HY-1C卫星COCTS L2A级产品在中国和欧洲近海的真实性检验

韩冰，贾迪，高飞，郭凯，朱建华，李铜基，马超飞，刘建强，Giuseppe Zibordi

1.国家海洋技术中心, 天津 300112;

2.国家卫星海洋应用中心, 北京 100086;

3.Institute of Environment and Sustainability, Joint Research Center, Ispra 21027, Italy

1 引 言

自1997年全球第一颗业务化水色遥感器SeaWiFS 发射以来，海洋水色遥感在SeaWiFS、MODIS、MERIS、VIIRS、OLCI 等遥感器的支持下得到了快速的发展。目前，海洋水色遥感数据历史已经超过了20年。海洋水色遥感已成为业务化海洋观测的重要组成部分，提供的基本地球物理参数（遥感反射率）及其反演得到的叶绿素a浓度、悬浮泥沙、有色可溶有机物（CDOM）等对于理解水体的生物地球化学过程及其海洋生态系统对气候变化的响应至关重要（IOCCG，2000；Groom 等，2019），特别是在“碳达峰”、“碳中和”战略目标下的水体富营养化、有害藻华、泥沙输运等生态环境要素的监测具有非常重要的价值。

卫星上搭载的水色遥感器观测到的大气层顶辐亮度包含了来自水体离水辐射和大气程辐射贡献，其中水体的贡献仅约占10%（Morel 和Prieur，1977；Gordon 和Morel，1983）。卫星观测到的辐亮度经过大气校正后（Gordon 和Wang，1994；Jamet 等，2011），得到水体的离水辐射信息，如可见光-近红外谱段的遥感反射率光谱Rrs（λ）（Remote-sensing reflectance，λ为波长）。气溶胶光学厚度AOT（Aerosol Optical Thickness）是大气校正过程的重要参数。遥感反射率受到水体中浮游植物、CDOM和无机悬浮颗粒物等含量和类型等的影响，作为基本气候变量，长时间序列的遥感反射率数据对于刻画生态环境和理解气候变化具有十分重要的作用（Mélin和Franz，2014）。

2018年9月7日，HY-1C卫星在太原发射中心发射成功，是中国第一颗业务化海洋卫星，也是继中国HY-1A 和HY-1B 卫星后的第三颗海洋水色卫星（苗珊珊，2018）。随着2020年6月11日HY-1D卫星的发射成功，中国首次实现海洋水色卫星的组网观测（Suo 等，2021；Liu 等，2022）。HY-1C卫星搭载的有效观测载荷包括海洋水色水温扫描仪（COCTS）、海岸带成像仪（CZI）和紫外成像仪（UVI）等，可每天对全球海洋进行有效监测，服务于自然资源调查、环境生态、应急监测等行业（王利民 等，2019；刘建强 等，2020 和2021；邹亚荣 等，2020；周屈 等，2020；沈亚峰 等，2020），其中COCTS 的幅宽为2900 km，星下点分辨率约为1.1 km。COCTS 提供L2A、L2B 和L2C这3 类标准业务化二级产品，其中L2A 级产品包括可见光到近红外共8 个波段（412 nm、443 nm、490 nm、520 nm、565 nm、670 nm、750 nm 和865 nm）的遥感反射率和865 nm 气溶胶光学厚度；L2B 级产品包括水色要素（叶绿素a 浓度、总悬浮物浓度、悬浮泥沙浓度、黄色物质浓度等）和海表面温度；L2C 级产品为试验产品。基于全自动太阳光度计（法国CIMEL 公司生产，CE318-SeaPRISM）的观测网络（AERONET-OC）能够实现自动的大气和水体光学测量，其观测数据已经在海洋水色遥感产品真实性检验中发挥了重要的作用（Hlaing 等，2014；Qin 等，2017；He 等，2021）。在中国海洋卫星工程地面系统定标检验场网的支持下，全自动的SeaPRISM 已经在中国东海海域部署并从2019年3月开始业务化运行。本文利用中国东海和南海以及欧洲近岸海域的海上试验和SeaPRISM 自动观测的实测数据，对HY-1C 卫星搭载的COCTS 提供的业务化L2A级产品（包括遥感反射率和气溶胶光学厚度）进行了系统性的真实性检验。

