HY-1C卫星海岸带成像仪在岛礁监测中的应用

利用海洋一号C卫星(HY-1C)具有宽幅、宽光谱、重访周期短等特点,以我国西沙群岛永乐环礁为例,开展岛礁地貌遥感信息提取研究。通过卫星海岸带成像仪(CZI)波段直方图、信噪比等计算,HY-1C卫星CZI的四个波段中蓝波段的反射比均值为28.53,影像信噪比0.84,对岛礁地貌的表现最为明显;而红波段对岛礁的信息表现一般。总体上CZI传感器可表达珊瑚岛礁信息,利用非监督分类方法可获得岛礁信息,但对于水下礁坪等信息易误判。为充分利用HY-1C卫星的波段信息,利用层次分析法,建立各波段对岛礁信息表达的权重,从而获得建立权重后的图像,基于此,采用监督分类方法对岛礁信息进行提取,有效地提取了自然岛、砂质岸滩、水下礁坪、暗沙、冲沟等信息,Kappa系数为89.97%。可满足在中分辨率尺度上,对大范围、高频度的岛礁调查要求。

基于HY-1C卫星CZI数据的小目标舰船检测实验设计

国产HY-1C卫星CZI数据单幅图像具有幅宽、重访周期短、数据处理快等特点。为了提高利用国产卫星数据的利用率,设计了基于HY-1C卫星CZI数据的小目标舰船检测实验方案。首先,对原始卫星数据图像增强,裁剪图像构建数据集;其次使用云检测和海陆分离降低数据处理量;最后,通过YOLOv4算法检测裁剪后图像中的舰船目标,并在整幅卫星图像中显示检测结果。结果表明,HY-1C卫星CZI数据可有效应用到舰船目标检测中,且具有较好的检测效果,拓展了国产卫星数据的应用场景。

HY-1C卫星海岸带成像仪叶绿素a浓度反演研究

叶绿素a作为最重要的水质参数之一,是评价水体富营养化和初级生产力状况的主要因素。我国海洋一号C(HY-1C)卫星海岸带成像仪(CZI)具有高时空分辨率的观测优势。本文基于东海和南海现场实测数据建立了HY-1C卫星CZI叶绿素a浓度反演模型并在实测水域进行反演,与MODIS叶绿素a浓度反演产品进行了对比验证,应用CZI叶绿素a浓度模型在珠江口、长江口、渤海湾水域进行了叶绿素a浓度反演示例试验。结果表明,叶绿素a浓度模型估算浓度与实测浓度相关系数为0.7743,平均相对误差为24.58%,利用实测叶绿素a浓度对模型进行精度验证,相关系数达到0.9939,平均相对误差为18.49%。模型在实测水域反演得到的叶绿素a浓度分布与MODIS叶绿素a浓度产品分布大体一致。在珠江口水域反演得到叶绿素a浓度空间分布为由西北向东南逐级递减,峰值出现在珠江口西沿岸。在长江口、渤海湾反演叶绿素a浓度空间分布均符合地理实情。研究表明HY-1C卫星CZI数据可应用于中国近海水色定量化研究。

HY-1C卫星COCTS L2A级产品在中国和欧洲近海的真实性检验

随着HY-1C卫星于2018年9月成功发射,中国海洋水色遥感进入业务化全球观测时代。海洋环境观测、生态环境监测以及海洋防灾减灾等都对海洋水色遥感提出了较高的定量化要求。本文基于国际通用的时空匹配方法,利用2018年和2020年海洋卫星在轨测试海上试验以及在中国东海、欧洲亚得里亚海近岸海域部署的自动太阳光度计(SeaPRISM)观测数据,对HY-1C卫星搭载的水色水温扫描仪(COCTS)的L2A级业务化产品(包括遥感反射率和气溶胶光学厚度)进行了真实性检验。研究发现,SeaPRISM自动测量能够提升数据获取效率和观测数据时间跨度,有助于更好刻画水色遥感产品误差的时间分布规律。检验结果表明,COCTS的遥感反射率与现场实测数据具有较好的一致性,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%,而其气溶胶光学厚度的在不同海域与实测数据的RPD和APD分别为-14.2%和79.5%;COCTS遥感反射率光谱形状与实测数据一致性较高,但在不同海域表现出较大差异:中南海海域的谱形一致性非常高,但呈显著高估特点;中国东海海域的谱形相似度高,但存显著的低估;而欧洲亚得里亚海海域的谱形差异较大,即在蓝光波段呈现高估特点,而在绿光和红光波段呈现低估特点。对比同期的HY-1C卫星COCTS L2A及产品与AQUA卫星MODIS二级产品的检验结果发现,后者在遥感反射率估算精度和光谱谱形相似度方面表现更好,而在气溶胶光学厚度定量反演方面则没有表现出显著优势。本文的研究认为COCTS数据虽然已经在多个应用领域发挥了重要作用,但其业务化产品的定量化精度和水平仍有较大提升空间,至少L2A级产品是如此。

