世界首颗静止轨道海洋水色卫星应用研究进展

海洋环境参数和赤潮、绿潮等海洋灾害在一天之内会有明显的变化,需要高频率的观测才能满足监测的需求,极轨水色卫星观测频率低,而静止轨道水色卫星在观测频率方面具有绝对优势。2010年韩国发射了世界上第一颗静止轨道海洋水色卫星GOCI(Geostationary Ocean Color Imager),使小时级时间分辨率的水色遥感成为现实,各国科学家围绕该数据迅速开展了大量研究工作。本文首先介绍了GOCI遥感器的主要参数信息及其数据处理软件,然后综述了GOCI自问世至2016年的主要研究进展,涉及卫星数据处理、产品质量评价、海洋环境探测、海洋灾害监测、海洋动力过程探测、大气探测等方面,以期对我国水色遥感特别是静止轨道水色遥感应用研究提供参考。

韩国静止轨道海洋与环境卫星GK 2B及载荷分析

2020年2月19日,地球静止轨道-韩国多用途卫星2B(GK 2B,又称千里眼2B)搭乘阿里安-5ECA火箭在库鲁航天发射场成功发射。3月9日,卫星成功定点于目标轨道[高度35786km,128.25°(E)]。该卫星搭载“全球海洋水色成像仪”(GOCI-II)和“地球静止环境监测光谱仪”(GEMS)2个有效载荷,用于海洋监测和环境监测任务。

基于现场调查和GOCI卫星遥感下东海原甲藻赤潮生消特征

浙江省南部沿海地区是赤潮频发的显著地区之一。本文通过现场调查以及利用世界首个海色静止卫星COMS(communication, ocean&meteorological satellite)上搭载的GOCI(geostationary ocean color Imager)传感器数据,分析了2016年5月洞头和南麂列岛附近海域东海原甲藻赤潮生消过程。根据现场调查浮游植物绝对优势种东海原甲藻细胞丰度,将现场调查区域爆发的东海原甲藻赤潮过程分为生长阶段(5月9日至5月12日)、维持阶段(5月13日至5月18日)和消散阶段(5月19日和20日) 3个阶段,赤潮维持阶段现场叶绿素a(Chl a)浓度显著高于生长阶段和消亡阶段。通过GOCI卫星反演的Chl a浓度、赤潮指数(red tide index,RI>2.8定义为赤潮爆发面积),显示了赤潮的发展趋势,即从洞头群岛的东北方向逐步向南麂列岛西南方向迁移。另外,从5月12日Chl a日变化图像分析结果来看,东海原甲藻赤潮日变化主要中由潮汐和藻类本身垂直迁移共同决定。因此,根据GOCI数据结合现场调查可以有效地监测东海原甲藻赤潮的短期(日变化)和长期(赤潮的整个过程)变化过程。

基于GOCI卫星的长江口水域水质反演及评价

长江大保护背景下,长江口水环境监测具有重大需求,迫切需要快速有效的监测手段增强监测能力。本文基于长江口现场实测和GOCI卫星影像,建立了水质参数反演模型,实现了总磷、总氮、化学耗氧量和溶解氧的遥感反演,具有较好的反演精度,进一步参考海水水质标准和地表水环境质量标准,对遥感反演的海域进行了水环境质量评价,长江口水域水环境质量较好,整体处于一、二类水水平,总氮略偏高为三类水。本文提出的水质监测与评价方法能够为长江大保护提供有力的技术支撑。

静止水色卫星GOCI及其应用进展

海洋水色遥感技术是新兴的探测技术,能够通过遥感平台上搭载的探测器对海表水色信息进行探测进而获取海洋信息。随着极地轨道卫星发展逐渐成熟,地球静止卫星也进入了发展阶段,开启了水色遥感技术的新时期。本文基于地球同步卫星的优势特点,着重总结了第一颗地球静止水色卫星GOCI(geostationary ocean color imager)的主要参数信息及标准水色算法,同时对各算法的应用范围、计算公式及各方法的联系进行了简要的介绍,并针对其实际应用进行了讨论,验证了GOCI数据的实用性,最后指出了GOCI在目前研究过程中存在的问题,并对第二代地球同步遥感器进行简要论述,以期为海洋探测研究提供更多的技术支持。