2 数据和方法

本文的研究对象为HY-1C 卫星COCTS 获取的业务化L2A 级数据产品的真实性检验。真实性检验所用的源数据包括HY-1C 卫星首次在轨测试（IOT2018）（Han 等，2019）和HY-1D卫星首次在轨测试（IOT2020）期间的实测数据（滕越 等，2022），以及在中国东海和欧洲亚得里亚海部署的SeaPRISM 的自动观测数据（Zibordi 等，2009a），见表1。需要注意的是，表1 中仅给出了在±2 h 内可能与HY-1C 卫星COCTS 数据匹配的站位。其中欧洲亚得里亚海部署的SeaPRISM 位于距威尼斯15 km的近岸海域（Venise），已纳入AERONETOC 观测网络（Zibordi 等，2009a），该网络专门用于海上大气光学特性的研究和水色遥感产品的真实性检验（Lawson 等，2021；Gilerson 等，2017）；而中国东海部署的SeaPRISM 位于距离温州洞头约30 km 的近岸海域（Dongtou）。表2 给出了海上试验数据在典型水色波段（如412 nm、443 nm、490 nm、565 nm、670 nm）及其临近波段的遥感反射率Rrs（Remote-sensing reflectance）率和近红外波段（如865 nm 或870 nm）气溶胶光学厚度AOT的统计结果。

表1 现场实测数据采集区域和站位Table1 Sampling region and location of in-situ data collection

表2 中国和欧洲近海海域现场实测主要水色波段遥感反射率和近红外波段气溶胶光学厚度统计信息Table 2 Statistics of in-situ remote-sensing reflectance and aerosol optical thickness in offshore waters around China and Europe

图1 给出了各个波段遥感反射率和870 nm 气溶胶光学厚度的直方图，从图1中可以发现，各波段遥感反射率和气溶胶光学厚度基本符合正态分布趋势。海上试验、中国东海海域SeaPRISM 和亚得里亚海SeaPRISM 的遥感反射率的众数差异较大，特别是在绿光（565 nm 附近）和红光波段（670 nm 附近），说明3 种水体的光学性质存在较大的差异。气溶胶光学厚度亦是如此。

图1 海上试验（IOT2018 & IOT2020，实线）、中国东海SeaPRISM（SeaPRISM_Dongtou，虚线）和欧洲亚得里亚海SeaPRISM（SeaPRISM_Venise，点线）获取的各个波段遥感反射率和870 nm气溶胶光学厚度的直方分布图Fig.1 Histogram of remote-sensing reflectance at various wavelengths and aerosol optical thickness @ 870 nm collected by field campaigns（IOT2018&IOT2020，solid lines），SeaPRISM deployed in the East China Sea（SeaPRISM_Dongtou，dashed lines）and SeaPRISM deployed in the northern Adriatic Sea（SeaPRISM_Venise，dotted lines）

2.1 卫星遥感产品

HY-1C 卫星COCTS L2A 数据产品从中国海洋卫星数据服务系统（osdds.nsoas.org.cn［2021-08-01］）获取。该产品为标准业务化产品，其包含的主要地球物理产品为遥感反射率（Rrs）和气溶胶光学厚度（AOT）。本文使用的数据包括IOT2018和IOT2020 海上试验期间、2019年3月至2021年6月期间中国东海洞头近岸海域以及2018年9月至2021年6月期间欧洲亚得里亚海威尼斯近岸海域的L2A 级COCTS 数据，其标称的空间分辨率为1.1 km；此外，本文还使用了NASA 发布的AQUA 卫星MODIS 的二级数据产品作为参考数据，该数据从NASA 官方网站（oceancolor.gsfc.nasa.gov［2021-08-01］）获取，同样包括Rrs 和AOT，标称的空间分辨率为1 km。AQUA MODIS水色遥感数据是目前持续时间最长、应用最广泛的水色遥感产品之一（McClain，2009；Joo 等，2015；Glover 等，2018）。

2.2 现场实测数据

2.2.1 海上试验现场观测与数据处理方法

国家海洋技术中心和国家卫星海洋应用中心分别于2018年9—10月和2020年7—8月，联合在中国东海和南海海域组织实施了HY-1C 卫星和HY-1D 卫星的首次在轨测试试验，获取了包括遥感反射率和气溶胶光学厚度在内的现场实测数据。图2给出了中国南海和东海海上试验的遥感反射率光谱和气溶胶光学厚度光谱。

图2 中国东海和南海海上试验（IOT2018和IOT2020）获取的气溶胶光学厚度光谱和遥感反射率光谱Fig.2 In-situ aerosol optical thickness and remote-sensing reflectance during field campaigns in the East and South China Sea，i.e.IOT2018 and IOT2020

遥感反射率的现场测量使用Satlantic 公司的海面光谱仪（HYPERSAS），测量几何为［θ，Φ］=［40°，135°］，以尽量避开太阳耀斑（glint），其中40°为仪器探头与海面法线方向夹角θ，135°为仪器观测平面与太阳入射平面的夹角Φ（图3）。气溶胶光学厚度的测量使用Microtops Ⅱ太阳光度计。遥感反射率、气溶胶光学厚度观测和数据处理均参考NASA SeaWiFS 海洋光学规范（Mueller 等，2003）进行，其中遥感反射率计算时用到的海面反射率采用Ruddick等（2006）推荐的方法。

