015G19)

(王燕編輯)