HY-1C卫星CZI影像卤虫条带提取研究--以艾比湖为例

基于HY-1C卫星海岸带成像仪CZI(Coastal Zone Imager)影像提取卤虫条带,对利用自主遥感数据开展生物资源监测与指导捕捞利用具有重要意义。本文以艾比湖为例,分析了HY-1C卫星CZI影像与Landsat-8卫星OLI数据的卤虫—水体端元光谱特征及差异;结合滑动窗口裁剪和光谱匹配因子SBAF(Spectral Band Adjustment Factors)模拟构建了有效样本量为837的卤虫—水体数据集;使用深度为5层的U型全卷积神经网络U-Net(U-Shaped Fully Convolutional Neural Network)算法提取卤虫条带并进行了评估与应用。与支持向量机法、最大似然分类法、归一化水体指数法相比,U-Net算法效率高、鲁棒性更好,卤虫条带的提取精确率和F1分数分别为92.02%和90.55%,比其他方法高出约11%—23%,即使面对复杂水体背景干扰,提取错误率也仅有3.3%;由2019年—2021年10景CZI影像的提取结果可知,研究期间卤虫条带的最大最小面积之比约为5.8,变化剧烈且与水体面积存在一定关联,但决定卤虫条带分布与面积的更多影响要素仍需进一步研究。未来,将建立多源、多分类、大样本量的遥感数据集,发展泛化能力更强的提取算法,实现长时序、大范围的盐湖卤虫条带时空规律分析。

HY-1C卫星COCTS近海水体遥感反射率产品真实性检验

中国HY-1C卫星水色水温扫描仪(COCTS)从2018年9月发射至今已积累了大量的全球观测数据,本文利用AERONET-OC实测数据集对COCTS近海水体遥感反射率(Rrs)产品进行了真实性检验。本文对实测光谱数据集进行归一化处理,按光谱特征分为A (清洁)、B (比较清洁)、C (轻微浑浊)、D (比较浑浊)这4种光学水体类型,对COCTS Rrs产品在这4类水体的精度进行评价。结果表明:COCTS反演Rrs在A、B两种水体类型中存在轻微高估(平均绝对百分比误差APD (Average absolute Percent Difference)分别为38.79%、44.44%),在C类水体轻微低估(APD=40.85%),而在D类水体显著低估(APD=47.14%)。COCTS不同波段Rrs产品在4类水体的精度亦存在差异,其中412 nm、443 nm波段在A类水体中和实测数据一致性相对较好(APD均小于30%);520 nm、565 nm波段在C、D两类水体中和实测数据一致性相对较好(APD均小于30%);670 nm波段在4种水体均呈现显著低估。由于AERONET-OC波段和COCTS存在差异,可能会导致评估误差存在高估,未来需要使用连续光谱的实测数据进一步评价COCTS产品精度。

HY-1C/DCZI多光谱影像云覆盖与耀斑区域绿潮自动提取方法研究

针对多光谱影像受云、雾、太阳耀斑等因素的影响,难以实现高精度的绿潮自动提取的问题,本文以我国的HY-1C/D卫星CZI载荷多光谱影像为数据源,采用数据挖掘技术,通过探索绿潮区域与非绿潮区域的光谱分布差异,提出一种适用于HY-1C/DCZI影像的高精度、全自动绿潮提取方法。首先,分析有云区域和无云区域样本的光谱差异,给出厚云去除规则;其次,选取绿潮和非绿潮区域的样本,采用决策树算法生成绿潮提取规则;然后,针对薄云和厚云边界区域常常会出现误检绿潮的问题,设计了5种错误类别修正策略。为验证方法的有效性,收集2021年黄海区域绿潮暴发周期内的25景HY-1C/D CZI影像,开展绿潮自动检测实验。结果表明,与传统的NDVI方法、VB-FAH方法等指数方法以及ResNet50、U-Net等深度学习方法相比,本文方法在准确度、Kappa系数、F1-Score和MIoU等指标上均优于其他方法,而且能够实现在厚云、薄云、无云、云斑和耀斑区域复杂情况下的绿潮的高精度自动提取。

