文｜刘建强 蒋兴伟 王丽丽 叶小敏 丁静 曾韬 宋庆君 孙从容 邹斌

1．国家卫星海洋应用中心

2. 自然资源部空间海洋遥感与应用重点实验室

3. 航天东方红卫星有限公司

一、前言

21世纪是海洋的世纪，利用空间遥感技术对海洋进行立体、动态监测已成为当今海洋监测的重要手段。在《中国的航天》（2000年版）白皮书中指出，海洋系列卫星是我国“长期稳定运行的卫星对地观测体系”重要组成部分。其中海洋一号系列卫星主要用于海洋水色、水温环境要素探测，为我国海洋生物资源开发利用、河口港湾的建设和治理、海洋污染监测和防治、海岸带资源调查和开发以及全球环境变化研究等领域服务。

海洋一号C、D卫星（HY-1C/1D）是我国第一个海洋业务卫星星座，HY-1C/1D卫星分别于2018年9月7日和2020年6月11日成功发射。双星星上配置相同的5个有效载荷，即海洋水色水温扫描仪、海岸带成像仪、紫外成像仪、星上定标光谱仪和船舶自动识别系统。

HY-1C/1D卫星组网观测填补了我国海洋水色卫星无下午观测数据的空白，针对海洋水色而言，上午被太阳耀斑影响的海域下午观测时大部分能够避免，上午被云覆盖的观测海域和未被观测到的区域下午有机会得到弥补，通过双星组网，覆盖频次增加一倍，可提供快速、高精度的业务化的卫星遥感数据服务。全球海洋水色、海岸带资源与生态环境的有效观测能力大大提高，HY-1C/1D不仅用于全球大洋水色水温环境业务化监测，也为地方省市自然资源调查、环境生态监测、防灾减灾应急处置、南北极监测以及气象、农业、水利等行业提供数据服务。拉开了我国民用空间基础设施中长期发展规划海洋业务卫星的序幕，开启了我国自然资源卫星陆海统筹发展的新时代。

二、海洋一号C、D卫星主要使用要求及有效载荷

HY-1C/1D卫星用于连续获取全球水色水温资料，监测我国海岸带环境变化，同时服务于自然资源调查、环境生态、应急减灾、农业、气象、水利等行业，其主要使用要求如下：

1．卫星使用要求

（1）观测要素

HY-1C/1D卫星主要观测要素包括海水光学特性、叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、可溶有机物、海表温度。兼顾要素包括海冰冰情、绿潮、赤潮、海洋初级生产力、海岸带要素、植被指数、海上大气气溶胶、大洋船舶信息。

（2）观测范围

HY-1C/1D卫星实时观测区包括北京、海南、牡丹江地面站接收覆盖区（渤海、黄海、东海、南海和日本海、中国海岸带区域以及部分邻国区域等）。非实时观测区包括接收站覆盖区的全球其他观测区域。

（3）覆盖特性

海洋水色水温扫描仪覆盖周期单颗卫星为1天，双星组网为0.5天；海岸带成像仪覆盖周期单颗卫星为3天；双星组网为1.5天；紫外成像仪覆盖周期单颗卫星为1天，双星组网为0.5天。

（4）卫星标称轨道参数

HY-1C/1D卫星轨道类型为太阳同步回归轨道；轨道高度标称值为782km。卫星观测的地方时如下：C星为降交点地方时10:30AM±30min；D星为降交点地方时1:30AM±30min。

2．卫星有效载荷

（1）海洋水色水温扫描仪（COCTS）

主要用于探测海洋水色要素（叶绿素浓度、悬浮泥沙浓度、可溶性有机物等）和海面温度场等。空间分辨率1km，幅宽大于2900km。通过连续获取长时序的我国近海及全球水色水温资料，研究和掌握海洋初级生产力分布、海洋渔业和养殖业资源状况及环境质量，为海洋生物资源合理开发与利用提供科学依据；为全球变化研究、海洋在全球二氧化碳循环中的作用及厄尔尼诺（El-Nino）探测提供大洋水色水温资料。

（2）海岸带成像仪（CZI）

空间分辨率50m，幅宽1000km，主要用于获取海陆交互作用区域的实时图像资料进行海岸带监测；了解重点河口港湾的悬浮泥沙分布规律；并对包括海冰、赤潮、绿潮、污染物等海洋环境灾害进行实时监测和预警。

（3）紫外成像仪（UVI）

主要用于提高海洋水色水温扫描仪近岸高浑浊水体大气校正精度。

（4）星上定标光谱仪（SCS）

为海洋水色水温扫描仪8个可见近红外波段和紫外成像仪2个紫外谱段提供星上同步校准功能，监测水色水温扫描仪可见近红外谱段和紫外成像仪在轨辐射稳定性。可见、近红外谱段具备400—900nm范围内5nm带宽连续光谱数据下传能力；具有在轨太阳定标能力，覆盖2个紫外波段及水色水温扫描仪8个可见近红外波段。

