我国海洋卫星数据应用发展现状与思考
发布时间：2021-03-10
摘要：海洋科学是一门依赖于观测的学科，卫星是海洋研究的重要观测平台之一，海洋卫星数据在海洋科学研究中具有重要的意义。本世纪初以来，我国陆续发射了多颗专门用于海洋观测的卫星，初步拥有自主海洋卫星全球观测网络。本文针对国内外海洋卫星资源基本情况，研究分析了我国海洋卫星数据应用发展现状，特别是在海洋卫星数据接收、处理、管理、应用等方面的情况，提出了我国海洋科学研究对卫星数据的科研需求，探讨了我国海洋卫星数据科学应用存在的问题和发展策略。
关键词：海洋卫星;数据应用;发展策略
为服务海洋经济与海洋科技的发展，国内外众多机构不断增加发射海洋卫星，卫星数据资源不断丰富，数据精度及应用的深度和广度也不断增强并日臻完善。利用海洋卫星可开展海洋水色、海洋动力、海冰、台风、海洋渔业等业务化应用，在海洋环境保护、海洋预报(刘娜等，2018)、海洋监测与减灾防灾(蒋兴伟等，2019;林明森等，2018)、海洋资源开发(官文江等，2017)、海上公共安全与重大工程建设、海洋科学研究和区域海洋应用等各方面都发挥了重要的作用。伴随大数据时代的来临，海洋卫星数据的应用前景广阔。本文总结了国内外海洋卫星的基本情况和我国海洋卫星数据应用发展的现状，在此基础上提出我国海洋卫星数据应用发展中存在的主要问题，并提出未来的发展策略。
1国内外海洋卫星资源基本情况
全球航天大国均具有较为完备的海洋空间观测系统。作为世界航天最强国，美国从20世纪70年代就发射了专门的海洋卫星，首颗专门用于海洋观测的卫星SEASAT于1978年成功发射，40年来发展了海洋环境、海洋水色、海洋动力等不同类型的专用海洋卫星，实现了从空间快速获取海洋信息的强大能力，并形成了多种业务应用。我国海洋卫星发展起步较晚，本世纪初才发射第一颗海洋卫星HY-1A(蒋兴伟等，2008)。我国海洋卫星发展迅速，已经逐步构建起我国自主海洋卫星的全球观测网。目前海洋卫星系列已经成为我国卫星对地观测系统的主要组成部分，也是《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015-2025)》中遥感卫星的重要组成部分。“十三五”到“十四五”期间，我国将要发射10颗以上海洋系列卫星或以海洋为主要应用方向的卫星;到2025年，我国将建立完备的海洋卫星体系。
1.1海洋卫星主要类别
国际上的海洋卫星大体分为三类：海洋水色卫星(如SeaWiFS)、海洋动力环境卫星(欧洲中心的Jason系列卫星)、海洋综合探测卫星(如Sentinel-3卫星)。
海洋水色卫星是对海洋水色要素(如叶绿素、悬浮沙和可溶性的有色有机物质等)和水温及其动态变化的探测(Hooker等，1993;Gregg等1998)。有效载荷通常选用灵敏度高、信噪比高、光谱分辨率高、波段多、带宽窄的海洋水色扫描仪(张可立等，2018)。通常空间分辨率在300-1000米，地面覆盖周期2-3天。发展海洋水色卫星的目的在于掌握海洋初级生产力分布、海洋渔业及养殖业资源状况和环境质量，了解河口港湾的悬浮泥沙分布规律，监测近海溢油(孙乐成等，2019)、赤潮富营养化、循环水排海热污染、海冰冰情(张树德等，2019)、浅海地形等。
海洋动力环境卫星是对海洋风场、海面高度、浪场、流场以及温度场等动力环境要素探测的卫星(林明森等，2018)，有效载荷通常是微波散射计、微波辐射计、雷达高度计等，并具有多种模式和多种分辨率。发展海洋动力环境系列卫星的主要目的在于利用微波散射计监控全球海洋表面风场，得到全球海洋上的风矢量场和表面风应力数据，利用雷达高度计提供全球海洋地形数据，得到全球高分辨率的大洋环流、海洋大地水准面、重力场和极地冰盖的变异等(Chelton,1985)。海洋动力环境卫星获取的实时高精度海面动力和海底拓扑资料，具有重要的战略价值。
