海洋水色探測

海洋水色探測是指通過地球軌道衛星上搭載的遙感儀器利用海洋水色遙感獲得的海洋表層離水輻射亮度研究海洋現象或海洋過程的新興探測技術。海洋水色遙感的原理是通過衛星感測器接收信號的變化,來反演水體中引起海洋水色變化的各種成分的含量,近幾年的海洋水色遙感技術方興未艾,被廣泛地套用到氣象預報、漁業規劃、環境監測及領土劃分等領域。

基本介紹

• 中文名：海洋水色探測
• 外文名：ocean color detection
• 原理：衛星感測器接收信號的變化
• 探測成分：浮游植物、黃色物質、無機懸浮物
• 套用：氣象預報、漁業規劃、環境監測等
• 所屬學科：信息科學

介紹

海洋水色探測是指通過地球軌道衛星上搭載的遙感儀器利用海洋水色遙感獲得的海洋表層離水輻射亮度研究海洋現象或海洋過程的新興探測技術。

海洋水色探測的原理是通過衛星感測器接收信號的變化,來反演水體中引起海洋水色變化的各種成分的含量,如葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、可溶有機物含量等。通常,我們按照其光學性質的不同,把海水分為一類水體(開闊大洋)和二類水體(近岸海域)。一類水體水色主要由浮游植物及其伴生生物決定,二類水體的光學成因則比較複雜,但它也是水色探測的重點。因為它與人類關係最密切,受人類的影響也最強烈。遙感技術是唯一一種能夠在全局視野上監測海洋的技術手段,通過它監測和研究一類水體和二類水體的水色,並結合海面風場、溫度場、洋流、海面波浪等數據,人類能夠更好地了解海洋並及時認知到海洋的動態變化。正因為如此,近幾年的海洋水色遙感技術方興未艾,被廣泛地套用到氣象預報、漁業規劃、環境監測及領土劃分等領域。

海洋水色是指海水的顏色，從深藍到碧綠，從微黃到棕紅。大洋海水顏色多為蔚藍，沿岸海水則多呈淡綠色。海水的顏色由海水的光學性質及海水中懸浮物的顏色所決定。常用福綠爾水色計與白色圓板所顯示的顏色進行比較來確定水色。福綠爾水色計由21種顏色組成，由深藍到黃綠直到褐色，以號碼1—21代替。號碼愈小，水色愈蘭，習慣上也稱為水色愈高。如海水中懸浮物較少，則水色主要取決於海水的光學性質；如海水中含較多有機質時，它對光能吸收具很強的選擇性，波長愈短，吸收係數愈大，故主要取決於懸浮物的顏色。

探測原理

水色遙感的原理是通過衛星感測器接收信號的變化,來反演獲得水體中影響光學性質的組分濃度,這裡組成成分主要指浮游植物、黃色物質以及水體中的無機懸浮物。水體中的重要組分濃度發生變化時,必將引起水體光學性質的變化,主要表現為水體的吸收和散射信號的變化,即水體離水輻亮度的變化。獲取離水輻亮度以後,再根據水體光學性質與各成分濃度的關係,通過一系列反演算法得到水體中各成分的濃度。

從水色衛星資料獲取海洋水色要素的信息,有兩大關鍵技術。一是大氣校正,即從感測器接收到的信號中消除大氣的影響,獲得包含海水組分信息的海面離水輻亮度。二是生物光學算法,即根據不同海水的光學特性與離水輻亮度,估算有關的海洋水色要素。

水體類型

海水按其光學性質的不同可劃分為一類水體和二類水體。一類水體的光學特性主要由浮游植物及其伴生物決定,典型的一類水體是大洋開闊水體。二類水體的光學特性主要由懸浮物、黃色物質又稱有色可溶性有機物決定,這類水體主要位於近岸、河口等受陸源物質排放影響較為嚴重的地方。二類水體位於與人類關係最密切、受人類活動影響最強烈的海域,其水色因子懸浮物、葉綠素和黃色物質等是影響海水環境的重要成分,也是影響海水光學特性的重要參數。如果從水色遙感資料能可靠地推算出懸浮泥沙、葉綠素和黃色物質含量,我們就能夠對近海、河口環境進行實時、長周期、大範圍的監測和研究。

發展

海洋水色遙感起始於1978年美國國家宇航局的海岸帶彩色掃瞄器(CZCS)的成功發射。儘管CZCS作為一次實驗性質的嘗試只有一年的工作計畫,但直到1986年之前,它都持續提供著有實用性的數據。隨後,到了上個世紀90年代中後期,人類又陸續發射了模組式光電掃瞄器(MOS)、海洋水色—溫度掃瞄器(OCTS)、地球反射偏振和方向性探測儀(POLDER)和海視寬視野感測器等。這些感測器的發射與套用使得人類對於海洋水色的探測逐漸變得成熟起來。進入21世紀後,人類面臨著愈來愈大的環境挑戰,並由此帶來了認識海洋和研究海洋的迫切需要。在此背景下,遙感技術在海洋水色探測方面的套用越來越廣泛,一大批先進的海洋水色遙感器被搭載在了衛星平台上。比較有代表性的有美國Aqua和Terra衛星平台上的中解析度光譜成像儀(MODIS)、歐洲Envisat-1衛星平台上的中等解析度成像頻譜儀(MERIS)、日本ADEOS-2衛星平台上的全球成像儀(GLI)、印度遙感衛星IRS平台上的海洋水色監測儀(OCM)、韓國多功能衛星Kompsat平台上的海洋多光譜掃描成像儀(OSMI)以及中國台灣福衛一號上的海洋水色照相儀(OCI)。我國的海洋水色探測起步較晚,但發展迅速。比較著名的有神舟3號上的中解析度光譜成像儀(CMODIS)、HY-1A及HY-1B上的水色水溫掃瞄器(COCTS)、海岸帶成像儀(CZI)等,它們是當前國際海洋水色遙感的主流感測器。

