水色衛(wèi)星是海洋衛(wèi)星的一種，是指專(zhuān)門(mén)為海洋光學(xué)遙感而發(fā)射的衛(wèi)星。海洋水色衛(wèi)星主要用于探測(cè)海洋水色要素，為海洋生物資源開(kāi)發(fā)利用、海洋污染監(jiān)測(cè)與防治、海岸帶資源開(kāi)發(fā)和海洋科學(xué)研究等提供科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。水色衛(wèi)星采用圓形近極地軌太陽(yáng)軌道，有效載荷通常選用靈敏度高、信噪比高、光譜分辨率高、波段多和帶寬窄的海洋水色掃描儀，其空間分辨率在250～1000m，地面覆蓋周期2~3d。
1978年美國(guó)國(guó)家航空與航天局（美國(guó)航空航天局）成功地發(fā)射了第一代水色衛(wèi)星，搭載全球首個(gè)海洋水色觀測(cè)CZCS的NIMBUS-7衛(wèi)星，開(kāi)創(chuàng)了海洋水色衛(wèi)星遙感時(shí)代。1997年8月1日，美國(guó)航空航天局發(fā)射了世界上第一顆專(zhuān)用海洋水色衛(wèi)星SeaStar。SeaStar裝載了第二代海洋遙感傳感器SeaWiFS，標(biāo)志著海洋水色遙感技術(shù)的發(fā)展提升到了一個(gè)全新的高度。1999年12月和2002年5月，NASA分別發(fā)射了第三代水色衛(wèi)星Terra和Aqua衛(wèi)星，其上均搭載了中分辨率成像光譜儀MODIS。2002年中國(guó)發(fā)射了首顆自主研制的海洋光學(xué)衛(wèi)星HY-1A，2007年發(fā)射了其后繼星HY-1B，推動(dòng)了中國(guó)水色衛(wèi)星事業(yè)的發(fā)展。
利用海洋水色衛(wèi)星遙感在全球碳循環(huán)、初級(jí)生產(chǎn)力以及海洋與海岸帶生態(tài)環(huán)境變化等方面有著不可替代的重要作用。
簡(jiǎn)介
海洋水色衛(wèi)星
水色衛(wèi)星是海洋衛(wèi)星的一種，是指專(zhuān)門(mén)為海洋光學(xué)遙感而發(fā)射的衛(wèi)星。海洋水色衛(wèi)星主要用于探測(cè)海洋水色要素，如葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、有色可溶有機(jī)化合物等，也可獲得海表溫度、淺海水下地形、海冰、海水污染以及海流等有價(jià)值的信息。為海洋生物資源開(kāi)發(fā)利用、海洋污染監(jiān)測(cè)與防治、海岸帶資源開(kāi)發(fā)和海洋科學(xué)研究等提供科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。水色衛(wèi)星有效載荷通常選用靈敏度高、信噪比高、光譜分辨率高、波段多和帶寬窄的海洋水色掃描儀，要求空間分辨率在250～1000m，地面覆蓋周期2~3d。現(xiàn)在能研制和發(fā)射海洋水色衛(wèi)星的國(guó)家有中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、印度和韓國(guó)等（數(shù)據(jù)截至2016年）。
海洋水色
所謂海洋水色，是指海洋水體在可見(jiàn)光近紅外波段的光譜特性。為了與水色遙感直接聯(lián)系起來(lái)，一般采用離水輻射（液態(tài)水leavingradiance）亮度等表觀光學(xué)量來(lái)表征水體光譜特征。
海洋水色遙感
海洋水色遙感是空間技術(shù)與海洋光學(xué)理論相結(jié)合的產(chǎn)物。利用衛(wèi)星傳感器獲取可見(jiàn)光和紅外波段的海面離水輻射亮度，即透射入水的太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)海面反射和透射后到達(dá)傳感器的輻射量，然后再反演海表面水色信息的遙感技術(shù)。發(fā)展海洋水色遙感，對(duì)于掌握近海海洋初級(jí)生產(chǎn)力分布、海洋漁業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)資源狀況和環(huán)境質(zhì)量，了解重點(diǎn)河口港灣的懸浮泥沙分布規(guī)律，監(jiān)測(cè)近海海面溢油油膜、赤潮、富營(yíng)養(yǎng)、電廠循環(huán)水排海造成的熱污染、海冰冰情和淺海地形等都具有重要的實(shí)用價(jià)值。