HY-1C/D卫星中国海洋水色水温扫描仪几何定位方法

海洋一号C/D(HY-1C/D)卫星中国海洋水色水温扫描仪(Chinese Ocean Color and Temperature Scanner,COCTS)主要用于探测海洋水色、水温等要素,这些要素需要经过卫星资料处理才能获取,而几何定位是预处理的核心,直接影响这些要素的质量。COCTS具有114°视场角和四元逐点摆扫的特征,据此研究出一套完整的几何定位方法。从0级数据中提取卫星星历,利用插值法从中获取采样时间对应的卫星位置和速度,进而得到轨道(ORB)坐标系到地心旋转(ECR)坐标系的转换矩阵。基于四元逐点摆扫的特征,中心视矢量分别绕X轴、Y轴旋转相应角度,获得扫描行各采样点ORB视矢量,建立视矢量与地球交叉点关系模型,从而对根据波段数据绘制的遥感图像进行地理定位。本文使用插值法替代了传统需要6个轨道根数来计算卫星位置的复杂方法,同时直接计算ORB到ECR的转换矩阵,而不采用传统的两步转换方法。经过多组数据计算及定性定量验证,HY-1C/D COCTS几何定位结果一致;采样像元尺度效应导致从星下点到两侧边缘、从赤道到两极,误差逐渐增大,约在两个像元内。该方法满足一定的定位精度要求,可以用于COCTS的几何定位。

HY-1C/D海洋水色卫星产品体系及其典型应用

海洋一号C星(HY-1C)和海洋一号D星(HY-1D)是中国首次对地观测组网的海洋水色业务化应用卫星,其上搭载了海洋水色水温扫描仪COCTS (Chinese Ocean Color and Temperature Scanner)、海岸带成像仪CZI(Coastal Zone Imager)、紫外成像仪UVI (Ultra-Violet Imager)、星上定标光谱仪SCS (Satellite-based Calibration Spectrometer)和船舶自动识别系统AIS (Automatic Identification System),实现了全球海洋水色要素每天2次、海表温度每天4次的全球覆盖观测,中国近海及海岸带区域每3天2次的50 m高分辨率观测。本文介绍了HY-1C/D卫星及其载荷性能、产品处理流程、产品分级与分发等相关信息,HY-1C/D卫星产品体系完整且数据产品处理与分发高效。同时阐述了HY-1C/D卫星的叶绿素a浓度估算和海表温度反演产品,以及HY-1C/D卫星数据在浒苔绿潮、海冰/极冰、近海养殖、内陆水体和台风云图等方面的典型监测应用且具有较好的产品质量、在海洋与海岸带环境监测中具有较高的应用价值。

杭州湾及其邻近海域总悬浮物浓度卫星遥感

近海及海湾总悬浮物是重要的水质参数之一,而杭州湾及其邻近海域是典型的海湾与近岸海域,与人类关系密切。卫星遥感广泛应用于海水总悬浮物浓度的探测与分析。利用现场实测数据,建立了中国HY-1C/D卫星水色水温扫描仪(Chinese Ocean Color and Temperature Scanner, COCTS)及其他当前在轨的典型水色遥感器在杭州湾及邻近海域的总悬浮物卫星遥感反演方法模型,模型平均相对误差不高于19%。反演并融合获得了HY-1C/D等多源卫星2015-2022年杭州湾及邻近海域的总悬浮物浓度卫星遥感及其融合数据。融合数据经实测数据对比验证,两者之间线性相关系数为0.72,平均相对偏差为26%。卫星遥感结果表明,2015-2022年间杭州湾及其邻近海域总悬浮物浓度年际变化不大,其线性变化不超过其年平均浓度值的0.5%。研究结果表明利用包括HY-1C/D卫星COCTS等的海洋水色遥感载荷,可有效遥感反演得到杭州湾及其邻近海域的总悬浮物浓度并分析其时空变化特征。

国产海洋卫星数据在内陆地区的应用--以青海为例

本文以青海省为研究区,充分利用HY-1C/D卫星大幅宽、高重访周期、快速获取等特点及发挥HY-2B卫星主动遥感优势,综合运用水分指数、悬浮泥沙指数、非监督分类等自动提取技术,开展湖泊面积、水位监测、湖泊冰情监测、河流泥沙悬浮物监测、农作物反演等自然资源调查与监测研究。其中利用HY-1C卫星与HY-2B卫星联合实现青海湖面积和水位同步监测;24期次HY-1C/D星结合影像实现青海湖冰情高频次快速监测、7天4期次HY-1C卫星影像实现可可西里盐湖冰情动态监测充分展现国产海洋卫星高重访优势;HY-1C/D卫星高信噪比对水体、泥沙、植被等典型地物响应敏感,可用于获取大范围中尺度国土监测信息,为高原山水林田湖草冰沙研究提供有力数据支持,同时表明国产海洋卫星在内陆地区有很好的应用前景。

