海洋水色衛星的發展現狀及趨勢

王麗麗 趙鴻志 張可立

(航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

海洋約占地球表面積的71%，是生命的搖籃、資源的寶庫、交通的命脈、戰略的要地。中國既是陸地大國，也是海洋大國，擁有漫長的海岸線、廣袤的管轄海域和豐富的海洋資源，擁有廣泛的海洋戰略利益。

航天遙感技術的大力發展使其成為全球海洋信息獲取與服務的最重要手段。經過數十年的發展，中國海洋衛星遙感技術取得了顯著成果。截至目前，中國已先后成功發射了海洋一號系列4顆海洋水色遙感衛星[1-10]，形成了在軌業務化運行能力。當前正開展的新一代海洋水色衛星的研制，其功能及性能將達到或接近國家極軌衛星伙伴計劃(National Polar-orbiting Partnership，NPP，發射后更名為Suomi NPP)配置的可見近紅外成像輻射計(Visible/Infrared Imager and Radiometer Suite，VIIRS)、哨兵3A/B衛星(Sentinel-3A/B)配置的海洋與陸地彩色成像光譜儀(Ocean and Land Color Instrument，OLCI)等國際同類水色遙感器的水平，將在中國海洋信息服務保障中發揮更大的作用。

但應該看到，隨著人類對海洋認知的不斷深入以及中國國民經濟的高速發展，當前中國海洋水色衛星技術指標及應用效能與未來的應用需求還存在一定的差距。因此，在新時代海洋強國建設進程中，應緊緊圍繞海洋應用需求，大力發展中國海洋水色衛星，補齊海洋環境探測手段不足的短板，增強衛星遙感對海洋環境要素的探測能力，服務于海洋強國建設的國家戰略。本文通過梳理國內外海洋水色衛星/載荷的發展現狀，分析未來海洋水色衛星的發展趨勢，為中國發展下一代海洋水色衛星發展提出建議。

1 國際海洋水色衛星發展情況

1.1 發展現狀

從20世紀70年代開始，全球共發射海洋水色遙感衛星(載荷)20多顆[4,11-12]，典型技術指標如表1所示。

表1 國外典型海洋水色衛星/載荷指標比較

根據衛星(載荷)發射時間及水色遙感應用情況，基本可以分為三個階段。

(1)第一階段(探索應用階段)：以1978年發射的云雨-7衛星(Nimbus-7)為代表，是世界第一代水色觀測衛星，開始海洋水色探測及應用研究，首次實現了對海洋水色要素的探測，推動了國際海洋水色遙感的發展。

(2)第二階段(初步應用階段)：以1997年美國發射的第一顆專用海洋水色觀測衛星軌道觀測2號衛星(OrbView-2)配置的海洋寬視場傳感器(Sea-Viewing Wide Field-of-View Sensor，SeaWiFS)、1999年和2002年分別發射的美國土衛星(Terra)和水衛星(Aqua)上配置的中等分辨率成像光譜輻射計(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)、2002年歐洲發射的環境衛星(Environmental Satellite，Envisat)衛星上配置的中等分辨率成像光譜儀(Medium Resolution Imaging Spectrometer，MERIS)為代表的世界第二代水色觀測衛星(載荷)，在譜段范圍、光譜分辨率、信噪比等指標有一定提升，開啟了國際水色遙感業務化應用時代。

(3)第三階段(精細化應用階段)：以美國2011年發射的Suomi NPP衛星(見圖1(a))和2017年發射的聯合極軌衛星系統1號(Joint Polar Satellite System-1，JPSS-1)衛星配置的VIIRS(見圖1(b))、歐洲2016年和2018年分別發射的Sentinal-3A衛星和Sentinal-3B衛星(見圖2(a))配置的OLCI(見圖2(b))為代表的世界第三代海洋水色觀測衛星(載荷)，是當前國際海洋水色觀測的主流，實現了水色遙感的精細化應用。

圖1 SuomiNPP衛星及其配置的VIIRS載荷

圖2 Sentinal-3A/B衛星及其配置的OLCI載荷

根據當前國際海洋水色觀測計劃，未來5～10年仍然以第三代海洋水色觀測衛星(載荷)為主，美國NPP計劃中規劃的JPSS-2(預計2022年發射)、JPSS-3(預計2027年發射)、JPSS-4(預計2032年發射)3顆衛星仍然以當前的VIIRS載荷作為未來海洋水色觀測主載荷接續當前海洋水色觀測任務。預計2023年發射的浮游生物-氣溶膠-云-海洋生態系統衛星(Plankton，Aerosol，Cloud，ocean Ecosystem，PACE)配置的海洋水色光譜儀(Ocean Color Instrument，OCI)載荷也只是對MODIS和VIIRS等載荷的延續，將光譜分辨率提升到5 nm的水平。同時，歐洲規劃的Sentinel-3后續系列衛星仍然以OLCI為海洋水色觀測主載荷。

