[科普中国]-海洋水色探测

简介

海洋水色探测是指通过地球轨道卫星上搭载的遥感仪器利用海洋水色遥感获得的海洋表层离水辐射亮度研究海洋现象或海洋过程的新兴探测技术。

海洋水色探测的原理是通过卫星传感器接收信号的变化,来反演水体中引起海洋水色变化的各种成分的含量,如叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、可溶有机物含量等。通常,我们按照其光学性质的不同,把海水分为一类水体(开阔大洋)和二类水体(近岸海域)。一类水体水色主要由浮游植物及其伴生生物决定,二类水体的光学成因则比较复杂,但它也是水色探测的重点。因为它与人类关系最密切,受人类的影响也最强烈。遥感技术是唯一一种能够在全局视野上监测海洋的技术手段,通过它监测和研究一类水体和二类水体的水色,并结合海面风场、温度场、洋流、海面波浪等数据,人类能够更好地了解海洋并及时认知到海洋的动态变化。正因为如此,近几年的海洋水色遥感技术方兴未艾,被广泛地应用到气象预报、渔业规划、环境监测及领土划分等领域。1

海洋水色海洋水色是指海水的颜色，从深蓝到碧绿，从微黄到棕红。大洋海水颜色多为蔚蓝，沿岸海水则多呈淡绿色。海水的颜色由海水的光学性质及海水中悬浮物的颜色所决定。常用福绿尔水色计与白色圆板所显示的颜色进行比较来确定水色。福绿尔水色计由21种颜色组成，由深蓝到黄绿直到褐色，以号码1—21代替。号码愈小，水色愈兰，习惯上也称为水色愈高。如海水中悬浮物较少，则水色主要取决于海水的光学性质；如海水中含较多有机质时，它对光能吸收具很强的选择性，波长愈短，吸收系数愈大，故主要取决于悬浮物的颜色。

海洋水色探测原理水色遥感的原理是通过卫星传感器接收信号的变化,来反演获得水体中影响光学性质的组分浓度,这里组成成分主要指浮游植物、黄色物质以及水体中的无机悬浮物。水体中的重要组分浓度发生变化时,必将引起水体光学性质的变化,主要表现为水体的吸收和散射信号的变化,即水体离水辐亮度的变化。获取离水辐亮度以后,再根据水体光学性质与各成分浓度的关系,通过一系列反演算法得到水体中各成分的浓度。

从水色卫星资料获取海洋水色要素的信息,有两大关键技术。一是大气校正,即从传感器接收到的信号中消除大气的影响,获得包含海水组分信息的海面离水辐亮度。二是生物光学算法,即根据不同海水的光学特性与离水辐亮度,估算有关的海洋水色要素。2

水体类型海水按其光学性质的不同可划分为一类水体和二类水体。一类水体的光学特性主要由浮游植物及其伴生物决定,典型的一类水体是大洋开阔水体。二类水体的光学特性主要由悬浮物、黄色物质又称有色可溶性有机物决定,这类水体主要位于近岸、河口等受陆源物质排放影响较为严重的地方。二类水体位于与人类关系最密切、受人类活动影响最强烈的海域,其水色因子悬浮物、叶绿素和黄色物质等是影响海水环境的重要成分,也是影响海水光学特性的重要参数。如果从水色遥感资料能可靠地推算出悬浮泥沙、叶绿素和黄色物质含量,我们就能够对近海、河口环境进行实时、长周期、大范围的监测和研究。

海洋水色遥感发展海洋水色遥感起始于1978年美国国家宇航局的海岸带彩色扫描仪(CZCS)的成功发射。尽管CZCS作为一次实验性质的尝试只有一年的工作计划,但直到1986年之前,它都持续提供着有实用性的数据。随后,到了上个世纪90年代中后期,人类又陆续发射了模块式光电扫描仪(MOS)、海洋水色—温度扫描仪(OCTS)、地球反射偏振和方向性探测仪(POLDER)和海视宽视野传感器等。这些传感器的发射与应用使得人类对于海洋水色的探测逐渐变得成熟起来。进入21世纪后,人类面临着愈来愈大的环境挑战,并由此带来了认识海洋和研究海洋的迫切需要。在此背景下,遥感技术在海洋水色探测方面的应用越来越广泛,一大批先进的海洋水色遥感器被搭载在了卫星平台上。比较有代表性的有美国Aqua和Terra卫星平台上的中分辨率光谱成像仪(MODIS)、欧洲Envisat-1卫星平台上的中等分辨率成像频谱仪(MERIS)、日本ADEOS-2卫星平台上的全球成像仪(GLI)、印度遥感卫星IRS平台上的海洋水色监测仪(OCM)、韩国多功能卫星Kompsat平台上的海洋多光谱扫描成像仪(OSMI)以及中国台湾福卫一号上的海洋水色照相仪(OCI)。我国的海洋水色探测起步较晚,但发展迅速。比较著名的有神舟3号上的中分辨率光谱成像仪(CMODIS)、HY-1A及HY-1B上的水色水温扫描仪(COCTS)、海岸带成像仪(CZI)等,它们是当前国际海洋水色遥感的主流传感器。2

