水色卫星

水色卫星是海洋卫星的一种，是指专门为海洋光学遥感而发射的卫星。^[3][2]海洋水色卫星主要用于探测海洋水色要素，^[4]为海洋生物资源开发利用、海洋污染监测与防治、海岸带资源开发和海洋科学研究等提供科学依据和基础数据。^[5]水色卫星采用圆形近极地轨太阳轨道，^[5]有效载荷通常选用灵敏度高、信噪比高、光谱分辨率高、波段多和带宽窄的海洋水色扫描仪，其空间分辨率在250～1000m，地面覆盖周期2~3d。^[2]

1978年美国国家航空与航天局（NASA）成功地发射了第一代水色卫星^[3]，搭载全球首个海洋水色观测传感器CZCS的NIMBUS-7卫星，开创了海洋水色卫星遥感时代。^[1][3]1997年8月1日，美国航天局发射了世界上第一颗专用海洋水色卫星SeaStar。^[2]SeaStar装载了第二代海洋遥感传感器SeaWiFS，标志着海洋水色卫星遥感技术的发展提升到了一个全新的高度。^[1][6]1999年12月和2002年5月，NASA分别发射了第三代水色卫星Terra和Aqua卫星，其上均搭载了中分辨率成像光谱仪MODIS。^[3][6]2002年中国发射了首颗自主研制的海洋光学卫星HY-1A，2007年发射了其后继星HY-1B，推动了中国水色卫星事业的发展。^[1][6]

利用海洋水色卫星遥感在全球碳循环、初级生产力以及海洋与海岸带生态环境变化等方面有着不可替代的重要作用。^[1]

水色卫星是海洋卫星的一种，是指专门为海洋光学遥感而发射的卫星。^[1][2]海洋水色卫星主要用于探测海洋水色要素，如叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、有色可溶有机物等，也可获得海表温度、浅海水下地形、海冰、海水污染以及海流等有价值的信息。^[4]为海洋生物资源开发利用、海洋污染监测与防治、海岸带资源开发和海洋科学研究等提供科学依据和基础数据。^[5]水色卫星有效载荷通常选用灵敏度高、信噪比高、光谱分辨率高、波段多和带宽窄的海洋水色扫描仪，要求空间分辨率在250～1000m，地面覆盖周期2~3d。现在能研制和发射海洋水色卫星的国家有中国、美国、俄罗斯、印度和韩国等（数据截至2016年）。^[2]

所谓海洋水色，是指海洋水体在可见光-近红外波段的光谱特性。为了与水色遥感直接联系起来，一般采用离水辐射（water-leavingradiance）亮度等表观光学量来表征水体光谱特征。^[3]

海洋水色遥感是空间技术与海洋光学理论相结合的产物。利用卫星传感器获取可见光和红外波段的海面离水辐射亮度，即透射入水的太阳辐射经过海面反射和透射后到达传感器的辐射量，然后再反演海表面水色信息的遥感技术。^[3]发展海洋水色遥感，对于掌握近海海洋初级生产力分布、海洋渔业及养殖业资源状况和环境质量，了解重点河口港湾的悬浮泥沙分布规律，监测近海海面溢油油膜、赤潮、富营养、电厂循环水排海造成的热污染、海冰冰情和浅海地形等都具有重要的实用价值。^[2]

20世纪60年代以来，卫星水色遥感经历了二个阶段，第一阶段是1960年至1978年，利用陆地资源卫星和气象卫星进行海洋水色的探测；第二阶段是从1978年至今，即水色卫星应用阶段（数据截至1994年）。^[7]

美国政府1975年批准了czcs计划，1978年美国国家航空与航天局（NASA）成功地发射了雨云卫星——NIMBUS-7卫星，该卫星上搭载了全球首个用于海洋水色观测的传感器——海岸带水色扫描仪CZCS（CoastalZoneColorScanner），开创了海洋水色卫星遥感时代，^[1]这是第一代水色卫星。^[3]1986年，美国的NIMBUS-7卫星失效，CZCS也随之停止使用。虽然该卫星已失效，但直至今日，它仍代表了当前的国际先进水平，其资料的应用仍在扩大。^[7][6]

1997年8月1日，美国航天局发射了世界上第一颗专用海洋水色卫星SeaStar。^[2]SeaStar装载有第二代海洋遥感传感器SeaWiFS，标志着因CZCS停止运转而中断的遥感数据又得以继续。^[1]1997年9月，NASA又发射了水色卫星Orbview-2，其上搭载了SeaWiFS。SeaWiFS在波段设置上吸取了CZCS的经验教训，共设置了8个可见光-近红外波段。^[6]SeaWiFS于2010年停止工作，在轨10余年间实现了长期稳定运行，获取了长时间序列、高质量的全球海洋观测资料，这些观测数据在全球海洋碳循环研究等诸多领域得到了广泛应用，将海洋水色卫星遥感技术的发展提升到了一个全新的高度，因而具有里程碑式的意义，也为后续海洋卫星的发展提供了参考和借鉴。^[6]

在1986年到1996年间，美、欧、印、日、韩、中国均积极推动各自的海洋水色卫星计划，海洋水色遥感技术进人了快速发展时期。该时期具有代表性的水色遥感器是美国的OCE（海洋水色扫描仪，1981）、SeaWiFs（宽视场水色扫描仪，1994）、MODIS（中分辨率成像光谱仪，1998）。日本的OCTS（海洋水色水温仪，1995），GLI（全球图像仪，1998）。欧空局的MERIS(中分辩率成像光谱仪，1998)。德国的MOS(中分辩率光电扫描仪，1992）和OSI(反射型光学成像扫描仪），以及VMI(植被监测仪，1994）。这些水色遥感器为海洋科学研究提供了长时间序列的水色遥感数据。^[6]

