海洋水色成像仪综述.docx

海洋水色遥感器发展趋势初探胡杨14213376水文学及水资源1A引言海洋水色遥感是指利用地球轨道卫星上搭载的遥感仪器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遥感技术海洋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)一类水体的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2］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［3］。

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⑷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入1卫星平台上的中等分辨率成像频谱 仪(MERIS)、日本ADEOSA2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)［5］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)、HYA1A及 HYA1B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。

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 (Oceanand 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［6］［7］2A过去的海洋水色遥感器2.1 CZCS海岸带扫描仪(The Coastal Zone Color Scanner )是第一个用来测量海洋水色的航天传 感器尽管在它以前也有不少可以检测海洋水色的航天传感器，但他们的光谱波段、空间分 辨率以及活动范围等特性都是以陆地或者气象为最优化对象的，应用在海洋水色方面有不少 局限但是CZCS的各种特性都为水色遥感服务，而排斥其他类型的遥感［81它有6个光谱波段，其中四个是主要用来检测水色的，它们的带宽都是20nm，分别以 443nm, 520nm, 550nm, 670nm为中心波段；第五波段宽100nm,以750nm为中心，更适 宜陆地遥感；第六波段是热辐射波段(在传感器运作一年的时候就停止运行了)1-4波段用 来检测水域或者瞬时视场角内水汽含量很高的陆地、云层。

2.2 OCI由日本NEC公司承制的海洋水色成像仪是四镜头并列CCD推扫式相机图1 OCI成像仪结构外形尺寸为（长X宽X高）:35cmX38cmX34.5cm,质量为16.8kg,遥感的中心波长分别 是443、490、510、555、670、865nm,构成一个六波段七通道海洋水色成像仪第七通道 与第四波段是完全相同的，即为555nm波段OCI的波段选择与美国SeaSTAR卫星的 SeaWIFS八个波段中的六个完全相同，而与日本ADEOS卫星的OCTS十二个波段中的四个 完全相同［9】海洋水色成像仪视角为60° ,使海洋水色成像仪在600km高空时可覆盖690km 宽的地面，地面分辨率可达800mX800m为了简化设计并确保系统的可靠性，在海洋水色成像仪的设计中没有机械运动部件，其 成像动作完全由线型CCD敏感器件与卫星轨道运动所构成ROCSAT-1利用S-band通道传回卫星上的数据，其数据传输速率可达1.39Mb/s最大时 海洋水色成像仪可使用其80%的传输速率（约1Mb/s）传送光谱数据，多于这个传输限制的光 谱数据必须先存放在星上的固态存储器内这个存储器容量有2Gb，因此海洋水色仪绕行轨 道一圈，最多只能用其中3%的时间摄像。

这相当於拍摄两张700kmX700km的六波段相片 ［10］OCI是一全折射式望远镜系统，每两个波段公用一个望远镜（B1/B2, B3/B4，B5/B6），第7 通道采用B3/B4组合的光学系统为了减小色差，三组望远镜分别独立设计，系统的F数为 7第四组与第二组望远镜相同，重复选择555nm “黄光”波段作为第7通道的原因是，该中 心波长是水体色素变化的铰链点，无论高浓度与低浓度叶绿素水体的信息提取都需要用该 波段的数据与其他波段的数据相除而得到而OCI的主要探测目标就是叶绿素浓度和浮悬 泥沙，该探测波段具有备份的作用，以能满足台湾海区水色探测同时，如果望远镜光学系 统有某种退化，那么它也是一种比较的手段[Mi2】敏感器件为法国汤姆逊公司的TH7811A型CCD，其上有1728个像素，每一个像素为 13p mX13p m使用时分为三段，两侧段各有832个像素，以二像素合一的方式形成各有 416个扩展像素，中间段则有64个像素，因此在600km高空时，两侧的地面分辨率为800m2, 而中间段则为400mX800m开始设计时，选用日本NEC公司的|J pD3571型CCD，它有 3584个像素，每像素的尺寸是7m mX7p m。

采用4元4线并一元的采样方式，即16个像 素并为1个像素的方式2.3 SeaWiFSSeastar卫星上装配的SeaWiFS仪器如图2所示°OSE正在制造SeaWiFS卫星，并将探测 仪的结构的子合同转包给休斯公司桑巴巴拉研究中心(Hughes/Santa Barbara) (SBCR)，将在 1994年初用“飞马”助推器送到轨道上[13]不象雨云7号飞船带9台仪器,SeaStar将只带 SeaWiFS仪器扫描器有光学、探测器、前放和扫描机构,装在飞船架子的星下点那面电 子舱有指令、遥测和电源等功能装在飞船架子的内表面，与扫描器直接相对仪器的总重 量大约为49kg[14][15】图2 SeaWiFS扫描仪这个仪器测量八个空间波段的地球辐射，同样也测量饱和辐射率因为它是经过优化用 来观测相对暗的海洋的，所以一般的云层和陆地区域将使探测器饱和探测器的瞬时视场 (IF0V)是每个象素1.6x1.6mrad,星下点的扫描角士 58.30扫描平面可以相对星下点倾斜 十20、0或一 20度，每个象素的值的数字化精度是10 bit,典型的信噪比(SNR)大约是600 探测器有四个可选择的增益，两个为地球目标，一个为月亮定标和一个为太阳的定标。

3未来的海洋水色遥感器3.1 VHRSVIIRS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NPOESSC入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MOADIS相仿，辐射特征也差不多［⑹MODIS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［17】VIIRS重275kg,功率为240W,预计将在轨工作7年星下点空间分辨率为400m,扫描 带边缘的空间分辨率约为800m它将在星下点左右56A的范围内进行扫描，每4个小时经 过赤道一次，刈幅约为3000km共有22个波段，可见光与近红外9 个,中波红外8 个,长波 红外4个，还有一个用于低照度的可见光波段用于海洋水色遥感共有7个波段，全部分布 在可见光与近红外波段图3表示了 VIIRS的可见光及近红外波段的海洋遥感性能Ml0.4 0.4K 0.56 0.64 0.72 0.S 0.88 0.96 譲长图3 VIIRS海洋水色遥感波段响应曲线图对于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［19］。

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3. 2 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［20］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；河口监测等回］3.3 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oGOCI 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［22］。

GOCI就是用来做海洋水色遥感的，由EADS入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. 39mA0. 89mA0. 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GOCI的谱带选择刚 好适应其进行水色遥感［23］，如表1所示：表1 GOCI的基本参数GOCI的波段设置与第二代水色遥感器如MODIS有许多相似之处，很好地继承了它们 的优点以412nm为中心波长的波段能够很好地区分开活的藻类和死去的腐败物(黄色物 质)，而近红外的两个通。