發(fā)展歷史
20世紀(jì)60年代以來(lái)，衛(wèi)星水色遙感經(jīng)歷了二個(gè)階段，第一階段是1960年至1978年，利用陸地資源衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星進(jìn)行海洋水色的探測(cè)；第二階段是從1978年至今，即水色衛(wèi)星應(yīng)用階段（數(shù)據(jù)截至1994年）。
美國(guó)政府1975年批準(zhǔn)了czcs計(jì)劃，1978年美國(guó)國(guó)家航空與航天局（美國(guó)航空航天局）成功地發(fā)射了雨云衛(wèi)星——NIMBUS-7衛(wèi)星，該衛(wèi)星上搭載了全球首個(gè)用于海洋水色觀測(cè)的傳感器——海岸帶水色掃描儀CZCS（CoastalZoneColorScanner），開(kāi)創(chuàng)了海洋水色衛(wèi)星遙感時(shí)代，這是第一代水色衛(wèi)星。1986年，美國(guó)的NIMBUS-7衛(wèi)星失效，CZCS也隨之停止使用。雖然該衛(wèi)星已失效，但直至今日，它仍代表了當(dāng)前的國(guó)際先進(jìn)水平，其資料的應(yīng)用仍在擴(kuò)大。
1997年8月1日，美國(guó)航空航天局發(fā)射了世界上第一顆專(zhuān)用海洋水色衛(wèi)星SeaStar。SeaStar裝載有第二代海洋遙感傳感器SeaWiFS，標(biāo)志著因CZCS停止運(yùn)轉(zhuǎn)而中斷的遙感數(shù)據(jù)又得以繼續(xù)。1997年9月，美國(guó)航空航天局又發(fā)射了水色衛(wèi)星Orbview-2，其上搭載了SeaWiFS。SeaWiFS在波段設(shè)置上吸取了CZCS的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，共設(shè)置了8個(gè)可見(jiàn)光近紅外波段。SeaWiFS于2010年停止工作，在軌10余年間實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，獲取了長(zhǎng)時(shí)間序列、高質(zhì)量的全球海洋觀測(cè)資料，這些觀測(cè)數(shù)據(jù)在全球海洋碳循環(huán)研究等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，將海洋水色衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展提升到了一個(gè)全新的高度，因而具有里程碑式的意義，也為后續(xù)海洋衛(wèi)星的發(fā)展提供了參考和借鑒。
在1986年到1996年間，美、歐、印、日、韓、中國(guó)均積極推動(dòng)各自的海洋水色衛(wèi)星計(jì)劃，海洋水色遙感技術(shù)進(jìn)人了快速發(fā)展時(shí)期。該時(shí)期具有代表性的水色遙感器是美國(guó)的OCE（海洋水色掃描儀，1981）、SeaWiFs（寬視場(chǎng)水色掃描儀，1994）、MODIS（中分辨率成像光譜儀，1998）。日本的OCTS（海洋水色水溫儀，1995），GLI（全球圖像儀，1998）。歐洲航天局的MERIS(中分辯率成像光譜儀，1998)。德國(guó)的MOS(中分辯率光電掃描儀，1992）和OSI(反射型光學(xué)成像掃描儀），以及VMI(植被監(jiān)測(cè)儀，1994）。這些水色遙感器為海洋學(xué)研究提供了長(zhǎng)時(shí)間序列的水色遙感數(shù)據(jù)。