图3 海面光谱仪现场测量遥感反射率的观测几何Fig.3 Observation geometry of spectroradiometer determining remote-sensing reflectance

遥感反射率计算方法如下：

式中，Lt(λ)、Li(λ)和Es(λ)分别为海面光谱仪观测得到的海面上行辐亮度、天空下行辐亮度和天空下行辐照度，而Trs(λ)和Srs(λ)分别为海面总反射率和天空下行光反射率。ρ为海面反射率。

2.2.2 SeaPRISM 太阳光度计观测与数据处理方法

SeaPRISM 太阳光度计自动观测包括太阳直射数据、天空扫描数据、海面光谱数据在内的3类数据，采用与海面光谱仪类似的观测几何和数据处理方法，不同的是它的天空下行辐照度数据是根据测量得到的太阳直射辐照度观测数据和辅助参数（臭氧含量等）计算得到而不是实际测量得到的，详细的数据处理方法可参考Zibordi 等（2004和2009b）和Jia等（2020）。图4分别展示了中国东海2019年3月至2021年6月、欧洲亚得里亚海2018年9月至2021年6月之间的遥感反射率和气溶胶光学厚度光谱的部分数据。可以看出，中国东海的气溶胶光学厚度变化范围比欧洲亚得里亚海要大；中国东海和欧洲亚得里亚海的遥感反射率均具有显著的二类水体光谱特征，但中国东海的遥感反射率在565 nm 具有更为显著的峰值，即在565 nm 左右两侧呈现出快速的增大或减小，而欧洲亚得里亚海的遥感反射率在490—551 nm 范围内的变化要平缓的多，峰值在490 nm、532 nm或551 nm 都有可能出现，甚至会出现平峰。这说明中国东海洞头近岸水体成分造成的光学特性变化规律性更明显，而欧洲亚得里亚海威尼斯近岸水体则呈现更为复杂的变化（Zibordi 等2004 和2009b）。

图4 SeaPRISM获取的部分实测数据：中国东海洞头近岸海域气溶胶光学厚度光谱和遥感反射率光谱，欧洲亚得里亚海威尼斯近岸海域气溶胶光学厚度光谱和遥感反射率光谱Fig.4 In-situ part of data collected by SeaPRISM sun-photometer.Aerosol optical thickness and remote-sensing reflectance in the East China Sea around Dongtou，and aerosol optical thickness and remote-sensing reflectance in the Northern Adriatic Sea around Venise in Europe

2.3 星地时空匹配方法

在利用现场实测数据对卫星遥感数据真实性检验之前，二者需要进行时空匹配（Bailey和Werdell，2006；Han 等，2019），时空匹配准则为：（1）时间窗口±1.0 h，（2）以距离现场实测站点最近（距离不超过星下点分辨率或3 km）的卫星象元为中心的5×5 象元（空间窗口）的数据纳入最终统计分析。

此外在5×5象元窗口内，只有满足以下条件的匹配数据为有效匹配数据：（1）参考波段（通常选择蓝绿波段）的遥感反射率的有效比例应不低于50%；（2）参考波段的遥感反射率的空间均匀性满足其变异系数（标准偏差/平均值）不高于0.3；（3）遥感数据象元处太阳天顶角不超过75°、观测天顶角不超过60°；（4）对于遥感反射率，选择COCTS 与实测数据中最邻近的波段进行匹配（各数据的波段配置见表3）；（5）考虑二级产品标识（flag）对检验结果的影响，本文采用的flag（Bailey 和Werdell，2006）包括：ATMFAIL、LAND、STRAYLIGHT、HIGLINT、NAVWARN、NAVFAIL、PRODFAIL。

表3 HY-1C卫星COCTS L2A产品和AQUA卫星MODIS二级产品的光谱波段与各种现场实测数据的波段匹配Table 3 Spectral bands of HY-1C COCTS L2A and AQUA MODIS L2 products matched with various in-situ data

得到所有的有效匹配数据后，采用平均相对百分比偏差RPD（Relative Percentage Difference）和平均绝对百分比偏差APD（Absolute Percentage Difference）评价卫星遥感数据的质量。RPD 主要用于刻画被检验数据相对于检验源数据的变化趋势，而APD 则主要用于刻画被检验数据相对于检验源数据的准确度。

