中日韩海洋水色卫星计划对比分析*

王泉斌

(国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061)



中日韩海洋水色卫星计划对比分析*

王泉斌

(国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061)

摘要：21世纪以来，围绕海洋资源开发、海洋环境安全和海洋权益维护，国际上开展了新一轮的海洋竞争，所有这些竞争都离不开对海洋环境的认知，卫星海洋遥感作为世界各国提升海洋环境认知能力的重要高新技术手段，日益得到各国的重视。海洋水色卫星遥感是重要的海洋探测技术，它通过卫星平台上的探测器对海洋表面的水色进行探测，反演出海洋水体中的叶绿素浓度、泥沙含量及黄色物质浓度，进而得到其他相关信息。文章在概要介绍中日韩三国海洋水色卫星发展历程及性能的基础上，对中日韩三国的海洋水色卫星计划及其应用进行了初步的对比分析，基于参考文献对其异同点进行了阐述与评价，从发展思路与发展方式等角度提出了针对我国未来海洋水色卫星计划发展的建议与启示。

关键词：中国；日本；韩国；海洋水色；卫星计划

海洋水色卫星是海洋生态环境监测的重要技术手段。1978—1986年在轨运行的第一颗水色卫星Coastal Zone Color Scanner(CZCS)验证了能力，展示了潜力。在20世纪90年代进入蓬勃发展期，各国竞相发射水色卫星，极大地推动了海洋卫星水色遥感技术的发展。其中，中日韩作为东亚主要海洋国家和经济体，都认识到了水色卫星的重要性，在水色卫星发展上积极作为；但选择了不同的发展道路，各有特色，对其进行对比分析，评述各自的优劣，有助于我国海洋水色卫星更好的发展。本文首先详细介绍了3个国家水色卫星计划，在此基础上，对其异同点进行了对比分析和评价。

1　中日韩水色卫星计划概况

1.1中日韩水色卫星发展历程

我国目前已发射了两颗极轨海洋水色卫星即HY-1A和HY-1B。其中，2002-05-15发射的HY-1A是我国第一颗用于海洋监测的海洋水色卫星。星上搭载了两台传感器，一台是水色水温扫描仪COCTS(Chinese Ocean Color and Temperature Scanner)，另一台是CCD成像仪。COCTS的空间分辨率为1 100 m，共有10个波段，光谱范围为402～12 500 nm。CCD成像仪的空间分辨率为250 m，具有蓝、绿、红和近红外四个波段。HY-1A的轨道高度为798 km，倾角为98.8°，COCTS的刈幅为1 400 km，CCD的刈幅为500 km。HY-1A实现了我国海洋水色卫星零的突破，完成了海洋水色功能及试验验证，为我国海洋卫星系列发展奠定了技术基础。2004-04HY-1A停止运行，其后续星HY-1B于2007-04升空。HY-1B继承了HY-1A的设计特点，继续搭载COCTS和CZI(Coastal Zone Imager)传感器，与HY-1A CCD相比，HY-1B CZI的波段宽度更窄，波段中心波长也有所调整。HY-1B卫星目前仍在轨运行。

日本的水色卫星计划开始的较早，但总体来看进展并不顺利。日本在1996-08-17发射的极轨卫星ADEOS(Advanced Earth Observation Satellite)上搭载了海洋水色水温扫描仪OCTS(Ocean Color and Temperature Scanner)，该传感器共有12波段，光谱范围400～900 nm，空间分辨率为700 m，刈幅为1 400 km，轨道高度为797 km，倾角为98.6°；由于卫星升空后频繁发生故障，ADEOS仅运行了不到一年的时间便宣告报废。2002-12日本又发射了极轨ADEOS-II卫星，星上搭载的全球成像仪GLI(Global Imager)在OCTS的基础上作了较大改进，在375～12 500 nm的光谱范围内设置了36个波段，其中6个波段的空间分辨率可达到250 m；2003-10ADEOS-II突然与地面失去联系，这对日本的水色卫星计划来说可谓是雪上加霜。

韩国于1999-12-20发射的极轨卫星KOMPSAT-1搭载了海洋扫描多光谱成像仪OSMI(Ocean Scanning Multispectral Imager)，用于监测全球水色，其空间分辨率为850 m，在400～900 nm范围内设置了6个波段，轨道高度为685 km，刈幅为800 km，OSMI于2008-01-31停止运行。2010-06韩国发射的静止卫星COMS搭载了全球首个海洋水色传感器GOCI(Geostationary Ocean Color Imager)，韩国也成为了全球首个拥有静止轨道海洋水色卫星的国家。GOCI的空间分辨率为500 m，共有8个波段，光谱范围为402～885 nm，轨道高度为35 857 km，覆盖范围为2 500 km×2 500 km，GOCI每天可提供8个时刻的观测数据，时间间隔为1 h，使得海洋-大气的逐时变化监测成为可能。