基于GOCI的近岸高浓度悬浮泥沙遥感反演——以杭州湾及邻近海域为例

基于ITT Visual Information Solutions公司的快速大气校正模块QUAC(Quick Atmosphere Correction),采用静止轨道海洋水色卫星(GOCI)数据实现对杭州湾及其邻近海域高浓度悬浮泥沙含量的快速反演,研究表明:1)经QUAC大气校正后得到的真实地表反射率比值与海洋遥感反射率比值基本一致,表明QUAC是一种适用于高浊度水体且快速简便的大气校正方法;2)悬浮泥沙反演结果显示,杭州湾及其邻近海域的悬浮泥沙含量的日变化主要受潮水作用的影响,月季变化主要受长江冲淡水流量季节、季风以及涌潮等影响,杭州湾北部芦潮港沿岸和庵东沿岸悬浮泥沙长期处于高值,为典型的淤积水域.冬季,苏北浅滩的悬浮泥沙在苏北沿岸流的作用下,可穿过长江口,是杭州湾悬浮泥沙的来源之一.由此可见,GOCI小时分辨率的观测能力使得对杭州湾及其邻近海域悬浮泥沙含量动态变化的准实时观测成为可能.

采用二流式算法的GOCI／AOT反演方法及其应用

针对静止海洋水色传感器(GOCI)2.1μm短波红外通道缺失和高太阳天顶角的特点,采用二流式算法,并考虑气溶胶的折射率、地球曲率等因素,重新计算地表反射率、表观反射率以及反演GOCI气溶胶光学厚度(AOT).结果表明:参数重新计算后的GOCI\AOT反演精度明显增高;根据目前广泛使用的实测AOT(440nm)>1.00霾判定阈值,采用线性内插方法,建议GOCI\AOT以AOT(555nm)>0.81作为霾判定阈值;中分辨率成像光谱仪(MODIS)是业务化的极轨卫星,GOCI\AOT整体略大于MODIS\AOT,拟合精度R2=0.82.以2015年11月27日至同年12月2日华北地区发生的霾事件为例,结合具有大范围观测能力的MODIS卫星,多源遥感监测方法有效地反映了该霾事件的动态发展过程.

基于GOCI的渤海海域赤潮信息遥感监测与分析

赤潮已经成为渤海最普遍的海洋灾害之一,对赤潮的发生、发展和消亡过程进行监测具有重要意义。本研究利用GOCI遥感影像获取的叶绿素a和赤潮指数计算结果,分别基于OTSU算法、K-means聚类、最大熵阈值方法提取赤潮,对比分析赤潮提取的准确性和有效性,并研究了赤潮信息的昼变化规律和赤潮发生前后海洋水色参数的变化特征。结果表明:基于赤潮指数计算结果图像并应用OTSU算法的赤潮提取精度最高;赤潮信息的昼变化明显,其中面积呈先增大后减小的态势,最大面积出现在上午10:00左右;赤潮的发生引起水色参数的增高,并随着赤潮的消亡水色参数又迅速降低。研究赤潮发生周期呈现的水色参数变化规律,对于预报和预测赤潮的发生发展具有一定的应用价值。

基于GOCI和FVCOM的黄河口切变锋特征与泥沙输运研究

本文以黄河口切变锋为对象,基于静止轨道海洋水色成像仪(Geostationary Ocean Color Imager,GOCI)遥感数据和水沙观测数据,建立了高精度的渤海海表悬浮体浓度(Suspended Sediment Concentration,SSC)反演公式,采用最大互相关(Maximum Cross Correlation,MCC)法和SSC梯度相结合的方法,有效识别了遥感观测的锋面时空特征;同时基于有限体积海岸海洋模型(Finite-Volume Community Ocean Model,FVCOM)建立了适用于渤海的水动力模型,将FVCOM流场数据与海表SSC相结合,研究了黄河口切变锋对悬浮体通量的影响与河口泥沙输运路径。结果表明,切变锋从黄河口往东南方向移动,历时2~3 h,消失于10 m等深线附近,内涨外落(Inner-Flood-Outer-Ebb,IFOE)型切变锋的长度较内落外涨(Inner-Ebb-Outer-Flood,IEOF)型更长,IFOE型切变锋的平均长度约为22.4 km,最长能达到41 km以上,而IEOF型切变锋平均长度约为16.9 km;IFOE型切变锋消失的位置较IEOF型偏南。切变锋带由于具有低流速特征,能显著减小悬浮体通量,使大部分泥沙沉积在河口。切变锋处悬浮体通量不足其内侧的50%,超过50%的悬浮泥沙被切变锋阻隔在锋面内侧。切变锋使悬浮体通量提前减小,在6 m以浅海域即开始锐减。在潮流和锋面的影响下,非汛期黄河口泥沙主要往南或东南向莱州湾中部输运,再往东北输向莱州湾外,极少部分往西北和渤海中部输运。