1999年12月和2002年5月，NASA分别发射了Terra和Aqua卫星，其上均搭载了中分辨率成像光谱仪MODIS。MODIS是第三代水色卫星，^[3]也是应用最广泛的多功能光学遥感器（截至2017年）。MODIS最大特点是波段多，在400nm到14400nm的可见光-热红外范围内设置了36个波段，用于海洋、大气、陆地等的综合探测，其中有9个波段专用于水色遥感。Terra在地方时上午过境，Aqua在地方时下午过境，二者结合可在一天之内对同一目标进行两次观测。^[6]

1999年1月27日，中国台湾省委托美国研制并发射一颗低轨道（600km）水色卫星ROCSAT-1，星上有效载荷为6通道水色遥感器（OCI）。^[2]2002年5月15日，中国发射了首颗自主研制的海洋光学卫星HY-1A，为太阳同步轨道，携带有一台10波段的水色扫（COCTS）和一台4波段的CCD成像仪。主要用于探测海洋水色要素（叶绿素浓度、悬浮泥沙浓度和可溶有机物浓度)及温度场等。^[1]2007年发射了其后继星HY-1B，推动了中国水色卫星事业的发展。此外，中国的极轨气象卫星——FY-3系列卫星上搭载的中分辨率光谱成像仪MERSI（MediumResolutionSpectralImager）也设置了专门的水色波段。^[1][6]

近几年发射的水色卫星主要有：2010年韩国发射的全球首个静止轨道水色遥感器GOCI，美国和欧空局分别于2011年和2016年发射的极轨水色遥感器VIIRS和Sentinel-3A OLCI（数据截至2017年）。^[6]2018年和2020年，中国分别发射海洋一号C卫星、海洋一号D卫星均为中国第一代海洋水色观测卫星，目前正在进行组网观测；^[8]2023年11月16日发射的海洋三号01星，是中国第二代海洋水色观测卫星（数据截至2023年11月16日）。^[8]

海洋水色卫星的设计需要充分考虑海洋自身的特点以及海洋应用对海洋观测的要求。^[5]海洋水色卫星的特点主要体现在三个方面：^[5]

为了获得全球初级生产力的时空分布数据，实现全球定时观测，因此要求采用近极地轨太阳轨道；为了空间分布具有可对比性，要求轨道是圆形的；为了轨道东西两侧太阳照度相同，要求降交点地方时为正午。^[5]

由于海上无法设定地面控制点，定位精度完全由轨控和姿控来决定轨道可以由地面测控来保证，姿控精度应保证定位精度为1～3个像元。目前世界上水色卫星均采用三轴稳定方式，指向精度≤0.3°，测定精度≤0.1°。另外为了避免海面直射反射光入瞳，需要探测器沿轨前后倾斜（0°～±20°）扫描，倾角按一年四季太阳高度角变化而进行相应的调整（数据截至2016年）。^[5]

海洋水色探测器的性能由波段设置、信噪比（S/N）、视场、量化级、辐射精度和偏振度等决定。为了满足水色探测器的需求，水色探测器需要有比陆地卫星和气象卫星更高的光谱分辨率；另外海洋的离水辐射率很低，因此要求仪器有很高的信噪比、量化级、辐射精度和偏振度等。目前国际技术水平为S/N≥600～800，偏振度≤0.01，辐射精度为2%~5%。为了使卫星覆盖周期与浮游植物大量繁殖时间相匹配，目前国际上水色卫星覆盖周期通常为2~3天（数据截至2016年）。^[5]

参考资料：^[4]

水色遥感在全球碳循环、初级生产力以及海洋与海岸带生态环境变化等方面有着不可替代的重要作用。当前利用海洋水色卫星遥感开展的主要研究和应用有：^[1]

①海洋和海岸带环境监测与管理。^[1]

例如，在观测海洋水色要素方面，^[1]从20世纪70年代开始，人们开展水体叶绿素a浓度反演的研究工作迄今已有30多年的历史。第一、二代水色卫星（海岸带海色扫描仪，CZCS；海洋宽视场传感器，SeaWiFS），使用的反演方法都是基于蓝绿波段的辐射亮度比值，从第三代水色卫星（中分辨率成像光谱辐射计MODIS）开启了一种新的反演算法——荧光遥感算法，它是继蓝绿比值法后水体叶绿素a浓度反演的重要方法。叶绿素a荧光遥感是解决二类水体和赤潮水体叶绿素a浓度反演的一个重要途径，是水色遥感研究的新趋势。^[3]由于现在覆盖全球的海洋水色遥感数据获取容易，被广泛用于赤潮发生的了解和预报。^[3]

②海洋碳通量研究，认识其控制机理和变化规律。^[1]

③海洋生态系统与混合层物理性质的关系研究。^[1]

④全球环境变化监测和变化机理研究。^[1]

⑤海洋渔业开发等。^[1]

2023年11月16日11时55分，中国在酒泉卫星发射中心成功发射新一代海洋水色观测卫星海洋三号01星。^[9]该卫星指标达到国际水色遥感卫星先进水平。^[9]它是国家民用空间基础设施中的科研卫星，与海洋一号C/D卫星在轨组网运行。^[9]卫星配置了海洋水色水温扫描仪、中分辨率可编程成像光谱仪、海岸带成像仪等载荷，设计寿命8年，可对全球大洋水体开展高精度、多谱段、长时间序列观测，满足自然资源、生态环境、交通和气象等行业的应用，助力海洋环境保护。^[9]由此，我国海洋水色系列卫星正式升级到第二代观测体系。^[8]