表1　中日韩三国历史和在轨的水色传感器技术指标

1.2中日韩水色卫星遥感应用

基于HY-1A/1B数据，在海温、海冰、水色、赤潮绿潮、海上溢油、海上风暴的监测、海洋渔业服务等方面开展了业务化应用，在我国海洋资源开发与管理、海洋环境监测与保护、海洋灾害监测与预报等领域发挥了重要的作用。潘德炉等[1]利用准同步的SeaWiFS数据，开展了HY-1A COCTS交叉定标研究，结果表明，交叉定标得到的COCTS总辐亮度与现场替代定标结果具有很好的一致性，交叉定标方法的精度可以满足水色遥感的要求。Luo等[2]的研究结果表明，HY-1A数据在渤海海冰监测和预报中具有应用潜力。孙凌等[3]评估了HY-1A CCD水体组分浓度反演能力，结果表明：HY-1A CCD可以用于二类水体水色反演，特别是在悬浮物浓度的反演方面，该传感器优势明显。谢仕义等[4]建立了雷州湾悬浮物浓度反演模型，利用2014-04-11的HY-1B数据反演了该区域的悬浮物浓度空间分布。

尽管OCTS运行了不到一年的时间，但其数据资料在观测黑潮、浮游生物、烟雾等方面发挥了作用。Yokouchi等[5]基于1997-04—06的OCTS数据研究了日本常磐/鹿岛沿海黑潮锋面的Chl-a浓度，结果表明：高Chl-a浓度的近岸水体与冷水团具有密切的联系。Fukushima等[6]基于船基和浮标的水色数据发展了OCTS的大气校正算法；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浓度产品。Stamnes等[8]、Aoki等[9]、Hori等[10]通过对比2001—2005年阿拉斯加和北海道东部4个站位不同冰雪条件下的GLI和MODIS数据，并基于现场实测数据对GLI的冰雪产品进行了验证，结果表明：卫星反演得到的雪表温度与实测值的相关系数可达到0.9，均方根误差为1.1 K。Fukushima等[11]利用卫星上自带的微波散射计风场数据发展了GLI的太阳耀斑去除算法；该算法还可以提高水色产品的可用性以及太阳耀斑区反射率的精度。

作为世界上首颗静止轨道水色传感器，凭借其一天可提供多景数据的特点，GOCI已经成为海洋水色遥感研究的新热点。在海温、盐度、水色、潮汐等海洋环境，赤潮、绿潮、海冰、溢油等海洋灾害方面已有了很大的研究进展。刘猛等[12]研究中GOCI的一天多景数据，采用基于半经验辐射传输模型反演获得杭州湾悬浮泥沙浓度的时空分布，结果表明：潮流变化是该海区在涨落潮、大小潮悬沙分布变化的主要影响因素；风浪作用导致杭州湾海域悬沙浓度枯季明显大于洪季。Choi等[13]开展了类似的研究。Son等[14]基于GOCI数据和数值模拟，研究了2011年夏季黄东海的漂浮绿潮，指出绿潮漂移受到洋流和风的影响。

1.3中日韩未来的水色卫星计划

展望未来，中日韩三国在水色卫星计划方面各有侧重，中国计划发展水色卫星星座HY-1C/1D，日本计划发展面向气候变化研究水色卫星GCOM-C，韩国则已开始研发下一代静止轨道水色成像仪—GOCI-II。

我国的HY-1C/D将采用上、下午星模式，其中上午星在10:30左右过境，下午星在13:30左右过境。海洋水色水温扫描仪和海岸带成像仪仍将是主力遥感器，遥感器性能将进一步提高。

日本的GCOM-C卫星计划于2106年发射，旨在观测海气界面的辐射收支和全球环境变化。其设计轨道高度为798 km，成像时间为当地时间10:30，在380～12 000 nm范围内设置19个波段，空间分辨率为250，500和1 000 m，其中250 m分辨率是为了观测近岸的河流入海口、区域性赤潮、潮汐等。

韩国静止水色GOCI-II计划于2018年发射，与GOCI相比，GOCI-II新增了半球成像(Full disk)方式，白天的成像次数由8次提高到了10次，新增了1个全色波段和4个水色波段(水色波段的范围370～885 nm)，波段数提高到了13个，空间分辨率由500 m提高至250 m。

2　中日韩水色卫星计划特点的对比分析与评价

2.1发展思路上

海洋水色卫星计划的使命之一是为全球碳循环研究服务，因此全球覆盖是其关键技术要求。另一方面，海洋的运动变化特性，凸显了时变监测的重要性，而极轨水色卫星时间分辨率较低，无法满足海洋特别是近海逐时变化观测的需求，发展静止轨道海洋水色卫星是解决这一问题的唯一途径。

