高分三号卫星赋能海洋强国建设 - 海洋观察站建设

华德地毯 · 发表于海洋科普 2024-8-28 01:49:13

一、引言

党的二十大报告指出：“发展海洋经济，保护海洋生态环境，加快建设海洋强国。”这是党的十八大作出建设海洋强国、党的十九大作出加快建设海洋强国战略部署后，党中央统揽全局，再次发出的伟大号召。海洋强国是指在开发海洋、利用海洋、保护海洋、管控海洋方面拥有强大综合实力的国家。建设海洋强国在国内外形势复杂的当前具有重要现实意义、战略意义，是中华民族永续发展、走向世界强国的必由之路。

海洋海域辽阔、海上环境复杂、海洋观测要素动态多变，并且时间、空间尺度差异大。经过数十年发展，卫星海洋遥感在国际上已被公认是观测海洋、认识海洋最重要的技术手段之一。海洋卫星作为建设海洋强国的国之重器，同时也是海洋科技创新的重要成果，在加快实现高水平海洋科技自立自强中作出了巨大贡献。合成孔径雷达（SAR）卫星由于具有二维高分辨成像、全天时、全天候观测能力，成为各国对地观测系统尤其是海洋观测系统的重要组成部分。

高分三号卫星是我国自主研制的兼顾海陆应用的多极化SAR卫星，也是我国首颗设计寿命达到8年的成像雷达卫星。卫星于2016年8月10日发射，2017年1月23日正式投入使用，并在2022年完成了与后续两颗业务卫星的组网运行，标志着我国首个海洋监视监测雷达卫星星座建成。高分三号卫星自发射以来状态良好，运行稳定。

截至2024年6月，累计开机成像33563次，成像时长2825小时。生成1A级产品972721景，数据量为1.43PB。向海洋、应急管理、水利与气象等多个行业用户分发数据304万景。为海洋权益、防范和减少自然灾害、自然资源与生态环境监测等领域雷达卫星数据应用提供了重要支撑，为改变我国雷达卫星遥感数据主要依赖进口的情况，发挥了重要作用。本文主要对高分三号卫星在海洋领域的主要应用进行介绍。

二、高分三号卫星技术特点

高分三号卫星运行在平均轨道高度755km的太阳同步回归晨昏轨道上，轨道重复周期为29天。卫星搭载的C频段多极化SAR载荷具有12种成像模式，其空间分辨率范围1～500m，成像幅宽范围10～650km，具有多极化数据获取能力，并且为典型海洋要素海浪和海面风观测设计了专用成像模式——波模式、全球观测模式，能够满足海洋以及应急管理、水利、气象等多个行业遥感应用观测需求。高分三号卫星成像模式主要技术参数见表1。

三、助力海洋资源开发

海洋资源的开发和利用对未来的经济发展、能源开发的驱动作用将会日趋明显，利用卫星遥感技术进行海洋水文信息监测与预报，对海洋资源开发、海洋经济发展、海洋生态保护及海洋权益维护方面至关重要。

高分三号卫星入轨以来，持续推动卫星遥感技术中的科技生产力转化为海洋管理部门的现实生产力，是实现海洋资源与环境可持续发展的关键技术和重要手段，在全球变化、资源调查、环境监测与预测中起着无法替代的作用。同时在维护海洋资源与环境可持续发展的过程中极大地促进了信息科学技术、空间科学技术、环境科学技术和地球科学的发展。

1.海洋内波监测

海洋内波是一种发生在海洋内部的波动。内波具有很强的随机性，其波长和周期分布在很宽的范围内。大振幅的海洋内波具有非常大的破坏力，可导致海水强烈辐聚和突发性强流，对海洋工程、石油钻井平台和海底石油管道造成严重威胁。1990年夏天在东沙岛附近，当内波经过时，锚定的油罐箱在不到5min内摆了110°。因此，内波的监测对海洋资源的安全开发具有非常重要的意义。