（5）船舶自动识别系统（AIS）

主要用于获取大洋船舶位置和属性信息，为海上权益维护、海洋防灾减灾和大洋渔业生产活动等提供数据服务。主要功能包括：在轨全球侦收、存储和转发AIS报文；并具备四个频点同时侦收的能力；可监测幅宽≥监测幅宽。

三、海洋一号C、D卫星数据处理与覆盖能力

1．数据获取与处理

HY-1C/1D卫星在轨交付后实现了业务化运行，探测计划以及卫星上行指令由国家卫星海洋应用中心执行，卫星数据由牡丹江、北京、海南（三亚、陵水）地面站接收之后传送到北京数据处理中心进行处理，各载荷数据处理流程包括业务化常规处理和应急快交付处理两套处理系统流程，分别提供相应的业务化产品。产品精度满足地面系统业务产品设计指标要求，单颗卫星每天数据3.5TB。

HY-1C/1D卫星地面应用系统建立与优化了COCTS、UVI和CZI各载荷数据处理流程与算法软件，通过云掩模、水色大气校正和海洋遥感产品参数定量化反演、不同时间周期统计完成产品制作过程，均在规定时间内完成。配置了一条全载荷实时数据处理流程和八条定时生产流程，每天生产L0、L1、L2、L3级数据与产品，包括单轨卫星数据产品和全球网格化单天、8天、月、季和年统计产品以及多源卫星融合数据产品。

COCTS和UVI提供的主要业务化产品种类包括各波段遥感反射比、叶绿素a浓度、气溶胶光学厚度、海表温度、总悬浮物浓度、悬浮泥沙浓度、水体漫衰减系数、黄色物质浓度、水体透明度、水体固有光学特性、初级生产力等。

CZI业务化产品种类主要包括CZI各波段经瑞利散射校正后的反射率、归一化离水辐亮度、悬浮泥沙浓度、归一化植被指数、叶绿素浓度和海水透明度等。

2．卫星载荷覆盖能力

HY-1C/1D海洋水色水温扫描仪幅宽大于2900km，其中HY-1C卫星从北极飞向南极，降轨成像，每天绕极地飞行14圈将全球覆盖，两轨之间有部分重叠区以避免漏扫，在星下点的右侧海面上出现耀斑区，HY-1D卫星从南极飞向北极，星下点左侧出现太阳耀斑。上下午双星组网观测可将大部分太阳耀斑区域数据剔除。

海岸带成像仪的扫描幅宽950km，每天可以覆盖全国三分之一区域，三天可覆盖中国海岸带一次，双星组网三天可覆盖两次，在部分重叠区实现三天四次探测能力，卫星经过我国牡丹江、海南地面站接收覆盖区时下发数据，其他区域包括南北极、境外探测区通过星上记录存贮，晚上经过地面站时进行回放。

四、海洋一号C、D卫星典型应用

HY-1C/1D卫星运行以来，已开发研制全球、中国区、重点关注区域的水色要素、海面温度基础产品，并制作了遥感专题图像，在海洋灾害预警监测、海洋生态环境监测、极地海冰与航行保障以及省市其他行业的业务工作中发挥了重要支撑作用。由于幅宽大、覆盖频次高，有效数据增多和时效性好，在渤海海冰、黄海浒苔、沿海赤潮、突发溢油事件、极地冰川变化、洪涝灾情、台风监测、农作物变化、森林火灾监测中表现突出。在水资源变化监测方面，已经获取了包括河口港湾、海岛、长江、黄河以及丹江口水库、密云水库、山岳冰川融化、鄱阳湖等江河湖泊高频次的时序数据；在农业方面，对农作物面积和干旱监测、油菜种植等实现快速监测；在生态环境方面，对太湖、巢湖、滇池、洱海等内陆湖泊水华和水体水质进行了监测，效果良好；在海岸工程建设方面，如海上风电、核电、机场、围填海等监测过程具有一定潜力；在应急监测方面，在金沙江堰塞湖、墨西哥湾藻类监测等应急事件中及时提供遥感实况图像，为应急部门抗灾救灾、灾后重建提供信息服务支撑。

1．渤海海冰监测

渤海海域每年冰期从11月下旬开始到第二年3月下旬左右结束，严重的海冰直接影响海上交通运输、海上石油平台以及其他构建物安全、工程生产作业。卫星遥感监测海冰冰情是一项重点业务工作，每年利用国内外多尺度的可见光、微波遥感数据进行监测。自HY-1C/1D卫星运行后，宽幅、短重访周期的中分辨率海岸带成像仪已经成为渤海海冰监测的主力，已经实现对渤海三天两次监测频次，局部区域达到一天一次，空间分辨率50m的遥感专题产品深受用户欢迎。