1.2 發展趨勢分析

縱觀國際海洋水色探測衛星(載荷)的發展規律，可以發現國際海洋水色遙感的發展具有如下趨勢。

1)形成持續穩定的觀測體系

海洋觀測是一項長期任務，通過長期、連續的觀測來發現海洋變化的規律，最終服務于海洋研究及應用。國際上注重觀測體系的頂層設計，通過制定長遠的發展計劃，建立全球性、立體、多維度的綜合海洋觀測體系，注重觀測數據的持續性，實現多種海洋衛星聯合觀測和持續穩定運行。

2)海洋水色觀測由綜合型觀測衛星向專用的觀測衛星發展

早期的海洋水色觀測，通常將水色載荷與其他載荷裝配在同一衛星上進行觀測，如MODIS搭載在Terra和Aqua衛星上。但隨著海洋水色觀測要素的增多，海洋水色觀測任務越來越復雜，目前大多發展專用的海洋衛星，如Sentinel-3A/B、全球變化觀測任務-氣候1衛星(Global Change Observation Mission-Climate 1，GCOM-C1)、PACE等，進一步提升海洋觀測業務能力。

3)海洋水色觀測已由傳統的海洋水色要素觀測逐漸向海洋光學環境要素的精細化觀測過渡

在已發射的海洋水色觀測遙感器中，空間分辨率越來越高，由典型的1.1 km(SeaWiFS)提高到250 m(新一代地球靜止海洋水色成像儀(Geostationary Ocean Color Imager，GOCI))的觀測能力；譜段范圍由傳統的可見近紅外譜段擴展到紫外到熱紅外全譜段，譜段數由最初的8個(SeaWiFS)譜段發展到數十個(VIIRS有22個)，光譜帶寬越來越窄，由典型的20～40 nm發展到7.5～20 nm的精細光譜，而正在研制的PACE/OCI為帶寬5 nm的光譜成像儀；信噪比由典型的500提高到1000。空間分辨率、光譜分辨率、信噪比等性能指標的提升，伴隨光譜分辨率的大幅提高，使得海洋水色探測能力向精細化方向邁進。此外，由于譜段范圍越來越寬帶來的好處就是觀測手段就越來越豐富，尤其是一些新發展水色探測衛星/載荷補充了偏振第二代全球成像儀(Second generation Global Imager，SGLI)、夜光(VIIRS)等新型探測手段，海洋水色探測已由傳統的水色探測拓展到水色水溫、水體透明度、藻類辨識、浮游生物等海洋環境要素探測，并正向更廣闊的應用領域(如海洋溢油)發展。

4)衛星重訪周期進一步縮短，覆蓋范圍由局部海域變為全球海洋

四維動態變化的海洋監測要求衛星重訪周期要短，一般都在1～3天以內，隨著靜止軌道衛星和星座組網在海洋水色觀測中的應用，對特定區域的重訪周期將甚至提高到1天多次，觀測覆蓋范圍也由局部海域變為全球大洋。

2 中國海洋水色衛星發展情況

2.1 發展現狀

中國海洋衛星發展起步較晚，2000年11月發布的《中國的航天》白皮書明確了海洋衛星系列是中國長期穩定的衛星對地觀測體系的重要組成部分。2002年5月15日成功發射了中國第一顆海洋衛星——海洋一號(HY-1A)衛星，也是第一顆海洋水色觀測衛星，實現了中國海洋衛星零的突破，開啟了國產化海洋水色探測和應用研究的序幕。2007年4月11日成功發射的中國第二顆海洋衛星——海洋一號B(HY-1B)衛星實現了海洋水色遙感衛星由試驗型向業務服務型的過渡。2018年和2020年分別發射的海洋一號03(HY-1C)衛星和海洋一號04(HY-1D)衛星兩顆水色衛星在HY-1A/B衛星基礎上進行了功能、性能升級，在軌組網形成了中國首個海洋水色業務衛星星座，實現了對全球大洋和中國近海近岸等重點區域的高精度、高頻次監測。HY-1A/B/C/D系列衛星為中國第一代海洋水色遙感專用衛星，主要技術指標與SeaWiFS、MODIS等國際第二代水色衛星(載荷)相近，具體如表2所示，形成了中國國產化水色遙感業務體系。