海洋水色探测器随着包括遥感技术在内的全球科学技术的不断进步,更多功能强大的海水水色探测器将会被搭载到遥感平台上,从而使得对于海洋水色的研究不断走向深入。未来几年新增的海洋水色传感器主要有可见光红外成像辐射仪(VIIRS)、第二代海洋水色监视仪(OCM-2)、地球静止海洋水色成像仪(Geo-stationary Ocean Color Imager,GOCI)、海洋和陆地颜色仪(Ocean and Land Color Instrument,OLCI)、第二代全球成像仪(SGLI)、超光谱成像仪(HSI)、以及改进型COCTS及CZI等。1

VIIRSVIIRS是MODIS在未来的替代传感器,将被搭载在“美国国家极轨业务环境卫星系统计划预备计划”NPP及“美国国家极轨业务环境卫星系统计划”NPOESS C-1卫星上。首个遥感器搭载在NPP上,计划于2011年升空。VIIRS是在MODIS的基础上发展起来的,用途非常广泛,其水色遥感功能和MO-DIS相仿,辐射特征也差不多。MODIS用于海洋水色遥感的有8个波段,其空间分辨率为1000m,而VIIRS的7个水色波段分辨率为800m。

对于VIIRS的海洋水色遥感,美国国家航空航天局(NASA)、美国国家海洋局(NOAA)以及美国海军联合建立了一个跨机构的数据校准验证系统。该系统以现有的海洋水色遥感器(如SeaWiFS、MODIS、MERIS、AVHRR等)为基础架构,将它们的数据与VIIRS取得的数据(又叫“环境数据记录”,简称EDR)进行全面的对比和校准,以保证它们的一致性。

OCM-2OCM-2是在第一代海洋水色监视仪(OCM-1)的基础上发展起来的,被搭载在已发射的Oceansat-2和即将发射的Oceansat-3上。OCM-2的幅宽为1420km,每两天就可以覆盖印度全境一次,局部区域覆盖的分辨率为350m,其数据被实时下行到地面处理站进行处理,而全球区域覆盖的分辨率为4km,其数据则被暂时存储在卫星上。OCM-2与OCM-1相似,共设置了12个波段,其中用于水色遥感的为8个波段。但它的波段设置在OCM-1的基础上做了些许改动。如把OCM-1上的765nm波段移到了740nm处,目的是减少氧气吸收;把670nm处的波段替换为了620nm,以便更好地观测水体中的悬浮物质。OCM-2的数据将被用于如下方面:浮游植物及有害藻华监视;渔业动态监测;潮流、潮汐等对近岸水体中的悬浮物质的传输及疏散产生的影响;河口监测等。

GOCIGOCI是韩国的新一代海洋水色遥感器,主要用来监测朝鲜半岛周围的海洋水色。GOCI被搭载在韩国2010年发射的首颗地球静止气象卫星COMS(Communication,Ocean,Meteorological Satellite)上,COMS是韩国的一颗多功能卫星,除了用来监测天气变化外,还兼具海洋遥感及通讯功能。GOCI就是用来做海洋水色遥感的,由EADS-Astrium公司研制成功。它的主要任务是观测以朝鲜半岛为中心的一定范围内的海洋环境的变化,对该区域的海洋生态系统进行长期的和短期的监测并提供不断更新的关于叶绿素、藻华等的数据。GOCI重约84kg,功率略小于100W,尺寸为1.39m× 0.89m× 0.85m。GOCI的精度非常高,其辐射校正误差小于3.8%,地面采样距离为500m,时间分辨率为1小时。GO-CI的谱带选择刚好适应其进行水色遥感。

我国未来的海洋水色遥感器我国的海洋水色遥感卫星主要是“海洋一号”卫星(HY-1),其中,“HY-1A”、“HY-1B”已分别于2002年、2007年发射升空,行将过期。未来的海洋水色卫星系列是“HY-1C”及“ HY-1D”,按照国家海洋局规划,二者将分别于2011年4月和8月发射升空,届时将实现上、下午各一颗星同时运行,通过不同时刻对海洋环境的监测,达到提高监测水平和缩短重复观测周期的能力。“HY-1C”的成功运行将标志着“海洋一号”系列卫星业务化运行的成功,以后将会逐步发射“HY-1E/F”、“HY-1G/H”等。“HY-1C/D”中上午星的轨道降交点地方时10:30;下午星的轨道降交点地方时13:30。“HY-1C/D”重600kg,周期100.34分钟,倾角98.5°,卫星运行于782km的太阳同步轨道[18],和其他运行于CAST2000平台上的卫星一样,采用3轴稳定的的姿态控制模式,拥有侧摆机动能力。“HY-1C”及“ HY-1D”的水色遥感器仍是一个十波段水色扫描仪(COTCS)和一个四波段CCD相机(CZI),是在HY-1B卫星上的遥感器的基础上发展起来的,性能更好。1