1999年12月和2002年5月，美國(guó)航空航天局分別發(fā)射了Terra和Aqua衛(wèi)星，其上均搭載了中分辨率成像光譜儀MODIS。MODIS是第三代水色衛(wèi)星，也是應(yīng)用最廣泛的多功能光學(xué)遙感器（截至2017年）。MODIS最大特點(diǎn)是波段多，在400nm到14400nm的可見(jiàn)光熱紅外范圍內(nèi)設(shè)置了36個(gè)波段，用于海洋、大氣、陸地等的綜合探測(cè)，其中有9個(gè)波段專(zhuān)用于水色遙感。Terra在地方時(shí)上午過(guò)境，Aqua在地方時(shí)下午過(guò)境，二者結(jié)合可在一天之內(nèi)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行兩次觀測(cè)。
1999年1月27日，中國(guó)臺(tái)灣省委托美國(guó)研制并發(fā)射一顆低軌道（600km）水色衛(wèi)星ROCSAT-1，星上有效載荷為6通道水色遙感器（OCI）。2002年5月15日，中國(guó)發(fā)射了首顆自主研制的海洋光學(xué)衛(wèi)星HY-1A，為太陽(yáng)同步軌道，攜帶有一臺(tái)10波段的水色掃（COCTS）和一臺(tái)4波段的CCD成像儀。主要用于探測(cè)海洋水色要素（葉綠素濃度、懸浮泥沙濃度和可溶有機(jī)化合物濃度)及溫度場(chǎng)等。2007年發(fā)射了其后繼星HY-1B，推動(dòng)了中國(guó)水色衛(wèi)星事業(yè)的發(fā)展。此外，中國(guó)的極軌氣象衛(wèi)星——FY-3系列衛(wèi)星上搭載的中分辨率光譜成像儀MERSI（MediumResolutionSpectralImager）也設(shè)置了專(zhuān)門(mén)的水色波段。
近幾年發(fā)射的水色衛(wèi)星主要有：2010年韓國(guó)發(fā)射的全球首個(gè)靜止軌道水色遙感器GOCI，美國(guó)和歐洲航天局分別于2011年和2016年發(fā)射的極軌水色遙感器VIIRS和Sentinel-3A OLCI（數(shù)據(jù)截至2017年）。2018年和2020年，中國(guó)分別發(fā)射海洋一號(hào)C衛(wèi)星、海洋一號(hào)D衛(wèi)星均為中國(guó)第一代海洋水色觀測(cè)衛(wèi)星，目前正在進(jìn)行組網(wǎng)觀測(cè)；2023年11月16日發(fā)射的海洋三號(hào)01星，是中國(guó)第二代海洋水色觀測(cè)衛(wèi)星（數(shù)據(jù)截至2023年11月16日）。
特點(diǎn)
海洋水色衛(wèi)星的設(shè)計(jì)需要充分考慮海洋自身的特點(diǎn)以及海洋應(yīng)用對(duì)海洋觀測(cè)的要求。海洋水色衛(wèi)星的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：
衛(wèi)星軌道
為了獲得全球初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空分布數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全球定時(shí)觀測(cè)，因此要求采用近極地軌太陽(yáng)軌道；為了空間分布具有可對(duì)比性，要求軌道是圓形的；為了軌道東西兩側(cè)太陽(yáng)照度相同，要求降交點(diǎn)地方時(shí)為正午。
衛(wèi)星平臺(tái)
由于海上無(wú)法設(shè)定地面控制點(diǎn)，定位精度完全由軌控和姿控來(lái)決定軌道可以由地面測(cè)控來(lái)保證，姿控精度應(yīng)保證定位精度為1～3個(gè)像元。目前世界上水色衛(wèi)星均采用三軸穩(wěn)定方式，指向精度≤0.3°，測(cè)定精度≤0.1°。另外為了避免海面直射反射光入瞳，需要探測(cè)器沿軌前后傾斜（0°～±20°）掃描，轉(zhuǎn)軸傾角按一年四季太陽(yáng)高度角變化而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整（數(shù)據(jù)截至2016年）。