表2 中國第一代海洋水色衛星與國際第二代水色衛星/載荷比較情況

中國海洋水色衛星的發展歷程如圖3所示。當前中國正開展以新一代海洋水色衛星為代表的第二代海洋水色衛星的研制工作，其是在中國第一代海洋水色衛星的基礎上進一步提升海洋水色探測精度，主要技術指標與VIIRS、OLCI等國際第三代海洋水色衛星(載荷)技術指標相當(如表3所示)，將使中國海洋水色遙感實現從“跟跑者”向“并跑者”角色的轉變。

圖3 中國海洋水色衛星發展歷程

表3 中國第二代海洋水色衛星與國際第三代水色衛星/載荷比較情況

2.2 存在的不足

隨著中國國民經濟高速發展，對海洋水色精細化、快速化、常態化的觀測需求越來越高，海洋水色觀測效益日益凸顯。然而，隨著觀測需求的不斷提高[13-15]，受當前水色探測技術發展的局限，現有海洋水色衛星不能完全滿足精細化探測需求，具體表現如下。

1)信噪比需要進一步提高

由于海洋水色觀測主要是針對水體目標，為了能有效反演水體光學特性參數必須要求觀測數據有高信噪比，尤其是要實現精細化觀測，對信噪比的要求更高。如當前國際主流的OLCI載荷[16-18]，水色觀測主要譜段在300 m空間分辨率、光譜帶寬10 nm的情況下，能夠實現信噪比大于1000的觀測能力，部分譜段信噪比甚至超過2000，具體如表4所示。中國第一代海洋水色衛星上配置的海洋水色水溫掃描儀信噪比一般在300～500，與其空間分辨率相當的MODIS載荷相比(MODIS主要譜段信噪比如表5所示)，也存在較大的差距。當前正研發的第二代海洋水色衛星上配置的水色水溫掃描儀伴隨大量技術革新，能夠實現信噪比大于1000的觀測能力，但是分辨率比OLCI低約1倍，光譜帶寬近似為OLCI對應譜段的2.7倍。因此，在高信噪比觀測能力上與OLCI還是存在一定的差距。

表4 OLCI載荷主要水色譜段信噪比

表5 MODIS載荷主要水色譜段信噪比

2)光譜帶寬需要進一步優化

從水體光譜的響應特性可以看到，水體反射率隨波長變化較為平緩，響應特征峰對應譜段帶寬較窄，主要譜段帶寬在5～10 nm左右。為精細分辨出這些特征，要求水色載荷觀測譜段設計時必須考慮水體響應特征譜段[19-20]，只有帶寬較窄的情況下才能夠識別出相應水體的光學特性。例如，國際第二代水色載荷MODIS海洋觀測譜段光譜帶寬基本在10 nm，當前國際上典型的OLCI載荷主要水色觀測譜段帶寬在7.5～10 nm，美國即將發射的PACE衛星上配置的OCI載荷為成像光譜儀，光譜帶寬為5 nm。中國第一代海洋水色衛星上配置的海洋水色水溫掃描儀主要水色觀測譜段的光譜帶寬均在20 nm，正研發的第二代海洋水色衛星上配置的水色水溫掃描儀水色觀測譜段的光譜帶寬一般在15～20 nm。因此，針對精細化水色觀測需求，在光譜帶寬設置上還需要進一步提升水色光譜的分辨能力。

3)探測譜段需要進一步豐富

隨著人類對海洋認知的加深，傳統水色產品服務外的新的用戶需求不斷增加。因此，除了傳統的水色探測譜段外，還需要針對新的應用需求增加相應的探測譜段和探測能力。例如，OLCI載荷在MERIS載荷[21]的基礎上，增加了673 nm通道用于葉綠素熒光測量，增加764.4 nm和767.5 nm兩個氧氣吸收譜線和940 nm的水汽吸收譜段用于提高云層厚度的反演，增加1.02 μm的譜段用于提升近岸水體大氣和氣溶膠校正的能力。另外，當前國際上廣泛使用的海洋水色載荷VIIRS增加高靈敏度的日夜觀測譜段(Day night band，DNB)以滿足夜間海洋觀測應用需求[22]。此外，日本的SGLI載荷為了反演全球氣溶膠分布，增加了2個三方向的偏振譜段。同時，相關研究表明，可見光偏振在海面溢油檢測以及油種區分方面展現出的潛力使其成為未來海洋觀測需要重點關注的手段[23-24]。對于中國海洋水色衛星而言，目前仍然以海洋水色水溫觀測為主，大氣校正通道不豐富，尤其是針對近岸水體大氣校正[25-30]，針對新的應用需求的探測手段稍顯不足。