海洋综合探测卫星是对全球与近海(包括海岸带)海洋动力环境和生态环境各种信息的综合遥感监测，同时具备多种载荷。有效载荷包括可见光、红外，主动、被动遥感器，如多光谱成像仪、合成孔径雷达、微波散射计、辐射计、高度计等(Donlon等，2012)。发展海洋环境综合卫星的主要目的在于提供全天时、全天候海况实时资料，用于改进海况数值预报模式，提高中长期海况预报准确率。同时提供海上目标、海岸带调查、海洋污染的实时同步海洋要素，为海洋环境监测、维护海洋权益和海岸带资源调查、综合利用与管理服务。
1.2国外海洋卫星发展现状
目前国外主要海洋卫星包括美国SeaWiFS、MODIS、VIIRS，欧洲空间局的MERIS(陈双等，2014)、Sentinel-3卫星，韩国静止轨道卫星GOCI(李冠男等，2014)，用于海洋水色的测量。例如：用于测量全球海表温度AVHRR系列卫星;用于构建海面高度数据的TOPEX/POSEIDON(陈双等，2014)，Jason-1/2/3和ERS/Envisat等多颗高度计卫星;用于提取海面高度的GRACE和CHAMP重力卫星，用于海面风速测量的快速散射计QUICKSCAT卫星，用于海面风速、降雨和海温反演的卫星AMSR-E、AMSR-2、WindSat、TRMM等，用于海面盐度(电导率)反演的美国Aquarius和欧空局的SMOS卫星，用于海冰参数测量ICESat，CryoSat-2，SSM/I、SSMIS等(蒋兴伟等，2018)。
同时，很多陆地卫星也用于海洋的研究中，包括传统的陆地卫星Landsat系列(段广拓等，2018)，高分辨率光学卫星SPOT、Quickbird，Pleiades以及Worldview系列卫星，用于海面目标、近海岸带生态系统、海岛以及海岸线变迁研究;一些高分辨率雷达卫星，如加拿大Radarsat系列卫星，德国TerraSAR-X/TanDEM-X卫星，ENVISAT-ASAR，Sentinel-1等卫星，可用于海面粗糙度、海浪谱估算等的海洋动力过程研究。
国外海洋卫星发展形成了多种海洋业务化的卫星数据产品。包括：以海面风场、海浪、海表层流、海面温度、水汽含量等为代表的海洋动力环境及多源遥感融合数据产品;以叶绿素、有色溶解有机质、悬浮物、初级生产力、光合有效辐射等为代表的海洋光学参数、海洋生态环境参数及其衍生的(如海洋渔业)等遥感产品;以海底地形、重力场等为代表的海洋地球物理产品。
1.3我国海洋卫星发展现状
我国海洋卫星包括海洋水色卫星星座、海洋动力卫星星座和海洋监视监测卫星3个系列。海洋水色卫星是以可见光和红外成像观测为手段的海洋遥感卫星。我国海洋水色卫星星座的发展包括3个阶段。第一阶段：海洋1A和海洋1B卫星。其中，海洋1A卫星作为试验型业务卫星，有效载荷包括1台十谱段海洋水色水温扫描仪(COCTS)和1台四谱段海岸带成像仪(CZI)，对中国邻近海域的重访周期为3天。海洋1A卫星在轨运行685天，成像约1900轨，在海洋环境保护和海洋科学研究等领域发挥了重要作用。海洋1B卫星是海洋水色系列卫星的第二颗实验星，同样装载了1台十谱段海洋水色水温扫描仪(COCTS)和1台四谱段海岸带成像仪(CZI)，可实现对中国邻近海域的每天重复观测。海洋1B卫星在轨运行8年10个月，共成像19233轨，获得原始数据8.84TB。第二阶段：海洋1C和海洋1D卫星。其中，海洋1C卫星于2018年9月成功发射，是中国海洋系列卫星的首颗业务卫星。海洋1C卫星上的COCOTS信噪比大幅提升，可以分辨出更加细微的水色变化;CZI的空间分辨率提高到50米，卫星技术状态达到了国际先进水平，能够提供每天全球海洋空间全覆盖海洋水色卫星资料;海洋1D卫星于2020年6月成功发射，将与海洋1C卫星组网运行，开展大幅度、高精度、高时效观测，具备全球1天2次的水色水温探测覆盖能力，使海洋观测更加全天候。第三阶段：为实现国产水色卫星技术性能和应用能力达到国际先进水平的新一代水色卫星，包括正在规划的静止轨道卫星及预计于2022年发射的新一代HY1E卫星，后者将实现全球海洋水色的高空间分辨率，高光谱分辨率观测，相应载荷已经在“天宫二号”进行了实验(林明森等，2019)。