始终，Xi-Yi为一组匹配数据，Xi为检验源数据（实测数据），Yi为被检验数据（遥感产品），N为匹配数据量。

3 结果与讨论

3.1 遥感反射率检验结果

3.1.1 基于海上试验数据的检验结果

基于IOT2018 和IOT2020 海上试验现场实测的遥感反射率数据，共发现5组有效的与COCTS L2A产品的匹配数据，全部在中国南海区域（具体可见表1 中标注“×”的站位）。从图5（a）的比对结果可以看出，COCTS 遥感反射率与现场实测的遥感反射率一致性较好，都围绕在1∶1线附近。从表4 可以发现，相比于现场实测数据，COCTS 的遥感反射率出现高估。在蓝光波段（412 nm、443 nm、490 nm），RPD 在24.4%—27.4%（平均值25.6%），APD在50%—69.7%（平均值62.7%）；而在绿光波段（520 nm、565 nm）高估现象加重，RPD 在83.1%—91.2%（平均值87.2%），APD 在92.4%—94.9%（平均值93.7%）；到了红光波段（670 nm），出现严重高估，RPD 超过了200%，APD 则超过了300%。总体来看，COCTS 的遥感反射率相对于现场实测数据高估了90.82%（所有波段RPD 平均值），总体误差为120.43%（所有波段APD 平均值）。如果放松时空匹配的条件（即不考虑空间均一性和有效象元比例，观测天顶角不超过65°），除Rrs565 之外，有效匹配数据显著增加约2 倍，达到15 组左右（表4 括号内的匹配数据量），其中1 组在东海而其余全部在南海。在这种情况下，COCTS 的遥感反射率与现场实测数据依然保持很好的一致性，见图5（b）：总体平均高估了60.66%（所有波段RPD平均值），总体平均误差为92.37%（所有波段APD 平均值），详见表3 括号内的统计数字。二级产品标识对COCTS 遥感反射率与海上试验数据的匹配结果没有产生影响。

图5 COCTS L2A数据的遥感反射率与IOT2018和IOT2020海上试验现场实测数据的对比散点Fig.5 Scatter plot between remote-sensing reflectance given in COCTS L2A data and in-situ data collected in SIOT2018 and IOT2020 cruises

表4 基于IOT2018和IOT2020海上试验现场实测数据对COCTS L2A遥感反射率的检验统计结果Table 4 Statistics of validation of COCTS L2A remote-sensing reflectance as compared with in-situ data collected in IOT2018 and IOT2020 cruises

通过对同期的AQUA 卫星MODIS 的二级数据的遥感反射率的真实性检验发现，MODIS 的遥感反射率共有9 组有效匹配数据，其中东海3 组、南海6 组（具体可见表1 中标注“+”的站位），它们之间一致性优于COCTS，且RPD 和APD 均优于COCTS。具体来讲，MODIS 的遥感反射率更靠近与现场实测数据的1∶1 线，蓝光波段（412 nm、443 nm、469 nm、488 nm）、绿光波段（531 nm、547 nm、555 nm）和红光波段（645 nm、667 nm、678 nm）的遥感反射率的RPD 平均值分别为12.1%、7.8%和54.6%，而其APD 平均值分别为15.0%、17.1%和91.8%；在放松时空匹配的条件（不考虑空间均一性和有效象元比例，观测天顶角不超过65°）之后，MODIS 数据与现场实测数据的有效匹配数据达到17 组，增加的匹配数据全部出现在南海。蓝光波段、绿光波段和红光波段的遥感反射率的RPD 平均值分别为22.1%、32.2%和231.6%，而其APD 平均值分别为26.0%、37.9%和261.0%。

3.1.2 基于SeaPRISM 观测数据的检验结果

（1）中国东海SeaPRISM 数据。基于中国东海洞头近岸海域SeaPRISM 的现场实测数据，共找到21 组与HY-1C 卫星COCOTS 的L2A 遥感反射率有效匹配的数据（其中412 nm 和443 nm 分别为13组和16 组），如图6（a）所示。可以看出COCTS 的遥感反射率与实测数据存在较好的一致性，但整体上要低于现场实测数据（表4）。具体来讲，COCTS 蓝光波段遥感反射率相比于实测数据的RPD 和APD 分别为-40.2%和61.6%，绿光波段的RPD 和APD 分别为-22.9%和30.1%，红光波段的RPD 和APD 分别为-36.7% 和46.0%；总体上，COCTS 遥感反射率相比于实测数据的RPD 和APD在主要水色波段的平均值分别为-33.8%和48.5%。在应用COCTS 二级产品标识筛选后，有效匹配数据大幅较少，仅剩余13 组匹配数据（其中412 nm和443 nm分别为9组和10组），此时，COCTS遥感反射率与实测数据总体一致性变化不大，但在蓝光波段的RPD 和APD 变得更好，所有波段的RPD和APD 平均值分别为-23.0%和47.1%；在放松时空匹配条件（不考虑空间均一性和有效象元比例）之后，有效匹配数据量增加幅度不大，只增加3 组，见图6（b），COCTS 遥感发射率相比于实测数据的RPD 和APD 在主要水色波段的平均值变化也不大，它们分别为-32.4%和46.3%，详见表5括号内的统计数字。