4)海洋水色觀測空間尺度需進一步提升

海洋每天都發生著各種尺度的海洋現象。為了研究各種海洋現象，需要開展精細化監測。對于海洋水色環境研究，需要進行中小尺度的觀測。以美國典型的海洋水色載荷VIIRS為例[31-32]，其水色空間分辨率為375 m，水溫空間分辨率為750 m；而歐洲的典型水色載荷OLCI空間分辨率達到300 m。當前，中國海洋水色觀測仍以大中尺度海洋現象為主，空間分辨率一般在1 km左右，即使在新一代海洋水色衛星中提升到500 m，但與海岸帶等區域的精細化監測需求仍有較大的差距。

5)重訪能力需要進一步提高

海洋是動態變化的水體，海洋水色環境也不斷地發生著變化。因此，對海洋水色環境的觀測需要高頻次的觀測能力。以美國JPSS計劃為例，VIIRS單個載荷幅寬在3000 km，單顆衛星可以實現1天1次的全球覆蓋，在SuomiNPP、JPSS-1兩星組網運行后可以實現1天2次的重訪能力，如果考慮到跟美國的國防氣象衛星計劃(Defense Meteorological Satellite Program，DMSP)、歐洲的氣象衛星運行計劃(Meteorological Operational Satellite Program of Europe，MetOp)組網運行，將能實現每天3個不同時間段多次的全球覆蓋能力。中國目前在軌的HY-1C/D衛星，雙星組網可實現1天2次的全球覆蓋能力，基本能夠滿足用戶對全球大洋的觀測需求。但對于中國海岸帶區域，由于海岸帶成像儀幅寬相對偏窄，導致對近海等重點關注區域只能1天1次的重訪能力，需要更高頻次的重訪能力來滿足海岸帶區域的監測需求。

3 中國下一代海洋水色衛星發展建議

縱觀中國海洋水色衛星的發展歷程可以看出，中國海洋水色衛星的發展與國際發展趨勢基本一致，但在具體發展中又按照中國海洋遙感應用特色不斷推進，即按照大洋和海岸帶不同探測區域的目標特性設計與觀測需求相適應的載荷，如海洋水色水溫掃描儀主要針對全球大洋水色水溫觀測，而海岸帶成像儀主要針對海岸帶等重點區域進行觀測。

根據國家總體規劃，中國將發展海洋水色衛星、海洋動力環境衛星和海洋監視監測衛星的三大系列海洋衛星，逐步形成以中國為主導的海洋空間監測網[4-7]。結合國際海洋水色衛星的發展趨勢，根據當前中國海洋強國建設的背景和未來需求，對下一代海洋水色衛星的發展建議如下。

(1)下一代海洋水色衛星應該接續中國第二代海洋水色觀測衛星，繼續發展專用的海洋水色衛星來維持保持我國海洋水色衛星的觀測體系，保持對海洋水色環境等要素長期、連續、穩定的觀測能力。

(2)繼續按照中國特色的海洋水色遙感發展思路推進，在關注全球大洋的同時，重點關注中國近海近岸、大江大河、大湖等不同區域的水體特征，著重服務于海洋強國建設需要。

(3)下一代海洋水色衛星要以滿足精細化觀測需求為驅動，需要發展具備高信噪比、窄光譜帶寬、多觀測譜段、高空間分辨率的海洋水色觀測載荷/衛星，實現從傳統海洋水色水溫觀測向海洋光學環境要素探測拓展；同時，針對新興應用需求，應考慮增加偏振、夜光等探測手段來提升探測能力，實現中國海洋水色遙感從“并跑”到“領跑”的跨越。

(4)為了提高對海洋水色觀測的時效性，應充分發揮小衛星低成本、快速研制的優勢，在軌采用多星組網實現對全球大洋以及海岸帶等重點區域的快速覆蓋和高頻次重訪。