探測(cè)器
海洋水色探測(cè)器的性能由波段設(shè)置、信噪比（S/N）、視場(chǎng)、量化級(jí)、輻射精度和偏振度等決定。為了滿足水色探測(cè)器的需求，水色探測(cè)器需要有比陸地衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星更高的光譜分辨率；另外海洋的離水輻射率很低，因此要求儀器有很高的信噪比、量化級(jí)、輻射精度和偏振度等。目前國(guó)際技術(shù)水平為S/N≥600～800，偏振度≤0.01，輻射精度為2%~5%。為了使衛(wèi)星覆蓋周期與浮游植物大量繁殖時(shí)間相匹配，目前國(guó)際上水色衛(wèi)星覆蓋周期通常為2~3天（數(shù)據(jù)截至2016年）。
參數(shù)
參考資料：
應(yīng)用
水色遙感在全球碳循環(huán)、初級(jí)生產(chǎn)力以及海洋與海岸帶生態(tài)環(huán)境變化等方面有著不可替代的重要作用。當(dāng)前利用海洋水色衛(wèi)星遙感開(kāi)展的主要研究和應(yīng)用有：
①海洋和海岸帶環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理。
例如，在觀測(cè)海洋水色要素方面，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，人們開(kāi)展水體葉綠素a濃度反演的研究工作迄今已有30多年的歷史。第一、二代水色衛(wèi)星（海岸帶海色掃描儀，CZCS；海洋寬視場(chǎng)傳感器，SeaWiFS），使用的反演方法都是基于藍(lán)綠波段的輻射亮度比值，從第三代水色衛(wèi)星（中分辨率成像光譜輻射計(jì)MODIS）開(kāi)啟了一種新的反演算法——熒光遙感算法，它是繼藍(lán)綠比值法后水體葉綠素a濃度反演的重要方法。葉綠素a熒光遙感是解決二類(lèi)水體和赤潮水體葉綠素a濃度反演的一個(gè)重要途徑，是水色遙感研究的新趨勢(shì)。由于現(xiàn)在覆蓋全球的海洋水色遙感數(shù)據(jù)獲取容易，被廣泛用于赤潮發(fā)生的了解和預(yù)報(bào)。
②海洋碳通量研究，認(rèn)識(shí)其控制機(jī)理和變化規(guī)律。
③海洋生態(tài)系統(tǒng)與混合層物理性質(zhì)的關(guān)系研究。
④全球環(huán)境變化監(jiān)測(cè)和變化機(jī)理研究。
⑤海洋漁業(yè)開(kāi)發(fā)等。
相關(guān)事件
2023年11月16日11時(shí)55分，中國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射新一代海洋水色觀測(cè)衛(wèi)星海洋三號(hào)01星。該衛(wèi)星指標(biāo)達(dá)到國(guó)際水色遙感衛(wèi)星先進(jìn)水平。它是國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中的科研衛(wèi)星，與海洋一號(hào)衛(wèi)星C/D衛(wèi)星在軌組網(wǎng)運(yùn)行。衛(wèi)星配置了海洋水色水溫掃描儀、中分辨率可編程成像光譜儀、海岸帶成像儀等載荷，設(shè)計(jì)壽命8年，可對(duì)全球大洋水體開(kāi)展高精度、多譜段、長(zhǎng)時(shí)間序列觀測(cè)，滿足自然資源、生態(tài)環(huán)境、交通和氣象等行業(yè)的應(yīng)用，助力海洋環(huán)境保護(hù)。由此，我國(guó)海洋水色系列衛(wèi)星正式升級(jí)到第二代觀測(cè)體系。
參考資料 >
這些科技讓衛(wèi)星“看”海更清楚.中國(guó)經(jīng)濟(jì)網(wǎng).2023-11-18
我國(guó)成功發(fā)射新一代海洋水色觀測(cè)衛(wèi)星.央廣網(wǎng).2023-11-18