图6 COCTS L2A数据的遥感反射率与中国东海洞头近岸海域的SeaPRISM现场实测数据的对比散点Fig.6 Scatter plot between remote-sensing reflectance given in COCTS L2A data and in-situ data collected by SeaPRISM in the East China Sea around Dongtou

表5 基于中国东海洞头近岸海域附近的SeaPRISM 现场实测数对COCTS L2A遥感反射率的检验统计结果Table 5 Statistics of validation of COCTS L2A remote-sensing reflectance as compared with in-situ data collected by SeaPRISM in the East China Sea around Dongtou

对同期的AQUA 卫星MODIS 的二级数据的遥感反射率的真实性检验发现，MODIS 的遥感反射率与中国东海洞头近岸海域SeaPRISM 共有48组有效匹配数据（412 nm 为47 组），它们之间一致性很好，其RPD 和APD 均优于COCTS。具体来讲，MODIS 的遥感反射率更靠近与现场实测数据的1∶1线，蓝光波段（412 nm、443 nm、488 nm）、绿光波段（531nm、555 nm）和红光波段（667 nm）的遥感反射率的RPD平均值分别为-1.1%、-14.5%和1.7%，而其APD 平均值分别为19.8%、16.4%和16.1%；在放松时空匹配的条件（不考虑空间均一性和有效象元比例，观测天顶角不超过65°）之后，有效匹配数据的数量及其RPD 和APD 的平均值没有变化。值得一提的是，MODIS 的二级产品标识的应用会使的有效匹配数据锐减到6 组，此时，蓝光波段、绿光波段和红光波段的遥感反射率的RPD和APD平均值不减反增。

（2）亚得里亚海SeaPRISM 数据。基于欧洲亚得里亚海威尼斯近岸海域SeaPRISM 的现场实测数据，共发现超过40 组与HY-1C 卫星COCOTS 的L2A 遥感反射率的有效匹配数据（其中565 nm 为24组），如图7（a）所示。可以看出，除670 nm之外，COCTS 的遥感反射率与实测数据存在较好的一致性，但COCTS的Rrs670明显低于实测数据（表6）。具体来讲，COCTS 蓝光波段（412 nm、443 nm、490 nm）遥感反射率相比于实测数据的RPD和APD的平均值分别为34.2%和85.8%，绿光波段（520 nm、565 nm）的RPD 和APD 的平均值分别为-7.0%和38.1%，而红光波段的RPD 和APD 分别为-51.1%和66.6%；总体上，COCTS遥感反射率相比于实测数据的RPD 和APD 在主要水色波段的平均值分别为-6.2%和66.7%。COCTS 二级产品标识的应用并没有改变有效匹配数据量。在放松时空匹配的条件之后，有效匹配数据量有所增加约50%（如Rrs490 匹配数据从45 组增加值72 组），一致性态势没有明显变化，但离散更大，见图7（b）。COCTS 遥感发射率相比于实测数据的RPD 和APD在蓝光、绿光和红光波段的平均值变化分别为22.9%和84.2%、-7.6%和42.3%、78.5%和192.8%，详见表5括号内统计数字。

图7 COCTS L2A数据的遥感反射率与欧洲亚得里亚海威尼斯近岸海域SeaPRISM现场实测数据的对比散点Fig.7 Scatter plot between remote-sensing reflectance given in COCTS L2A data and in-situ data collected by SeaPRISM in the Adriatic Sea around Venise in Europe

表6 基于欧洲亚得里亚海威尼斯近岸海域SeaPRISM 现场实测数对COCTS L2A遥感反射率的检验统计结果Table 6 Statistics of validation of COCTS L2A remote-sensing reflectance as compared with in-situ data collected by SeaPRISM in the Adriatic Sea around Venise in Europe

通过对同期的AQUA 卫星MODIS 的二级数据的遥感反射率的真实性检验发现，MODIS的遥感反射率与欧洲亚得里亚海威尼斯近岸海域SeaPRISM观测数据共有341组有效匹配数据（667 nm匹配数据328 组），它们之间一致性优于COCTS，且RPD和APD 均优于COCTS。具体来讲，MODIS 的遥感反射率更靠近与现场实测数据的1∶1线，蓝光波段（412 nm、443 nm、488 nm）、绿光波段（531 nm、555nm）和红光波段（667 nm）的遥感反射率的RPD平均值分别为-6.3%、-18.6%和-28.8%，而其APD 平均值分别为24.5%、20.3%和36.6%；应用MODIS 二级产品flag 之后，有效匹配数据降至211组，二者一致性更好，蓝光波段、绿光波段和红光波段的遥感反射率的RPD 和APD 平均值也比未使用flag之前更好，分别为-2.8%和21.6%、-18.5%和19.8%、-29.8%和35.5%。在放松时空匹配的条件（不考虑空间均一性和有效象元比例，观测天顶角不超过65°）之后，MODIS 数据与现场实测数据的有效匹配数据增加到400 组左右（667 nm 为382组），蓝光波段、绿光波段和红光波段的遥感反射率的RPD 和APD 平均值基本不变，分别为-6.1% 和26.2%、 -18.4% 和21.4%、 -27.8% 和37.7%。

