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1、H Y - 1 卫星海温反演和数据融合及其 在境外大洋渔场的应用 王其茂金振刚 ( 国家卫星海洋应用中心，北京，1 0 0 0 8 1 ) 摘要：海水温度足海洋渔场环境因子之一，海洋渔业资源分布情况依赖于海水的冷暖状况。本 文介绍了H Y 1 卫星数据的海温反演算法和数据融合方法，给出了海温反演和数据融合的流程， 以及海温数据在境外大洋渔场应用的个例。 关键字：H Y 1 卫星，海温，大洋渔场 1 、概述 海水温度是表征海洋热状态的重要参数，对海气之间的藕合也起着关键作用。海水温度也是海 洋渔场环境因子之一。海洋渔业资源的分布在很大程度上依赖于海水冷暖状况，同时海水温度分布 已经成为指导渔业生
2、产的依据。美国在上世纪7 0 年代就已经开始了应用气象卫星红外遥感信息制 作海面温度分布图，提供给渔业生产部门使用，收到了很好的效果。与此同时，前苏联、日本、英 国、法国等国家和联合国粮农组织也相继开展了这方面的工作。我国自“六五”、“七五”以来，在近 海开展了利用卫星和航空遥感资料制作海温渔场环境速报的试验，收到了较好的效果。 2 、H Y 一1 卫星海温反演 H Y 1 卫星是我国第一颗应用于海洋遥感的海洋卫星，于2 0 0 2 年5 月1 5 日发射入轨，轨道 为太阳同步圆形轨道，卫星设计寿命两年。星上有效载荷为1 0 波段C O C T S 水色水温扫描仪和4 波段C C D 成像仪。
3、C O C T S 星下点像元地面分辨率为11 0 0 米，每扫描行像元数为1 0 2 4 ，量化级数 为1 0 b i t s ，主要用于探测海洋水色要素( 如叶绿素、悬浮泥沙和可溶有机物等) ；C C D 成像仪星下 点像元地面分辨率为2 5 0 米，每扫描行像元数为2 0 4 8 ，量化等级为1 2 b i t s ，主要用于获得海岸带的 图像资料，对海岸带地区的资源和植被进行动态监测。C O C T S 水色扫描仪的技术参数和其应用对 象见表1 。 C O C T S 水色水温扫描仪的1 8 通道是可见光和近红外通道，9 、1 0 通道为红外窗区通道，其 波段设置与N O A A 卫星
4、A V H R R 的第4 和第5 通道相似，因此可以在N O A A 卫星成熟的海温 反演模式基础上，利用C O C T S 第9 、1 0 通道的遥感资料反演海面温度。 本文得到8 6 3 项目2 0 0 1 A A 6 3 7 0 1 0 课题“大洋渔场环境信息获取和应用技术”的资助。 彳您 表1 、C O C T S 的技术参数和应用对象 通道号波段( I I m )应用对象 10 4 0 2 0 4 2 2 黄色物质、水体污染 2 0 4 3 3 0 4 5 3叶绿素吸收 30 4 8 0 0 5 0 0 叶绿素、测冰、污染、浅海地型 4O 510 0 5 3 0 叶绿素、水深、污染
5、、泥沙 50 5 5 5 0 5 7 5 叶绿察：1 直被、低禽量铌沙 60 6 6 0 0 6 8 0 高含量泥沙、大气校正、污染、气溶胶 70 7 3 0 0 7 7 0 大气校正、高含量泥沙、植被 80 8 4 5 0 8 8 5 大气校正、水汽总量 91 0 3 0 1 1 4 0 水温、测冰、地表温度、云顶温度、卷云 1 0 1 1 4 0 1 2 5 0 水温、测冰、地表温度、云顶温度、卷云 H Y 1 卫星海温反演算法如下： T s 2a T b 9 + b ( T b 9 - T b l o ) + c ( T b 9 - T b l o ) ( s e c 0 - 1 O )
6、 - d 式中T 。，T b 9 ，T b l o 分别代表海面温度、C O C T S 第9 通道亮度温度和第1 0 通道亮度温度，a ，b ，C ， d 为常数，0 为星天顶角。 H Y l 卫星数据 质量控制和订正处理 云检测 海温反演处理 J演算、 ，7 l 海温反演算法完善 畀伍l r 一生一二氅 一一1r m ! 海温融合处理 ! I 其它海温资料 海温数据对比分析 - 一- 一 J I 一一s T 钋析产占_ 、 = ：! ： 。 渔场海温制作 产品输出 渔场环境速报应用 图1 、H Y 一1 卫星渔场环境速报海温反演流程图 利用H Y 1 卫星C O C T S 境外回放数据的
7、l 级产品，经过数据解码、质量控制、云检测、海温 计算、海温综合处理等步骤生成日、周或旬等海温产品，将生成的海温数据制作成伪彩色图和等值 线的形式提供给渔业部门分析使用。图l 是H Y - l 卫星海温反演流程图。 云是利用红外遥感资料反演海温时需要排除的一个干扰因素。当观测视场被云全部覆盖时，得 到的信息是云项的放射辐射，而当观测视场部分地被云覆盖时，得到的则是地面目标物与云顶放射 辐射的复合信息。由于云顶温度通常低于海面温度，当使用这些被云污染的遥感数据反演海温时， 得到的海温则低于真实的海面温度。为了得到精确的卫星遥感海面温度，需要对卫星遥感数据进行 云检测，排除那些受到云影响的卫星遥感
8、数据。 H Y 1 卫星反演海温的云检测方法有可见光反射率阈值法，热红外通道亮温均匀性检验法，多 年平均海面温度截断法和时间序列分析法等。 3 、数据融合 由于受到云、卫星轨道重复周期、遥感仪器扫瞄宽度和其它因素的影响，只利用H Y 1 卫星的 境外观测数据提供境外大洋渔场需要的海温数据将是比较困难的，因此，需利用其它海温数据源进 行融合。但是，由于不同信息源获取的海温信息在时间和空间上具有不一致性，数据精度也存在差 异，因此要使这些海温信息的利用最大化，就必须对这些多源海温数据进行融合分析处理。 在实施数据融合的过程中，需预先分析和确定各种海温产品的精度、相互间的差异分布规律， 找出各数据产