基于静止卫星GOCI数据的陆地上空气溶胶光学厚度遥感反演

以长江三角洲地区为研究区,基于2013年共72d的晴空GOCI数据,利用深蓝算法进行了研究区上空气溶胶光学厚度的遥感反演研究,并利用两个实测站点数据进行了验证。结果表明:GOCI数据可以用于陆地气溶胶的反演,两个站点均呈现较高的拟合精度,南京信息工程大学北辰楼站拟合度为0.659,AERONET太湖站拟合度为0.747,与MODIS气溶胶产品相比也表现出很好的一致性。同时,研究发现基于静止卫星GOCI数据的气溶胶产品具有监测气溶胶日内变化的能力,为气溶胶的动态扩散和气候效应研究等提供参考和借鉴。

基于静止轨道水色卫星数据的渤海总吸收系数遥感反演和逐时变化研究

渤海是我国的半封闭内海,受陆源影响显著,水体光学性质复杂多变,静止轨道水色卫星(GOCI)的高时间分辨率数据为研究渤海水体总吸收系数的时空变化特征,特别是逐时变化提供了可能。针对GOCI波段设置,利用实测数据建立了基于遥感反射率波段比值的412、443、555 nm波段渤海总吸收系数遥感反演模型,经独立实测数据检验,模型反演值与实测值的相关系数大于0.8,平均相对误差(APD)小于13%,中值相对误差小于9%,优于已有典型算法(精度提高约10%);经独立现场-卫星时空匹配数据检验,基于该模型和GOCI卫星数据的总吸收系数遥感反演平均相对误差在35%以内。基于2015年5月4日1天8景的GOCI影像和所建立的模型,研究了渤海总吸收系数的逐时变化特征。结果表明,8:30—15:30期间总吸收系数变幅主要分布范围是0.2~0.3 m^(-1),最大变幅可达到0.8 m^(-1),变幅极大值主要分布在辽东湾、渤海湾和莱州湾近岸海域。结合潮汐数据的分析发现,辽东湾、渤海湾北部总吸收系数与潮高的逐时变化具有较好的一致性,总吸收系数极小值出现时刻滞后于低潮时刻0~1.5 h;莱州湾西部总吸收系数与潮高逐时变化呈明显负相关性;渤海湾南部、莱州湾东部总吸收系数与潮高变化未见显著相关性。

静止卫星的海洋水色观测计划

海洋现象的时空尺度分析表明目前以极轨方式运行的海洋水色卫星遥感不能完全满足沿海及海岸带地区管理和研究的需要。采用静止卫星作为水色遥感观测的平台对沿海和海岸带进行高频率的遥感观测,可以满足海岸带生物物理过程研究和调查所需观测频度的要求,有利于确定潮汐混合条件,建立新的模型,探测短时间尺度的生物物理现象,改变现有的海岸带管理方式,实现海岸带资源的科学管理,具有极轨卫星不可具备的优势。本文简单介绍了韩国预计发射的静止水色成像仪KGOCI和美国GOES-R卫星计划的HES-CW,同时希望我国能早日研制发射出自主的静止水色观测卫星和传感器,为我国漫长的海岸带监测提供利剑。

江苏近海有色可溶有机物时空分布特征

有色可溶有机物(CDOM)是重要的水色要素之一,在"江苏沿海大开发"背景下,利用遥感分析其时空分布特征对监测近海水质及污染状况有重要的实际意义。用高时间分辨率的韩国静止水色卫星(GOCI)影像,在日、周、月多时间尺度上分析2011年4月至2016年5月江苏近海有色可溶有机物的时空分布特征。结果表明江苏近海CDOM以陆源为主,近岸高于远岸;月平均浓度最大值(0.180~0.206 m^(-1))在长江口最大浑浊带外,南黄海西岸次之(0.167~0.201 m^(-1)),南黄海中南部较低(0.086~0.187 m^(-1),440 nm吸收系数)。结合潮位数据,发现沿岸海域CDOM日变化与潮汐变化一致,但远海区域呈先减后增的特征。利用余弦函数对CDOM月均值进行拟合,发现南黄海月尺度变化周期性明显,其中南黄海中部海域拟合优度为0.823。南黄海主要受黄海冷水团影响,各子区季节变化显著,CDOM在冬春季高于夏秋季;长江口由于冲淡水及其他水团共同影响,情况复杂,冬春季低于夏秋季。月尺度下,CDOM浓度与悬浮物(TSM)呈正相关关系(相关系数r为0.72),且南黄海中部与南部CDOM随TSM的变化趋势较为显著。