3.2 气溶胶光学厚度检验结果

3.2.1 基于海上试验数据的检验结果

基于IOT2018 和IOT2020 海上试验现场实测的气溶胶光学厚度，共找到5 组与COCTS L2A 数据匹配的匹配数据（图8，黑色红色实心圆形）。可以明显看出，COCTS 的气溶胶光学厚度相比于现场实测数据出现整体性低估，RPD 为-71.1%，而APD 为71.1%。如果放松时空匹配的条件（不考虑空间均一性和有效象元比例，观测天顶角不超过65°），有效匹配数据达到13 组（图8，黑色正方形），除部分匹配数据更靠近1∶1线之外，COCTS气溶胶光学厚度整体低估的趋势没有改变但有所减弱，RPD 和APD 分别为-56.1%和56.1%。二级产品标识对COCTS 气溶胶光学厚度与海上试验数据的匹配结果没有产生影响。

图8 COCTS L2A数据的气溶胶光学厚度与IOT2018和IOT2020海上试验现场实测数据的对比散点Fig.8 Scatter plot between aerosol optical thickness given in COCTS L2A data and in-situ data collected in IOT2018 and IOT2020 cruises.Red solid circles： standard temporalspatial matchup criteria are applied，black squares：temporal-spatial match-up criteria are relaxed

通过对同期AQUA 卫星MODIS 的二级数据的气溶胶光学厚度的真实性检验发现，MODIS 的气溶胶光学厚度与现场实测数据共有9组有效匹配数据，它们一致性优于COCTS，且它们的RPD 和APD 均优于COCTS。具体来讲，MODIS 气溶胶光学厚度相对于现场实测数据的RPD 和APD 分别为22.4%和42.5%。在放松时空匹配的条件后，有效匹配数据可增加至17 组，RPD 和APD 分别增大至73.3%和84.8%。

3.2.2 基于SeaPRISM 观测数据的检验结果

（1）中国东海SeaPRISM 数据。基于中国东海洞头近岸海域附近的SeaPRISM 实测的气溶胶光学厚度，共找到67 组与COCTS L2A 数据匹配的匹配数据（图9）。可以明显看出，COCTS 的气溶胶光学厚度相比于现场实测数据出现整体性低估，RPD为-59.9%，而APD 为59.9%；当应用COCTS L2A二级产品flag 时，与SeaPRISM 实测数据的有效匹配数据减小到29 组，其低估趋势基本没有变化，RPD 和APD 分别变为-62.1%和62.1%，变化也不大。如果放松时空匹配的条件（不考虑空间均一性和有效象元比例，观测天顶角不超过65°），有效匹配数据达到117 组，除部分匹配数据更靠近1∶1线之外，COCTS 气溶胶光学厚度整体低估的趋势没有改变但有所减弱，RPD 和APD 分别为-55.4%和56.0%。

图9 COCTS L2A数据的气溶胶光学厚度与中国东海洞头近岸海域SeaPRISM现场实测数据的对比散点Fig.9 Scatter plot between aerosol optical thickness given in COCTS L2A data and in-situ data collected by SeaPRISM in the East China Sea around Dongtou.Red solid circles： standard temporal-spatial matchup criteria are applied，black squares：temporal-spatial match-up criteria are relaxed

通过对同期的AQUA卫星MODIS的二级数据的气溶胶光学厚度的真实性检验发现，MODIS 的气溶胶光学厚度与中国东海洞头近岸海域SeaPRISM共有59 组有效匹配数据，它们之间一致性较好，更靠近1∶1线，且RPD 和APD 均优于COCTS。具体来讲，MODIS 的气溶胶光学厚度与实测数据相比的RPD 和APD 分别为8.5%和35.7%。值得一提的是，MODIS的二级产品标识（通遥感反射率）的应用会使的有效匹配数据锐减到5 组，MODIS气溶胶光学厚度的RPD 和APD 分别为-11.2%和21.8%；而在放松时空匹配的条件后，有效匹配数据可增加至81 组，RPD 和APD 分别增大至4.4%和36.0%。