根据HY-1C/1D卫星监测结果，2020年11月下旬辽河口沿岸有碎冰出现，12月中旬进一步增加，2021年1月17日辽东湾海域海冰面积10371km，2021年1月1—17日三周内海岸带成像仪获取的数据至少10天可用（1月1、2、5、7、8、10、11、13、16、17日可用），展示了双星组网优势。通过对时间序列的数据比较，可以得到各海域空间分辨率50m的海冰冰情日变化状态，为海上船舶航行、海上工程作业、海上石油平台、海岸养殖、海洋牧场与海洋工程管理提供信息服务，图1为HY-1C/1D卫星2021年1月16—17日辽东湾海冰遥感实况。

图1 HY-1C/1D卫星辽东湾海冰分布观测图像

2．浒苔监测

在2019年浒苔监测中，HY-1C卫星海洋水色扫描仪和海岸带成像仪监测浒苔的能力得到验证，特别是海岸带成像仪表现尤为突出。相对于HY-1B卫星的海岸带成像仪，其扫描幅宽提高了一倍，空间分辨率提高了5倍，同时信噪比高，识别能力大大提高，不仅能看到海洋表层浒苔，水下的部分信息也能观测到，因此分析处理得到的浒苔分布面积更为真实。HY-1D发射后，双星组网覆盖周期由原来的三天一次变成三天两次，再结合高分卫星与陆地卫星可实现自主卫星对黄东海每天一次监测，为浒苔防控提供了更有效、更有力的支撑。图2 为黄海浒苔分布，2021年6月6日同一天实现两次监测，（a）图为HY-1C上午观测图像，（ b）图为HY-1D下午观测图像，浒苔分布特征基本一致，小部分区域浒苔位置有漂移，浒苔呈现绿色条带状，各条带长宽不一。

图2 HY-1C/1D卫星2021年6月6日黄海浒苔分布观测图像

3．赤潮监测

赤潮频发是近岸海域环境污染的主要因素之一，既严重破坏了海域生态环境，又影响海洋渔业和滨海旅游业发展，甚至危害到人类健康。HY-1C/1D先后监测到了渤海、黄海近岸、深圳湾、北部湾、东海、海南沿海等海域的多次赤潮事件，获取了赤潮位置、影响范围等重要信息并提供给了相关业务部门。

2021年2月14日，HY-1C/1D卫星上午与下午均捕捉到北部湾大面积赤潮（图3），2021年2月17日，HY-1C/1D海岸带成像仪图像显示赤潮已经消失。经处理分析，异常区位于涠洲岛西南部海域，分布范围较广，水色异常区最东侧距离涠洲岛约31km。异常区域色彩呈金色、部分棕色，形状呈条、线状，初步估计是夜光藻赤潮，其面积约6400km，历史上少见。

图3 HY-1C/1D卫星2021年2月14日北部湾夜光藻遥感监测图像（局部）

2021年2月15日，自然资源部南海局、自然资源广西卫星应用技术中心组织相关单位进行了现场验证，自然资源部南海局北海海洋环境监测中心站派出现场监测队伍，在涠洲岛以西海域进行巡视采样，实验室分析得出结论，本次异常区为夜光藻，无毒，浓度为3.2×10个/L，该值已达赤潮预警浓度。

通过本次赤潮监测的应用效果，进一步验证了HY-1C/1D上下午双星组网观测的能力与优势，海岸带成像仪监测赤潮性能好、潜力大，同时开展了卫星监测与现场调查互动，国家卫星海洋应用中心与南海局、省级卫星应用技术中心开展海洋生态环境预警与应急监测的联动机制基本形成。

4．极地遥感监测

基于HY-1C/1D卫星CZI数据开展了南极地区卫星遥感影像镶嵌工作，形成了50m分辨率的南极卫星影像镶嵌图，为南极地理基础资料更新提供新的数据源；成功监测到了2018年西南极松岛冰川崩解，2019年东南极埃默里冰架崩解事件，2021年南极火山喷发、布伦特冰架断裂、D28大冰山远距离漂移与180°旋转过程。在第36、37次南极、第10、11次北极科考期间，针对雪龙船冰区应急航行需求，利用HY-1C/1D卫星开展了冰情应急监测，为拓展“冰上丝路”和“雪龙探极”提供了保障服务。双星组网后，仅海岸带成像仪就已经获得南北极数据3万多景，为后续极地研究与大数据研究奠定了基础。