海洋动力环境卫星包括海洋2号系列卫星、中法海洋卫星与海风海浪卫星和海洋盐度卫星。海洋2号系列卫星：海洋2号系列卫星以海面风场、高度、温度等动力环境要素为探测对象。2025年前的发展包括3个阶段：第一阶段：海洋2A卫星;第二阶段：海洋2B/C/D卫星;第三阶段：新一代海洋动力环境卫星。中法海洋卫星与海风海浪卫星：中法海洋卫星(CFOSAT，ChinaFranceOceanographicSatellite)于2009年立项，2018年10月29日在酒泉卫星发射中心成功发射(王丽丽等，2018)。航天科技集团东方红卫星有限公司负责卫星平台研制，有效载荷包括法国CNES研制的海洋波谱仪(SWIM)和中国科学院国家空间科学中心研制的微波散射计(SCAT)，较HY-2B/C/D星具有更高的空间分辨率和风向精度(Lin等，2011，2019;Xu等2019;Liu等，2020)。海风海浪卫星是中法海洋卫星的后续星。国家卫星海洋应用中心于2017年底启动了该星立项论证工作。海洋盐度卫星：海洋盐度卫星列入国家空间基础设施“十二五”科研星计划，于2015年开展先期攻关，目前已经批准立项。该星载荷包括二维综合孔径海洋盐度计和多频主被动微波成像仪，分别由航天科技集团西安分院和中国科学院国家空间科学中心牵头论证。
海洋监视监测卫星将包括低轨SAR卫星、高轨SAR卫星和高轨海洋卫星，通过高分辨率成像观测实现对海洋的综合监测监视。低轨SAR卫星(高分3号卫星)于2016年(杨劲松等，2017)发射。高轨SAR卫星列入国家民用空间基础设施“十二五”科研星计划，于2015年启动先期攻关。高轨海洋卫星列入国家民用空间基础设施“十四五”科研星计划，是国内首次在静止轨道上开展海洋水色观测，并以紫外成像为手段开展溢油观测，可以得到高时间分辨率的海洋环境光学观测数据，对海洋、环境等学科和应用有重要意义。
相关期刊推荐：《热带海洋学报》(双月刊)创刊于1982年，是由中国科学院南海海洋研究所主办、科学出版社出版、国内外公开发行的海洋学综合学术刊物。主要刊载南海及邻近热带海洋学研究中有关海洋水文、海洋气象、海洋物理、海洋化学、海洋地质与地球物理、海洋沉积、河口海岸、海洋生物、海洋污染与防治、海洋仪器与技术方面的最新研究成果和学术论文以及反映最新学科前沿动态的综述性文章。
目前国内发射的光学卫星，如高分(程益锋等，2018)系列卫星(GF-1，GF-2，GF-4)、资源系列卫星(ZY-3)、环境系列卫星(HJ-1A/B)也用于海岸带海岛的研究中。
2我国海洋卫星数据应用发展现状
2.1海洋卫星数据接收、处理与管理
我国海洋水色、海洋动力环境卫星数据由国家卫星海洋中心负责接收和处理;海洋监视监测SAR卫星数据由中国资源卫星中心、中科院相关研究所负责。海洋卫星数据处理主要由国家卫星海洋应用中心负责，中科院主要是作为有效载荷研制负责单位参与部分数据产品处理算法研究和软件研制工作。海洋卫星数据产品的开发由国家卫星海洋应用中心负责，并负责数据分发。目前国内海洋卫星已经初步形成了多样的海洋卫星数据产品，并由国家卫星海洋应用中心统一分发(https://osdds.nsoas.org.cn/)。初步形成了稳定、可靠的海洋卫星数据服务体系，但海洋卫星数据的数据质量、数据分发系统能力尚需要改进和提高。
2.2海洋卫星数据应用
通过对近年来报告的分析，我国海洋卫星数据应用与海洋卫星的能力相比有很大的提升空间。国外对于我国海洋卫星给予很大关注，特别是HY-2A/2B卫星得到国外的重视，法国、欧洲气象卫星组织(EUMETSAT)都通过双边合作获得HY-2A/2B(雷达高度计、微波散射计)数据，并开展了应用试验，取得了较好的效果，也验证了卫星载荷的性能(张有广等，2018)。但这些应用主要是获取部分低级产品数据进行处理生成高级试验产品进行试验。例如对海洋1C的CZI载荷在浑浊二类水体和清洁水体的不同带外响应(Out-Of-BandResponse)特性进行评估(Cuietal.,2018);利用海洋光学浮标(MarineOpticalBuoy,MOBY)和MODIS/Terra观测的气溶胶信息对海洋1C的COCTS载荷进行辐射定标(Songetal.,2019);对于利用海洋卫星数据开展的科学研究，对数据的要求更强调定量化、易获取和质量保证，并具有一定时长的数据积累，我国海洋卫星数据在这几个方面相对国外数据还有一定的差距，所以在科学研究方面国产卫星数据的应用受到一定限制。