由于内波在海水中运动和传播的过程中引起海表面流海面表层流辐聚或辐散，因此内波在SAR图像上表现为明暗相间的条纹，利用内波在SAR图像中呈现的这种特征可以检测内波，进而提取内波参数。图1为高分三号卫星在黄海海域捕捉到的海洋内波影像，经分析，该组内波由３个波列组成（黑线所示），整体向东北方向传播，平均波长约250m，影响范围超过5km（红线所示），最大振幅约5m（位于红线和黑线交叉处）。该海域水深约100m，８月份温跃层的月平均深度为32m。

图1 高分三号卫星黄海海域海洋内波图像

2.海水养殖区监测

我国浅海和滩涂资源丰富，海水养殖业繁荣，浮筏养殖是海域使用动态监测的重要类型，在国民经济发展中作用巨大。浮筏养殖是在浅海与潮间带设置浮动筏架，筏上挂养养殖对象的一种生产方式，多以浮球悬挂吊笼方式养殖扇贝、牡蛎等贝类。然而随着养殖规模的逐年扩大，一些贝类养殖海区出现贝类产量降低和死亡率增加的情况，贝类持续高密度养殖增加了局部海域的环境压力，造成生态环境污染。因此，系统深入研究浮筏养殖用海面积范围提取，实现浮筏养殖动态监测，利于合理使用养殖资源，对于营造健康平衡的海水生态环境具有十分重要的意义。图2是利用高分三号卫星数据制作的辽宁省大连市长海县浮筏养殖类型专题图，采用整体精度指标进行分析，浮筏养殖监测平均整体精度为87.27%。

图2 高分三号卫星辽宁省大连市

长海县浮筏养殖类型专题图

3.极地环境监测与科考保障

极地环境变化和全球环境与气候变化有着密切联系。极地航道对于经济、军事及极地科考都具有重要意义。高分三号卫星能够提供极地冰覆盖、极地航道监测数据，为应对全球变化与极地科学考察提供有力保障。

2016年11月，尽管高分三号卫星在轨测试尚未结束，但卫星数据已经用于中国第33次南极科考雪龙号科考船极地航行保障工作，成为国家卫星海洋应用中心其后历次极地科考保障重要的数据源之一。2018年，雪龙号科考船卫星数据船载移动接收与处理系统经过升级改造，实现了卫星数据船载接收，在第9次北极考察和第35次南极考察期间实施了多次高分三号卫星实时接收任务，提供了多幅高分辨率SAR海冰数据。为雪龙号科考船冰区航行、作业及南极中山站、罗斯海新站冰区停靠卸货提供了高分辨率SAR海冰专题图产品。

2019—2020年，我国第36次南极科考首次实现了“双龙探极”（雪龙号与雪龙2号）。图3为考察期间中山站附近高分三号卫星图像，图中可见破冰开路的雪龙2号科考船与行驶在破冰航道上的雪龙号科考船。获取了乱冰区和冰裂隙分布等关键信息，为雪龙号选定了合适的着陆点，帮助考察队合理规划雪地车冰上运输路线，为中山站海冰卸货安全顺利完成提供了有力保障。

图3 第36次南极科考“双龙探极”高分三号卫星图像

四、保障海洋防灾减灾

我国是世界上少数几个遭受多种海洋灾害的国家之一，包括风暴潮、巨浪及热带气旋、温带气旋和冷空气大风所造成的突发性的海洋灾害，每年都给我国沿海经济建设、海洋开发和人员生命财产带来巨大损失。

随着我国海洋遥感卫星体系的不断完善，已经建立和完善预报减灾机制体制，特别是高分三号卫星系统的建成，持续提供我国临近海域的台风、海面溢油、海冰、绿潮信息，为灾害监测和评估、应对重大环境事件提供信息支持，持续为沿海各地提供科学的预警报信息，筑起生命财产安全的“防护堤”，在防御海洋灾害，保障沿海地区经济社会可持续发展、支撑海洋强国建设上发挥着积极作用。

