海洋一号C卫星海岸带成像仪在轨几何定标

海洋一号C卫星（HY-1C）搭载的海岸带成像仪（coastal zone imager,CZI）为满足大幅宽成像需求,采用双相机组合成像,每台相间使用2片4色电荷耦合光敏元器件（charge-coupled device,CCD）拼接。从严密几何成像模型出发,对相机成像过程中存在的系统误差进行分析,采用一种基于探元指向角的几何定标模型,并结合CZI相机设计特点与几何特性,设计出一套针对HY-1C/CZI的几何定标方案。首先利用CZI参考基准波段影像与高精度参考影像进行绝对几何定标,采用分步迭代的方法对参考基准波段影像内外定标参数进行解算,其次进行波段间相对几何定标,最后得到所有波段影像的几何定标结果。实验结果表明,经在轨几何定标后,平面无控定位精度优于5个像元,影像几何质量得到明显改善,说明所采用的定标模型和方案合理有效。     

海面之上法中海面反射率和观测几何模拟研究

测量离水辐亮度的水面之上测量方法中最大的不确定性因素是太阳耀斑的污染和海面反射率的估算。文章根据Cox和Munk研究结果,利用大量随机数模拟海面波浪倾斜,估算不同仪器观测方向与风矢量几何以及不同仪器视场角下的海面反射率,并估算出不同太阳天顶角及相对风矢量方位角的太阳耀斑基本分布。     

HY-1C/D卫星中国海洋水色水温扫描仪几何定位方法

海洋一号C/D（HY-1C/D）卫星中国海洋水色水温扫描仪（Chinese Ocean Color and Temperature Scanner,COCTS）主要用于探测海洋水色、水温等要素,这些要素需要经过卫星资料处理才能获取,而几何定位是预处理的核心,直接影响这些要素的质量。COCTS具有114°视场角和四元逐点摆扫的特征,据此研究出一套完整的几何定位方法。从0级数据中提取卫星星历,利用插值法从中获取采样时间对应的卫星位置和速度,进而得到轨道（ORB）坐标系到地心旋转（ECR）坐标系的转换矩阵。基于四元逐点摆扫的特征,中心视矢量分别绕X轴、Y轴旋转相应角度,获得扫描行各采样点ORB视矢量,建立视矢量与地球交叉点关系模型,从而对根据波段数据绘制的遥感图像进行地理定位。本文使用插值法替代了传统需要6个轨道根数来计算卫星位置的复杂方法,同时直接计算ORB到ECR的转换矩阵,而不采用传统的两步转换方法。经过多组数据计算及定性定量验证,HY-1C/D COCTS几何定位结果一致;采样像元尺度效应导致从星下点到两侧边缘、从赤道到两极,误差逐渐增大,约在两个像元内。该方法满足一定的定位精度要求,可以用于COCTS的几何定位。     

资源一号02C卫星遥感影像二级产品定位精度评价

以黄河三角洲飞雁滩资源一号02C(以下简称ZY-1 02C)卫星遥感影像二级产品为例,开展影像定位精度评价工作。经现场采集的亚米级地面控制点检验,5m全色影像的定位精度为10.4m,10m多光谱影像的定位精度为15.6m;经地面控制点精校正后,全色影像定位精度可达4.1m,多光谱影像定位精度可达7.3m。上述结果表明在实验区域ZY-1 02C卫星影像二级产品的定位能力在2个像元左右,经过几何精校正后,定位能力优于1个像元,可以满足海岸带遥感调查工作的需要。     

面向国产高分辨率卫星的浒苔绿潮遥感监测算法对比

利用高空间分辨率卫星影像准确监测浒苔绿潮对灾害早期发现、动态跟踪以及沿岸防御具有重要应用价值。目前面向高分辨率遥感影像已有多种浒苔提取方法,但不同遥感算法受到海水背景(浑浊和清澈海水)和外界观测环境(如云层、太阳耀斑、观测几何条件)等干扰,其监测效果可能受到不同程度影响。为此,以国产高分辨率GF-WFV和HJ-CCD影像为例,充分对比了归一化差值植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)、漂浮藻类高度虚拟基线指数(virtual baseline floating macroalgae height,VB-FAH)和绿度指数(tasseled cap greenness,TCG)在常见多种环境背景下提取浒苔的优势和不足。研究结果表明:在清澈海水、浑浊海水和弱太阳耀斑背景下,NDVI、VB-FAH和TCG三种算法均有较好的浒苔识别能力,其精度评价指标F1-score和总体分类精度(overall accuracy, OA)分别超过95.6%和95.2%。对于几何观测条件,VB-FAH和TCG算法对观测几何角度的变化不敏感并表现较高的稳定性,要优于NDVI方法。在云层覆盖和强太阳耀斑背景下,TCG算法的浒苔判识能力最好,并可有效排除云覆盖和强太阳耀斑的干扰,其精度评价指标F1-score和OA分别超过95.2%和95.0%。     