国产海洋卫星数据整体应用不多，其主要原因在于以下几个方面：
(1)国产海洋卫星数据时间较短。国产卫星起步较晚，早前卫星数据的精度不够，很难形成业务化应用产品，近年来卫星数据质量明显提高，但时间长度不够，对于需要较长时间序列分析的研究和应用，国产卫星数据时间长度不够。
(2)国产海洋卫星数据产品需要进一步丰富。目前共享的国产卫星数据产品最高级别为2级产品。并没有可以直接用于业务化分析的三级和四级产品，对于没有任何卫星遥感知识的科研工作者和业务化应用这存在一定的困难。
(3)国产海洋卫星的推广不够。目前国产海洋卫星的分发机构较少，数据主要由国家卫星海洋应用中心分发，尚未在国内其它数据共享系统中进行共享分发。
(4)国内海洋卫星全球近实时的观测处理和数据发布(时效性)能力尚未形成，是制约数据应用的重要因素之一。
2.3海洋科学研究对卫星数据的需求
经初步调研，我国海洋科学家使用海洋卫星数据的学科领域主要集中在物理海洋学、海洋遥感、地球物理学、应用海洋学、地图学与地理信息系统等，海洋卫星数据多用于海洋数值模拟、海洋环流与涡旋、海洋内波(孙丽娜等，2018)、海洋防灾减灾(贾永君等，2018)、气候与环境变化(丁庆霞等，2016)、北极海冰(马雪沂等，2019)等科学研究。目前卫星资料使用主要以国外资料偏多。
海温数据主要来源于AVHRR、MODIS、TRMM、AMSR等卫星;多用于海气数值预报与数值同化、海洋三维温盐场实时重构、群发性海洋灾害致灾机理、黑潮入侵、海洋内波、多尺度海气相互作用及气候变化、生态过程与物理过程相互作用、北极海冰等研究。数据产品的空间精度一般在1/12°到1/4°。风场数据主要来源于QuikSCAT、ASCAT;多用于多尺度海气相互作用及气候变化、海洋环流与涡旋、台风对海洋(生态)环境影响、海洋灾害致灾机理等研究，空间分辨率通常在25km左右。海面高度数据主要来源于AVISO高度计合成产品及融合资料，GRACE和CHAMP重力资料，空间分辨率在1/4o左右;多用于数值预报与资料同化、多尺度海气相互作用与气候变暖、海洋环流与涡旋、海洋环境场实时重构、大地水准面和重力异常、地球表面流体质量多时空尺度变化及全球水质量分布研究。海面盐度数据主要来源于SMOS，Aquarius，空间分辨率在1o左右。多用于数值预报与资料同化、多尺度海气相互作用与气候变暖、海洋环流与涡旋、海洋热通量估算、海洋热盐环流等研究。叶绿素数据主要来源于MODIS、VIIRS、MERIS、SeaWiFS及Sentinel-3等，分辨率在300m-1000m之间。多用于海洋监测与防灾减灾、海洋初级生产力等研究。海面降雨数据主要来源于TRMM、AMSR-E、AMSR-2等。多用与海洋降水、海气通量、海洋气候等研究。
海洋科学部分研究尚需要更高精度卫星数据，如高分辨率海洋水色卫星，分辨率不低于30米，波段配置信噪比等不差于SeaWiFS，用于近岸河口水质监测;高分辨率海面高度数据(空间分辨率到公里级别)或海洋流场数据，用于研究海洋小尺度过程，如规划中的SWOT卫星(徐永生等，2017);高空间分辨率卫星，包括米级和亚米级的光学、微波卫星，用于海岸带、海岛变迁等监测研究，如高分2号卫星;高分辨率海洋盐度卫星(张庆君等，2017)，比SMOS，Aquarius卫星的分辨率高，且受干扰少;覆盖西太平洋海域(特别是130°E以东)的实时或准实时通信卫星。其他如对静止轨道卫星的需求，用于中国近岸水体水质监测。同时，在辨识海洋涡旋研究中，亟需SAR卫星图像。——论文作者：文质彬1，吴园涛1，李琛1，殷建平2