1.台风监测

目前高分三号卫星数据已用于国家卫星海洋应用中心台风业务化监测工作，基于海洋二号系列卫星与高分三号等卫星，及时向国家、海区、省市三级海洋预报部门提供台风专题产品，为汛期台风预报会商提供了近实时的台风实况信息保障，为台风SAR遥感科学研究提供了有效的数据支撑。

同极化数据在高风速条件下容易饱和；交叉极化数据在中低风速条件下信噪低，反演精度不高。因此在实际应用中，采用了一种双极化数据联合台风风场反演方法：即在风速高于25m/s条件下，利用交叉极化数据后向散射系数与风速成线性关系，进行高风速反演；在风速小于20m/s条件下，采用同极化数据进行风速反演；风速在20~25m/s范围内，采用同极化数据与交叉极化数据风速反演结果加权的方法反演风速。图4a是2017年9月13日高分三号卫星获取的台风“奥鹿”图像，图4b为基于卫星图像反演的台风风场。

图4 高分三号获取的台风“奥鹿”图像及风场

高分三号卫星弥补了传统观测手段的不足，尤其是在极端海况下，成为获取海洋数据的重要有效手段，拓展了我国在台风监测领域的应用，减少了经济损失和人员伤亡。

2.海上溢油监测

高分三号卫星发射前，国家卫星海洋应用中心海上溢油卫星遥感监测业务化系统主要基于国外卫星数据进行我国渤海、东海、南海重点海域溢油遥感监测。高分三号卫星发射后，其数据已替代外星数据成为海上溢油监测主要数据源，为海上溢油事件快速响应、应急处理和巡航执法提供辅助决策支持。

2018年1月6日，巴拿马籍油船桑吉号与香港籍散货船长峰水晶号在长江口以东约160海里处发生碰撞，船载凝析油大量外泄，对海洋环境造成严重影响。国家卫星海洋应用中心利用业务化海上溢油监视系统及时开展桑吉号油船及其溢油的卫星遥感应急监测，图5为利用高分三号卫星数据制作的桑吉号溢油应急监测专题产品，及时为决策部门提供了溢油分布面积、位置以及溢油路径预测等信息。可以看出，1月21日在图像覆盖海域监测到3处条块状溢油分布区，总面积约332km2。面积最大溢油分布区约328km2，面积最小溢油分布区约1km2。

图5 基于高分三号卫星数据制作的

桑吉号海上溢油监测图

3.绿潮监测

绿潮是在特定环境条件下，海水中浒苔等大型绿藻爆发性增殖或高度聚集引起水体变色的一种有害生态现象。近年来，绿潮是我国近海沿岸的主要灾害之一，多暴发在多云雨天气的夏季，光学卫星受云雾遮挡难以做到持续的常态化监测，此时雷达卫星成为海洋藻类生物生长监测的重要数据源，可以实现浒苔绿潮生长演变的全过程监测。

经过十余年发展，我国近海绿潮遥感监测已成为海洋灾害监测主要业务化工作之一，主要基于海洋一号系列等光学卫星数据、高分三号卫星及其后续业务卫星数据，每年向国家、海区、省市三级部门和单位发布绿潮灾害监测通报、专报，实现绿潮灾害早期发现和全过程跟踪监测，为绿潮漂移路径预测和防灾减灾提供了准确及时的信息服务。图6为2020年5月27日6时高分三号卫星黄海绿潮图像与2020年5月27日11时海洋一号C星光学图像绿潮提取结果叠加图（绿色部分）。从图中可提取绿潮向西偏北方向漂移，漂移位移约3km。

图6 高分三号卫星与海洋一号 C 星

黄海绿潮监测（标准条带模式，VV 极化）

五、推动海洋遥感技术发展

海洋科技创新是建设海洋强国的根本动力，是贯穿全局、起决定性作用的关键因素，加快海洋开发进程，振兴海洋经济，关键在海洋科技创新。习近平总书记强调，“建设海洋强国必须大力发展海洋高新技术”。为推动海洋卫星遥感技术创新，全面塑造海洋未来发展的新优势，准确把握海洋科技发展趋势，高分三号卫星开展了海流测量、SAR/AIS联合船舶监视、双通道聚束等多项新技术和新模式的研究和在轨验证，为拓展卫星海洋应用提供了理论依据和数据支撑。