南黄海金潮的遥感监测及时空分布特征研究

近年来海洋生态灾害频发,大量漂浮藻类聚集在海面和近岸海域,给沿岸城市的经济活动和生态健康带来了严重危害。本研究利用HY-1C、GF-1和HJ-1A/1B卫星遥感影像对南黄海海域2016-2020年4-6月份的马尾藻进行了信息提取和生长阶段的划分,并通过MODIS海温数据、光合有效辐射数据和海面风场数据来探究环境因子对马尾藻时空分布的影响。结果表明:(1)从时间上看马尾藻集中在每年的4-6月份暴发,2017年马尾藻的影响范围最大,其余年份较小;从空间上看马尾藻最早在长江入海口东北部远海被监测到,在35°~36°N附近海域消失;(2)从生长速率上看,马尾藻的生长阶段可以划分为“发展-暴发-消亡”3个阶段;(3)在不同的生长阶段,海水温度和光合有效辐射对马尾藻具有不同程度的影响,较高的海表温度和光合有效辐射导致2017年面积高于往年;在东南风的作用下,马尾藻呈从东南向西北漂移的趋势,这说明了马尾藻的时空特征受到多种环境因子的影响。

基于深度学习的西沙永乐群岛珊瑚礁遥感信息提取

珊瑚礁是海洋生态系统的重要组成部分,对保护海洋生物多样性以及维持海洋生态平衡具有重大意义。我国南海珊瑚岛礁自然资源丰富,准确、高效地提取珊瑚岛礁信息对南海岛礁监测、管理、规划与保护具有现实意义。本研究基于我国海洋一号C卫星(HY-1C)遥感数据,对西沙永乐群岛珊瑚礁信息进行了研究与分析,提出基于HY-1C遥感数据的珊瑚礁地貌分类体系。采用全卷积神经网络U-Net模型,依次通过下采样、上采样操作提取西沙永乐环礁地貌特征,实现原始影像的像素级语义分割。结果表明:基于HY-1C数据建立的地貌分类体系对活珊瑚覆盖及珊瑚生长发育条件具有指示作用,提出的基于U-Net模型的珊瑚岛礁地貌信息自动提取方法,能够为我国南海珊瑚岛礁生态系统的全自动、大范围监测和评价提供相应理论基础,在珊瑚礁生态管理与评价中发挥关键作用。精度验证结果表明:U-Net模型可以有效提取珊瑚礁地貌信息,采用的地貌信息提取方法具备时空泛化能力,泛化精度高于80%。

基于耀光反射差异的海面溢油遥感识别提取

溢油是海洋环境监测的重要目标之一。近年来,光学遥感对海面溢油不同污染类型的识别、分类与估算原理得到阐明,其技术优势获得认可;能为海面溢油监测提供颠覆性的技术支持,提高了溢油的识别精度,实现精细化定量探测。随着中国海洋水色业务卫星—HY-1C/D(Haiyang-1C/D)的投入应用,其搭载的海岸带成像仪CZI(Coastal Zone Imager)在中国近海溢油监测中体现了较好的效能;但HY-1C/D星CZI载荷开展中国近海溢油业务化监测应用,还需要不断丰富并发展溢油识别提取算法。在HY-1C/D星CZI载荷的高空间分辨率影像中,不同的海面溢油污染类型具有明确的光谱响应特征和形态特征;太阳耀光反射差异,有助于海面溢油的遥感检测,同时也给溢油污染的识别分类与定量估算带来不确定性影响。本研究在CZI载荷数据对海面溢油波段响应基础上,通过溢油海面与背景干扰的耀光反射特征分析,厘清CZI图像中海面耀光干扰的空间分布特点;进一步在优选波段的移动窗口分割及其参数统计基础上,通过对不同分割窗间的耀光形态特征及其相关性判断,实现了CZI图像上海面溢油较高精度的识别与提取。其中,弱耀光条件下油膜提取的平均精度为90.24%、乳化油的平均精度为80.55%;强耀光条件下溢油提取总体效果也较好。面向国产自主海洋水色业务卫星数据,发展溢油光学遥感识别、分类、提取与估算,不仅能促进国产海洋光学卫星的业务化应用,更能为全面掌握中国近海溢油污染状况提供数据参考。