（2）欧洲亚得里亚海SeaPRISM 数据。基于欧洲亚得里亚海威尼斯近岸海域SeaPRISM 实测的气溶胶光学厚度，共找到45 组与COCTS L2A 数据匹配的匹配数据（图10）。可以明显看出，COCTS 的气溶胶光学厚度相比于现场实测数据具有较好的一致性，但出现整体性的高估，RPD 为88.4%，而APD 为107.6%；如果放松时空匹配的条件（不考虑空间均一性和有效象元比例，观测天顶角不超过65°），有效匹配数据达到73 组，COCTS 气溶胶光学厚度整体高估的趋势没有改变，RPD 和APD分别为83.2%和100.9%。二级产品标识对COCTS气溶胶光学厚度与SeaPRISM 实测数据的匹配结果没有产生影响。

图10 COCTS L2A数据的气溶胶光学厚度与欧洲亚得里亚海威尼斯近岸海域SeaPRISM现场实测数据的对比散点Fig.10 Scatter plot between aerosol optical thickness given in COCTS L2A data and in-situ data collected by SeaPRISM in the Adriatic Sea around Venise in Europe.Red solid circles：standard temporal-spatial matchup criteria are applied，black squares： temporal-spatial match-up criteria are relaxed

通过对同期的AQUA 卫星MODIS 的二级数据的气溶胶光学厚度的真实性检验发现，MODIS 的气溶胶光学厚度与欧洲亚得里亚海威尼斯近岸海域SeaPRISM 共有348 组有效匹配数据，它们之间一致性较好但存在显著高估的趋势，MODIS 的气溶胶光学厚度与实测数据相比的RPD 和APD分别为188.4%和188.4%。值得一提的是，MODIS的二级产品flag 的应用会使的有效匹配数据锐减到217 组，MODIS 气溶胶光学厚度高估的趋势没有变化，其RPD 和APD 分别为176.9%和176.9%；而在放松时空匹配的条件后，有效匹配数据可增加至400 组，RPD 和APD 分别增大至213.2%和213.2%。

3.3 COCTS L2A产品总体评价与比对

图11给出了COCTS L2A产品的490 nm、565 nm和670 nm 遥感反射率以及气溶胶光学厚度在不同海域与现场实测数据的比对结果（严格匹配但不考虑二级产品标识影响）。表7 给出了相应的统计结果及其与同期MODIS 的验证结果。

表7 基于中国和欧洲近海不同海域现场实测数对COCTS L2A遥感反射率和气溶胶光学厚度的检验统计结果Table 7 Statistics of validation of COCTS L2A remote-sensing reflectance and aerosol optical thickness as compared with in-situ data collected in various regions across China and Europe

图11 COCTS L2A的遥感反射率和气溶胶光学厚度产品在中国和欧洲近海不同海域（IOT2018&IOT2020、SeaPRISM_Dongtou和SeaPRISM_Venise）与实测数据的比对散点Fig.11 Scatter plot between COCTS L2A products and in-situ measurements in various region across China and Europe（IOT2018&IOT2020，SeaPRISM_Dongtou and SeaPRISM_Venise）

可以看出，COCTS 的遥感反射率在蓝光波段（490 nm）与实测数据不论总体上还是在不同海域均具有较好一致性，较为均衡的分布在1∶1 线两边。两者RPD 和APD 不同海域的平均值分别为-5.6%和46.8%，表明COCTS 在蓝光波段有轻微低估。在绿光波段（565 nm），两者仍表现出较好的一致性，但COCTS 在不同海域的表现不一致，如相对海上试验数据（中国东海和南海）高估，而在欧洲亚德里亚海威尼斯近岸海域，两者RPD 和APD 在不同海域的平均值分别为11.8%和53.0%。而对于红光波段（670 nm），COCTS 总体上存在低估现象，且在不同海域的均出现明显的低估，二者RPD 和APD 不同海域的平均值分别为-51.3%和173.9%。

至于气溶胶光学厚度，COCTS 在中国近海（海上试验和洞头近岸海域）存在显著的低估现象，但在欧洲亚得里亚海威尼斯近岸海域则出现高估趋势，总体上来看，二者RPD 和APD 不同海域的平均值分别为-14.2%和79.5%。

相比于MODIS 二级产品的遥感反射率和气溶胶光学厚度，COCTS 与实测数据的偏差更大一些特别是在蓝光和红光波段。而COCTS 气溶胶光学厚度总体上比MODIS 与实测数据更接近，但COCTS 在不同海域的趋势不同，如在中国近海出现低估现象，而在欧洲近海则出现高估现象；但是MODIS 的高估现象则一直存在，特别是在欧洲亚得里亚海威尼斯近岸海域高估现象特别严重（RPD和APD均为188.4%）。

图12 给出了COCTS L2A 产品以及MODIS 二级产品的遥感反射率在不同海域的平均值与现场实测数据的平均值的比对结果（严格匹配但不考虑二级flag 标识影响）。可以看出，COCTS 的遥感反射率光谱形状与现场实测基本一致，但中国东海洞头近岸海域的光谱差异较大，即前者明显高于后者。