9、品的互补替代处理方法，以保证融合后海温数据的精度。 在本应用中，选用N O A A 卫星全球多年平均海温数据和G T S 船舶报海温观测数据作为融合数 据源，采用时间一空间加权平均的方法，完成空缺海温数据插值平滑以及持续性云区海温数值的标 定，形成最大限度的连续海温平均数值场，用于境外大洋渔场环境分析。加权平均公式如下： 丁，= 丢喜彬z 式中T i 是融合后第j 点的温度，w i 是参与融合的第i 点时间一空间权重，T i 是参与融合的第i 点温度值，n 是融合数据个数。 N O A A 卫星全球多年平均海温数据的精度为O 3 0 5 0 C ，可以满足H Y 1 卫星海温数据融合的精 度要
10、求。由于它是多年平均的结果，因此融合后的海温数据只能求出渔场环境要求的海洋锋面粗结 构信息。 G T S 船舶报海温数据，除少部分由专业为科学研究的海洋调查船和海上浮标提供以外，大部分 是由大型商船观测提供的，虽然都是按照W M O 的观测规范要求进行的质量上是参差不齐的，而 且其分布也极不均匀。由于观测环境状况和人为因素等种种原因，而使得G T S 资料的误差较大， 所以，为使G T S 海温数据满足H Y 1 卫星海温数据融合的精度要求，则需对参与融合得G T S 数据 进行质量控制。 我们采用统计分析的方法对G T S 数据进行质量控制。选取1 。1 。范围的网格( 此范围内 应有足够多
11、的观测资料，且温度变化不是很大，如没有足够的观测资料，则将此点放弃) 。假设在 这一区域内有N 个海温观测数据，先求出这些数据的平均温度r 及温度方差仃，如果此范围内的 某个海温观测数据T i ( i = 1 ，2 ，3 N ) ，满足此条件一r I 2 0 0 ，则认为此观测数据T i 是合理的。 然后，再将那些通过检验的海温观测数据，与此区域同时间的常年平均海温数据进行比较分析，以 剔除对此项检验不合理的观测数据。经过上述两次质量控制处理以后，那些通过质量检验的G T S 海温观测数据，即可参加海温融合处理。 数据融合处理流程图由图2 给出。 境外大洋渔场应用 图2 、H Y 一1 卫星海
12、温数据融合流程图 H Y 1 卫星海温数据在境外大洋渔场的应用一个是金枪鱼渔场，一个是竹荚鱼渔场。 利用H Y l 卫星境外回放数据，经上述海温反演和融合处理得到渔场应用的海温数据。渔业生 产部门利用获取的海温数据，与已知的金枪鱼和竹荚渔的温度特性比较分析，可以得到金枪鱼和竹 荚渔场的大致分布情况，从而有效的指导渔业生产。 图3 是境外竹英鱼渔场的H Y l 卫星海温旬平均温度分布情况。 5 、结语 图3 、融合后处理后的境外竹荚鱼渔场H Y 一1 卫星海温旬平均场 卫星遥感海面温度是一个比较成熟的技术，过去一直是利用国外的卫星数据开展这方面的工 作，且只能获取我国境内的海温数据。H Y 1
13、卫星的发射结束了我国没有海洋卫星的历史，星上具 有的境外探测功能更给我们提供了利用自己的海洋卫星获取全球的海温数据的能力，将获取的海温 数据应用剑境外大洋渔场环境分析中，发挥了赢接的经济效益。利用本文给出的H Y 1 卫星海温反 演算法和数据融合方法计算得到的境外海温数据，经比较与实际海温是吻和的，其精度有待进一步 的分析。 参考文献： 1 W e i n r e b ，i P a n dM L H i l l ，1 9 8 0 ：C a l c u l a t i o no fA t m o s p h e r i cR a d i a n c e sa n dB r i g h t n e
14、 s sT e m p e r a t u r e i nI n f r a r e dW i n d o wC h a n n e l so fS a t a l l i t eR a d i o m e t e r s ，N O A AT e c h n i c a lR e p o r tN E S S 8 0 , N a t Y o n a lO c e a n i c a n dA t m o s p h e 2 “i cA d m i n i s t r a t i o n , U S D e p a r t m e n to fC o m m e r c e , W a s h
15、i n g t o n , D C 4 0P P 2 W a l t o n ，C ，C ，E P M c C l a i na n dJ F S a p p e r ， 1 9 9 0 R e c e n tc h a n g e si ns a t e l l i t e b a s e d m u I t i c h a n n e l s e as u r f a c et e m p e r a t u r ea l g o r i t h m s P r e p r i n t ，M a r i n eT e c h n o l o g yS o c i e t yM e e t
16、i n g ，M T S 9 0 ，W a s h i n g t o n +攀力 D C ，S e p te m b e r1 9 9 0 3 A k i h i r oU c h i y a m a ，H i r o s h iF u j i m u r aa n dT o s h i r oY o g a i1 9 8 7 ：E s t i m a t i o no fS e aS u r f a c e T e m p e r a t u r eU s i n gI n f r a r e dI m a g eD a t ao fG e o s t a t i o n a r yM e t e o r o I “o g l c a lS a t e l l i t e ( G M S ) 。M