（1）布伦特冰架断裂分离

在2021年2月9日HY-1D海岸带图像上显示南极布伦特冰架上有三条长度超过50km的冰裂缝，即图4中的冰裂缝A、冰裂缝B（万圣节冰裂缝）、冰裂缝C（新的冰裂缝），其中靠北侧的这条冰裂缝C长度为55km，裂缝清晰明显，最宽处约400m。该裂缝与英国南极研究站哈雷6距离约20km。2021年2月26日该裂缝再次延伸与扩大，导致冰架崩解形成新的冰山，新的冰山面积约1300km。新的大冰山其漂移与消融将影响所到之处周边的海洋生态环境、水动力过程与海上安全航行。

图4 HY-1C/1D卫星布伦特冰架遥感实况影像图

（2）南极火山喷发监测

2021年 1月25日4时56分（世界时，UTC）HY-1D海岸带成像仪获取的罗斯海区域罗斯岛遥感图像上有明显的异常区，分析判断是南极埃里伯斯火山正在喷发，其火山口直径约500m，在火山口上方发现有白色烟雾，火山口外呈现褐色的火山云，火山云分三段展开，全长达20km左右，接近火山口的火山云浓密，长约7～8km（图5）。HY-1D在轨测试期间已多次监测到包括樱岛、太平洋新岛以及千岛群岛等火山喷发时刻，但用HY-1D捕捉到埃里伯斯火山喷发还是第一次，也是迄今为止首次用国产卫星捕捉到南极火山喷发。

图5 HY-1D卫星 2021年1月25日南极火山喷发遥感影像图

（3）D28冰山移动

从埃默里冰架分离出来的 D28冰山面积达1700km，2020年11月达到恩德比地近岸，在2020年11月16日—2021年1月18日两个月时间内，D28这座大冰山在该区域做了一次180°的大转弯，冰山转体后继续向西流动。2020年12月D28开始转向，到12月30日冰山与海岸垂直，之后开始转体直到2021年1月15日，冰山又与海岸平行流动，整整两个月时间，冰山一端移动150km左右，同时方向转了180°，在此区域可能是涡流、气旋、地形等综合因素造成了180°大转弯，何种因素为主还有待进一步分析研究。图6 为HY-1C/1D卫星海岸带成像仪数据提取的D28冰山移动“足迹”。

图6 HY-1C/1D卫星提取的D28冰山移动“足迹”

5．洪涝灾情监测

汛期一般是多云多雨，但总有晴空时，两年来国家卫星海洋应用中心充分利用HY-1C/1D卫星载荷扫描幅宽大，重访周期短的优势，与省级地方联动，针对洪涝灾害制作了多个省份系列化的卫星遥感专题图像，为汛期防灾救灾与灾后重建提供了有力信息服务支撑。

2021年7月20日，河南郑州暴雨突破历史极值，利用HY-1C/1D双星组网对郑州、卫河、贾鲁河密切监测，其中7月24日下午、7月26日上下午、7月30日下午、8月1日上下午、8月2日下午共7次监测到受灾后新乡至浚县水体状态，获取的数据与制作的专题产品及时推送河南省自然资源卫星技术应用中心，为洪涝灾害监测评估以及救助提供了支持。图7为HY-1C/1D卫星卫河卫辉市至浚县段遥感影像图，可以明显看出灾前灾后卫河局部水体变化。

图7 HY-1C/1D卫星卫河卫辉市至浚县段遥感影像图

6．台风、风暴潮监测

HY-1C/1D双星组网后，海洋水色水温扫描仪一天可以获取同一个地区4次热红外数据和两次可见光、近红外、紫外数据，利用通道6（红光谱段）、8（近红外谱段）、2（蓝光谱段）或10（热红外谱段）伪彩色合成遥感图像或者热红外通道图像，可得到全球台风、气旋分布与位置，根据时序图像可得到台风云系影响范围和移动路径，结合海洋二号（HY-2）、中法海洋卫星（CFOSAT）风场数据，为海洋灾害预报预警与地方防灾减灾提供了及时准确的信息服务。图8是2021年第6号台风“烟花”7月24、25日台风云图。台风眼清晰，台风云系范围广，影响大。

图8 HY-1C/1D卫星第六号台风“烟花”云系变化（热红外通道）

五、结语

HY-1C/1D卫星组网实现了对全球海洋水色、水温环境高精度、快覆盖监测，每天获取4次全球海面温度信息，2次空间分辨率为1km的海洋水色信息，宽幅的海岸带成像仪实现了对中国海岸带、重点区域三天两次空间分辨率为50m的覆盖，获取的这些数据已在全球海洋生态环境监测、海洋防灾减灾、南北极监测、海岸带管理以及全球气候变化研究中得到应用。

HY-1C/1D卫星数据不仅可以用于海洋、海岸带观测，同时可兼顾陆地江河湖泊水体以及植被监测，在自然资源、生态环境、水利、交通、农业农村、应急管理和气象领域也有很大的应用潜力。

截至2021年8月初，已累计分发HY-1C/D卫星数据达到450TB，800多个用户单位或个人正在使用，应用效益显著。