东南亚海域HY-1C SST数据评估与校正

海洋一号C卫星（HY-1C）是服务于海洋水色水温、海岸带和海洋灾害与环境监测的业务化应用卫星,是海洋遥感数据的重要来源,对中国HY-1C卫星红外辐射计在东南亚海域的SST观测数据开展评估与校正工作具有重要意义。本研究基于多源卫星SST数据和ARGO浮标测量温度数据,对中国HY-1C卫星在东南亚海域的SST数据进行了质量评估和改进工作。HY-1C SST数据的质量评估结果表明：HY-1C白天的平均偏差、标准差和均方根误差分别为–0.73℃、1.38℃和1.56℃,夜晚数据偏差分别为–0.95℃、1.57℃和1.83℃。与其他同类红外辐射计的数据质量对比发现HY-1CSST数据精度低于其他红外辐射计。采用月平均差值校正、SST分区域差值校正、SST分段校正3种校正方法对HY-1C SST数据质量进行改进,其中HY-1C SST分区域校正的质量提升最明显,标准差、均方根误差接近1℃,夜晚均方根误差比校正前降低了约0.8℃,白天和晚上均方根误差分别降低了32.52%和42.04%。     

HY-2C卫星海面高度数据的质量分析

卫星海面高度数据对于监测全球海面高度具有重要的意义,所以卫星高度数据的定标和检验变得至关重要。海洋二号C（HY-2C）卫星是继海洋二号B卫星后的第二颗业务卫星,于2020年成功发射升空。然而,目前对HY-2C卫星高度计的数据质量了解甚少,所以对HY-2C卫星的海面高度数据进行质量分析具有重要的意义。本文以同期观测的HY-2B卫星和Jason-3卫星的地球物理数据（GDR）为参考,对HY-2C卫星遥感地球物理数据（SGDR）中的海面高度数据进行质量分析。结果显示,在星星交叉定标中使用3种常见的交叉定标插值方法对HY-2C卫星的海面高度异常数据进行自交叉点分析时,HY-2C卫星海面高度异常数据质量分析的结果不同。其中使用三次样条插值方法进行质量分析的结果最优,得到海平面高度异常差的平均值为0.03 cm,标准差为6.17 cm。此外,对HY-2C卫星和HY-2B卫星互交叉点海面高度异常差异的平均值为?0.47 cm,标准差为5.32 cm;HY-2C卫星SGDR与Jason-3卫星GDR的海面高度异常数据进行互交叉点分析,得到海平面高度异常差的平均值为?0.3 cm,标准差为5.32 cm,这些数据表明HY-2C卫星的测高精度与HY-2B卫星、Jason-3卫星一致。因此HY-2C高度计产品数据质量稳定,能满足海洋应用和科学研究的需要。     

FY-1C/1D全球海上气溶胶业务反演算法研究

介绍了基于FY-1C/1D气象卫星数据进行全球海洋气溶胶反演的业务算法,主要论述了海上气溶胶反演的单通道算法基本原理.该算法的核心内容是建立气溶胶光学厚度查算表,该查算表基于6S辐射传输模式,在假定气溶胶模式条件下,卫星的表观反射率是卫星观测几何(太阳卫星角)和气溶胶光学厚度函数,最终由卫星观测表观反射率反演出气溶胶光学厚度.业务反演过程中还考虑到数据质量检验、云检测处理和太阳耀斑区去除等.利用该算法对FY-1C卫星自2001年起的部分资料进行反演试验,并在FY-1D卫星发射后投入业务应用,自2002年8月开始能实时得到每天和每月的全球气溶胶光学厚度产品.从两颗卫星两年多连续反演结果分析可以非常清晰地发现全球气溶胶主要排放源地和全球海上气溶胶分布的季节变化,与国外卫星反演结果十分接近.     

海洋一号D卫星捕捉到南极火山喷发

海洋一号C卫星和D卫星(HY-1C、HY-1D)是我国首次形成的上、下午组网业务化观测的海洋水色卫星,分别于2018年9月7日和2020年6月11日发射。HY-1C和HY-1D卫星均搭载了海洋水色水温扫描仪、海岸带成像仪(CZI)、紫外成像仪、星上定标光谱仪和船舶监测系统,很好地满足了海洋水色水温、海岸带和海洋灾害与环境监测需求,同时可服务于自然资源调查、环境生态、应急减灾、气象、农业和水利等行业。     

HY-1C卫星CZI载荷的黄海绿潮提取研究

海洋一号C（HY-1C）卫星是中国首颗海洋水色业务卫星,其搭载的海岸带成像仪（CZI）在近海海洋环境监测中正发挥越来越重要的作用;随着搭载有相同传感器的HY-1D卫星发射,双星组网观测,可形成3天2次的高频次、大范围对海观测能力,在海洋漂浮藻类、海洋溢油等目标探测方面具备优异的效能。高空间分辨率光学数据中包含了丰富的海洋环境信息,给特定目标的识别提取带来一定干扰。本研究面向HY-1C卫星CZI载荷开展中国近海漂浮藻类识别提取的业务化应用需求,发展基于藻类缩放指数与虚拟基线高度融合的海洋漂浮藻类识别提取算法,算法优选适用于无短波红外波段国产数据的虚拟基线高度指数来增强藻类信号,通过藻类缩放指数滑动窗口运算,有效剔除高空间分辨率光学数据中的复杂干扰信息,实现了基于CZI数据的海洋漂浮藻类高精度提取,且具有较好的计算运行效率。此外,结合准同步高分卫星16 m多光谱数据,开展CZI数据含藻像元的不确定性分析,发现CZI数据反演结果对近海小斑块漂浮藻类存在不可忽视的高估现象。研究还指出,光学数据用于漂浮藻类监测,其不确定性不仅来源于传感器的空间分辨率差异,还与海洋漂浮藻类形态特征的空间分异性有关。明晰海洋漂浮藻类的形态学空间分异特征,将有助于提高光学数据反演结果的精度,并阐明不确定性。     