探測器

隨著包括遙感技術在內的全球科學技術的不斷進步,更多功能強大的海水水色探測器將會被搭載到遙感平台上,從而使得對於海洋水色的研究不斷走向深入。未來幾年新增的海洋水色感測器主要有可見光紅外成像輻射儀(VIIRS)、第二代海洋水色監視儀(OCM-2)、地球靜止海洋水色成像儀(Geo-stationary Ocean Color Imager,GOCI)、海洋和陸地顏色儀(Ocean and Land Color Instrument,OLCI)、第二代全球成像儀(SGLI)、超光譜成像儀(HSI)、以及改進型COCTS及CZI等。

VIIRS

VIIRS是MODIS在未來的替代感測器,將被搭載在“美國國家極軌業務環境衛星系統計畫預備計畫”NPP及“美國國家極軌業務環境衛星系統計畫”NPOESS C-1衛星上。首個遙感器搭載在NPP上,計畫於2011年升空。VIIRS是在MODIS的基礎上發展起來的,用途非常廣泛,其水色遙感功能和MO-DIS相仿,輻射特徵也差不多。MODIS用於海洋水色遙感的有8個波段,其空間解析度為1000m,而VIIRS的7個水色波段解析度為800m。

對於VIIRS的海洋水色遙感,美國國家航空航天局(NASA)、美國國家海洋局(NOAA)以及美國海軍聯合建立了一個跨機構的數據校準驗證系統。該系統以現有的海洋水色遙感器(如SeaWiFS、MODIS、MERIS、AVHRR等)為基礎架構,將它們的數據與VIIRS取得的數據(又叫“環境數據記錄”,簡稱EDR)進行全面的對比和校準,以保證它們的一致性。

OCM-2

OCM-2是在第一代海洋水色監視儀(OCM-1)的基礎上發展起來的,被搭載在已發射的Oceansat-2和即將發射的Oceansat-3上。OCM-2的幅寬為1420km,每兩天就可以覆蓋印度全境一次,局部區域覆蓋的解析度為350m,其數據被實時下行到地面處理站進行處理,而全球區域覆蓋的解析度為4km,其數據則被暫時存儲在衛星上。OCM-2與OCM-1相似,共設定了12個波段,其中用於水色遙感的為8個波段。但它的波段設定在OCM-1的基礎上做了些許改動。如把OCM-1上的765nm波段移到了740nm處,目的是減少氧氣吸收;把670nm處的波段替換為了620nm,以便更好地觀測水體中的懸浮物質。OCM-2的數據將被用於如下方面:浮游植物及有害藻華監視;漁業動態監測;潮流、潮汐等對近岸水體中的懸浮物質的傳輸及疏散產生的影響;河口監測等。

GOCI

GOCI是韓國的新一代海洋水色遙感器,主要用來監測朝鮮半島周圍的海洋水色。GOCI被搭載在韓國2010年發射的首顆地球靜止氣象衛星COMS(Communication,Ocean,Meteorological Satellite)上,COMS是韓國的一顆多功能衛星,除了用來監測天氣變化外,還兼具海洋遙感及通訊功能。GOCI就是用來做海洋水色遙感的,由EADS-Astrium公司研製成功。它的主要任務是觀測以朝鮮半島為中心的一定範圍內的海洋環境的變化,對該區域的海洋生態系統進行長期的和短期的監測並提供不斷更新的關於葉綠素、藻華等的數據。GOCI重約84kg,功率略小於100W,尺寸為1.39m× 0.89m× 0.85m。GOCI的精度非常高,其輻射校正誤差小於3.8%,地面採樣距離為500m,時間解析度為1小時。GO-CI的譜帶選擇剛好適應其進行水色遙感。

展望

我國的海洋水色遙感衛星主要是“海洋一號”衛星(HY-1),其中,“HY-1A”、“HY-1B”已分別於2002年、2007年發射升空,行將過期。未來的海洋水色衛星系列是“HY-1C”及“ HY-1D”,按照國家海洋局規劃,二者將分別於2011年4月和8月發射升空,屆時將實現上、下午各一顆星同時運行,通過不同時刻對海洋環境的監測,達到提高監測水平和縮短重複觀測周期的能力。“HY-1C”的成功運行將標誌著“海洋一號”系列衛星業務化運行的成功,以後將會逐步發射“HY-1E/F”、“HY-1G/H”等。“HY-1C/D”中上午星的軌道降交點地方時10:30;下午星的軌道降交點地方時13:30。“HY-1C/D”重600kg,周期100.34分鐘,傾角98.5°,衛星運行於782km的太陽同步軌道[18],和其他運行於CAST2000平台上的衛星一樣,採用3軸穩定的的姿態控制模式,擁有側擺機動能力。“HY-1C”及“ HY-1D”的水色遙感器仍是一個十波段水色掃瞄器(COTCS)和一個四波段CCD相機(CZI),是在HY-1B衛星上的遙感器的基礎上發展起來的,性能更好。