图12 卫星反演的遥感反射率产品在中国和欧洲近海不同海域（蓝色：IOT2018&IOT2020，绿色：中国东海SeaPRISM，红色：欧洲亚得里亚海SeaPRISM）与实测数据（实线）的比较Fig.12 Comparison of satellite-derived remote-sensing reflectance with in-situ measurements（solid lines）in various region across China and Europe（Blue： IOT2018&IOT2020，Green： SeaPRISM in the East China Sea around Dongtou，Red： SeaPRISM in the Adriatic Sea around Venise in Europe）

4 结 论

作为中国第一颗业务化海洋水色卫星，HY-1C卫星提供的业务化遥感数据已经在海洋环境监测、海洋防灾减灾等行业和领域发挥了重要作用。基于现场实测数据的遥感产品真实性检验是国际上公认最可靠的方式。本文利用海洋卫星在轨测试海上试验获取的现场实测数据和在中国东海和欧洲亚得里亚海部署的SeaPRISM 太阳光度计获取的自动连续观测数据，对近海水体的HY-1C 卫星COCTS 的L2A 级业务化产品（遥感反射率和气溶胶光学厚度）进行了质量评估。相比于传统的船基测量方式，SeaPRISM 太阳光度计自动测量能够节省数据获取成本、提升数据获取效率，且观测数据有更宽的时间跨度，有助于研究水色遥感产品误差的时间分布规律。

研究发现，COCTS 的L2A 级业务化产品提供的遥感反射率与现场实测数据在不同海域均具有较好的一致性，但匹配数据的离散度较高，其蓝光波段、绿光波段和红光波段的遥感反射率在不同海域与实测数据的平均相对百分比偏差（RPD）和平均绝对百分比偏差（APD）分别为-5.6%和46.8%、11.8%和53.0%、101.4%和173.9%。COCTS遥感反射率在红光波段出现明显的低估。COCTS遥感反射率光谱形状与实测数据基本一致，但在不同海域表现出较大差异。在中南海海域，二者光谱形状一致性非常高，但COCTS遥感反射率整体高于实测数据，各波段的RPD介于24.4%和293.7%之间，平均值为90.8%；在中国东海海域，COCTS遥感反射率光谱形状与实测数据相似度高，但存在非常显著的低估现象，各波段RPD 介于-47.5%和-17.4%之间，平均值为-33.8%；在欧洲亚得里亚海海域，二者的谱形差异较大，具体表现为：在蓝光波段（412 nm 和443 nm）呈现高估特点，RPD平均值为34.2%，而在绿光和红光波段（565 nm和670 nm）呈现低估特点，RPD 平均值为-35.3%。而对于AQUA 卫星MODIS 的遥感反射率而言，其与实测数据的谱形一致性非常高，在中国南海蓝绿波段遥感反射率呈现轻微高估特点，在中国东海绿光和红光波段呈现高估特点，而在欧洲亚得里亚海总体呈现低估特点。

研究发现，COCTS 卫星L2A 级业务化产品提供的气溶胶光学厚度在不同海域呈现整体性的低估趋势，RPD 平均值分别为-14.2%。在中国东海和南海海域则呈现整体性的低估趋势，RPD 分别为-59.9%和-55.9%，而在欧洲亚得里亚海海域则呈现高估趋势，RPD 为88.4%。对于AQUA 卫星MODIS 而言，其气溶胶光学厚度在中国东海和南海海域与实测数据保持高度一致性，而在欧洲亚得里亚海海域则出现明显的高估线性。

对比COCTS 和MODIS 的业务化产品，本研究认为HY-1C 卫星COCTS 的L2A 级产品在反演精度方面仍有较大的提升空间，特别是遥感反射率产品。但是由于本文中使用的数据在采样时间和区域上的限制，评估结果仍存在一定的时空局限性。随着数据量的增大，采用本文的方法对同类产品进行真实性检验，能够更准确的评估其误差的时空分布和变化规律。

本文的研究结果对于定量评估水色遥感产品的质量具有一定的借鉴意义，对于进一步提升中国自主海洋卫星遥感定量化水平一定的指导作用。

志 谢感谢国家卫星海洋应用中心对海上试验和中国东海洞头近岸海域SeaPRISM 观测系统的资助；感谢“润江1”船全体船员对海上试验的支持和帮助；对付出辛苦劳动的数据采集和处理分析人员表示衷心的感谢！感谢中国海洋卫星数据服务系统提供HY-1C 卫星COCTS 二级产品（osdds.nsoas.org.cn），感谢Giuseppe Zibordi 提供Venise 的SeaPRISM 观测数据（https：//aeronet.gsfc.nasa.gov），感谢NASA 提供AQUA 卫星MODIS 二级产品（http：//oceancolor.gsfc.nasa.gov）。感谢匿名评审专家给出的有益的意见和建议。