1.海流测量试验

海流是海水的重要普遍运动形式之一，海表流场信息是海洋观测、海洋科学研究中的重要要素，并对海洋气候、海洋污染、渔业、海岸带开发、军事行动等都有重大影响。目前国内外还没有实现高分辨率海表流场业务化测量。

为了实现SAR卫星海流观测，在高分三号卫星顺轨干涉合成孔径雷达（ATI-SAR）试验模式海流测量性能仿真分析的基础上，国家卫星海洋应用中心、中国空间技术研究院总体部等相关单位，首次在我国北部湾海域、黄海青岛附近海域开展了星载ATI-SAR海流测量试验，对SAR载荷工作体制和ATI-SAR海流反演技术进行了充分验证。图7a～7d分别为配准后的干涉相位图、邻域平均和相位滤波后的相位图、计算的初猜流场以及反演的流场。试验结果表明，高分三号卫星具备海表面流反演能力，海表流速精度优于0.2m/s。

图7 高分三号卫星海表流场反演

2.SAR/AIS数据联合船舶监视

海上船舶是重要的海上监视目标，利用SAR卫星数据进行船舶检测在航运、海上搜救、渔业资源保护、海上维权和军事等领域有着广泛应用。

多载荷技术的发展使得一星多用成为可能，高分三号卫星在搭载SAR载荷的同时搭载了AIS传感器，图8为卫星获取的船只影像及同时段的AIS数据。由于船只运动引入的相对径向速度会导致船只成像后方位位置偏移真实位置，所以AIS数据记录的位置投影到SAR图像上不能与船只成像位置完全匹配。通过将AIS数据与SAR船只匹配，将离散稀疏的AIS数据进行拟合，结合卫星导航数据计算得到船只的斜距历程，据此引入虚拟静止目标点，估计得到船只相对于静止场景的相对径向速度，从而实现方位向偏移校正，获取船舶身份信息。

图8 高分三号卫星获取的船只成像结果

与 AIS 信息（黄色航迹）

3.双通道聚束模式成像试验

传统星载SAR-GMTI采用双通道或者多通道条带模式来实现对地面大区域内运动目标的指示。这种模式受限于条带成像模式相参积累角度小、观测时间短的弊端，仅可实现中低分辨率目标检测，无法获得高分辨目标影像，且无法连续跟踪目标获得其运动轨迹，导致应用效能较差。星载双通道聚束SAR成像模式具有高分辨率成像、长时间监测和多角度观测优势。主要表现在：①双通道可以为多角度SAR提供更强的杂波抑制功能。②由于多通道技术对动目标径向速度敏感，因此从多角度观察可以提高检测性能。③多角度SAR的高分辨率特性使获得分米级动目标聚焦图像成为可能，这对目标识别极为有利。基于这些优点，高分三号工程研究团队开展了模式论证和数据获取工作。图9为布设了角反的动目标车辆成像结果，可以看到车辆被准确定位回道路附近，根据道路ATI相位测速可得径向速度为9.8m/s。图10为火车动目标重聚焦结果，可以清晰看到火车目标在原图中呈现散焦状态，经重聚焦后可以看到火车车厢一节一节的结构。

图9 动目标检测与重定位图

图10 动目标重聚焦成像结果

六、结束语

作为发展中的海洋大国，海洋日益成为中国走近世界舞台中央的重要主题。未来，高分三号卫星系统将持续为我国实施海洋开发、进行陆地环境资源监测和应急防灾减灾的重要技术支撑，持续履行海洋遥感业务监测、产品服务和应用，积极推进科技创新与国际合作、海洋卫星工程、地面系统建设等重点工作任务，推动海洋卫星工作高质量发展，以实际行动推动航天强国建设、海洋强国建设不断取得新成就。

来源：《卫星应用》2024年第8期

作者：袁新哲、叶小敏、刘亚东、赵良波、韩冰、仲利华、安文韬、崔利民

编辑：刘维德

责编：曲向芳

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