在传统的极轨海洋水色卫星领域，美国代表了目前世界的最高水平，用于全球气候变化研究的高质量、长时间序列、全球海洋水色遥感数据集，主要来自于美国的水色卫星SeaWiFS和MODIS。反观其他国家，由于技术储备等方面的原因，除欧洲ENVISAT MERIS水色卫星数据具有与SeaWiFS和MODIS相当的观测精度、长期稳定性和全球覆盖能力之外，其他国家的水色卫星都与美国存在明显差距，不能相提并论。

与中日等绝大部分国际追随美国发展极轨水色卫星不同，韩国在尝试了极轨水色卫星之后，选择了走静止海洋水色卫星的路子，而实践证明这一选择是正确的。虽然静止海洋水色卫星计划发展之初也有质疑的声音(特别是技术可行性)，但韩国敢想敢试，先行先试，走到了国际的前列，占据了领先的地位，为韩国乃至世界的静止轨道卫星水色遥感技术的发展都起到了推动作用，目前美国(NASA)、欧洲(ESA)都以此为榜样开始进行效仿，积极推动各自的海洋水色卫星计划。

2.2发展方式上

韩国海洋水色卫星计划的国际化特色明显，比如：韩国静止轨道海洋水色卫星的研制和发射、遥感器的研制都依靠欧洲；现场定标检验系统定期到美国定标；设立研究项目，吸引世界知名科学家和研究团队共同开展GOCI卫星数据的应用研究和产品开发等等。

由于GOCI是世界首个静止轨道海洋卫星遥感器，得到了Kevin Ruddick，Zhongping Lee等一大批世界知名科学家的关注，他们都表现出了极大的热情；韩国也因此受益，不仅在多国科学家的协助下拓展了GOCI的应用，解决了GOCI数据存在的问题(如inter-slot)，而且大幅提升了韩国水色遥感界的国际地位，图1给出了与韩方建立实质性合作关系的国际科研机构。

图1　与韩国海洋卫星中心具有合作关系的国际研究机构示意图Fig.1　The international research groups which have a cooperative relationship with the Korean Ocean Satellite Center (KOSC)

当然，必须看到韩国开展国际合作也有其客观原因(如韩国自主的卫星技术、遥感器技术相对落后)，但他们主动思变、差异化发展的理念和做法值得他国借鉴的。

3　几点思考和建议

1)在未来的水色卫星计划设计中，建议遵循差异化发展的思路，在跟踪、引进、消化吸收的基础上，走出具有中国特色的水色卫星发展道路。

2)在发展自主海洋水色卫星事业过程中，大力推动国际合作。

3)在水色卫星规划中，考虑极轨和静止卫星相结合的方式。

参考文献：

[1]潘德炉, 何贤强, 朱乾坤. HY-1A卫星遥感器水色水温扫描仪在轨交叉定标[J].科学通报，2004(21): 2239-2244.

[2]LUO Y W, WU H D, ZHANG Y F, et al. Application of the HY-1 satellite to sea ice monitoring and forecasting[J].Acta Oceanologica Sinica, 2004，23(2): 251-266.

[3]孙凌, 张杰. 应用遗传算法评估HY-1A CCD反演二类水体组分的能力[J].海洋科学进展，2004(增1)：101-108.

[4]谢仕义, 刘大召, 张莹,等. 雷州湾海域悬浮物浓度遥感监测研究[J].广东海洋大学学报, 2015,35(3):109-113.

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[10]HORI M, AOKI T, STAMNES K, et al. ADEOS-II/GLI snow/ice products—Part III: retrieved results[J].Remote Sensing of Environment, 2007,111(2-3): 291-336.

[11]FUKUSHIMA H, SUZUKI K, LI L, et al.Improvement of the ADEOS-II/GLI sun-glint algorithm using concomitant microwave scatterometer-derived wind data[J].Advances in Space Research, 2009,43(6): 941-947.

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[13]CHOI J K, JE PARK Y, LEE B R, et al. Application of the geostationary ocean color imager (GOCI) to mapping the temporal dynamics of coastal water turbiduty[J].Remote Sensing of Environment, 2014,146(16): 24-35.

[14]SON Y B, CHOI B J, KIM Y H, et al.Tracing floating green algae blooms in the Yellow Sea and the East China Sea using GOCI satellite data and Lagrangian transport simulations[J].Remote Sensing of Environment, 2015,156:21-33.

文章编号：1002-3682(2016)02-0059-07

*收稿日期：2015-12-04

作者简介：王泉斌(1980-)，男，工程师，硕士，主要从事海洋环境与资源管理、中韩海洋领域合作等方面研究. E-mail:wangquanbin@fio.org.cn

中图分类号：P715.7

文献标识码：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

资助项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目——中韩海洋功能区选划政策及技术方法比较研究(2015G19)

(王燕编辑)