HY-2B卫星载荷联合观测海面阵风的一种反演方法

国内外对海上阵风的研究并不多,且大多集中在阵风预报和应用研究方面,对于海洋阵风数据的获取技术未见文献系统论述。本文利用HY-2B卫星雷达高度计观测的后向散射系数,结合校正微波辐射计观测的亮度温度信息,提出联合反演阵风风速的方法。两个遥感载荷联合反演得到的阵风风速与2019–2021年美国国家浮标数据中心（NDBC）浮标数据进行真实性检验,结果显示:阵风风速均方根误差（RMSE）为0.98 m/s,相关系数为0.82;基于本方法利用国外同类卫星Jason-3得到的阵风风速与2016–2018年NDBC浮标数据的RMSE为0.96 m/s,相关系数为0.88。本文在HY-2B卫星雷达高度计海面风速观测的基础上,纳入同一卫星平台校正微波辐射计的同步观测信息联合实现了海面阵风的观测,数据的比对结果证明文中方法具有较高的观测精度。同时,该方法对于具有相同观测体制的国内外卫星也适用。     

The brightness reversal of submarine sand waves in “HJ-1A/B” CCD sun glitter images

The brightness reversal of submarine sand waves appearing in the small satellite constellation for environment and disaster monitoring and forecasting("HJ-1A/B") CCD sun glitter images can affect the observation and depth inversion of sand wave topography. The simulations of the normalized sun glitter radiance on the submarine sand waves confirm that the reversal would happen at a specific sensor viewing angle, defined as the critical angle. The difference between the calculated critical angle position and the reversal position in the image is about 1, which is excellent in agreement. Both the simulation and actual image show that sand wave crests would be indistinct at the reversal position, which may cause problems when using these sun glitter images to analyze spatial characteristics and migration of sand waves. When using the sun glitter image to obtain the depth inversion, one should take the advantage of image properties of sand waves and choose the location in between the reversal position and the brightest position. It is also necessary to pay attention to the brightness reversal when using "HJ-1A/B" CCD images to analyze other oceanic features, such as internal waves, oil slicks, eddies, and ship wakes.     

海面太阳耀斑区的溢油光学遥感CNN检测方法研究

海面发生大面积溢油事故时,由于太阳耀斑区的存在,海面的油膜在遥感影像上会发生明暗的变化。这对溢油的检测会产生严重的干扰。如何在海面太阳耀斑区准确地检测出溢油是目前溢油检测的难题。针对这一问题,本文利用Landsat7 ETM+多光谱影像数据,开展了基于卷积神经网络(CNN)的海面太阳耀斑区溢油检测方法研究。通过设置对照实验,对比支持向量机、最大似然、随机森林等分类方法,我们发现在相同实验条件下CNN模型的分类精度为95%～99%, Kappa系数为0.92～1,均高于其他三种分类方法,表明了CNN模型在海面太阳耀斑区溢油的检测具有更高的精度与一致性。     

HY-2A卫星雷达高度计数据的全球统计评价及质量分析

自HY-2A卫星发射以来,针对HY-2A卫星雷达高度计产品的交叉定标、真实性检验及质量评估工作一直在持续开展。本文主要以HY-2A卫星高度计第44周期的IGDR产品数据为例,通过使用全球分布图、二维直方图和每日均值统计的方法完成了与Jason-2IGDR产品的比对验证,同时对主要环境校正参数及地球物理产品的数据质量稳定性进行了分析,结果显示高度计产品数据质量较稳定,此外利用HY-2A卫星升降轨交叉点海面高度差、与Jason-2卫星交叉点海面高度差以及沿轨海平面异常数据分析的方法进行了HY-2A卫星高度计观测系统的性能评估,结果显示,HY-2A卫星海面高度精度约为7.48cm,精度接近Jason-2,能满足海洋应用与科学研究的需要。     

POLDER水色大气校正算法研究

基于POLDER多角度观测数据,对其大气校正算法进行了研究。该大气校正算法中,大气分子散射利用多次散射加偏振的精确瑞利散射来计算,同时,对太阳耀斑及白帽散射进行了校正。由本文大气校正算法可以反演得到气溶胶光学厚度以及海水反射率,与POLDER二级产品相比表明,利用该算法反演所得产品效果较好,相对误差在10%左右,从而为未来中国多角度水色遥感的发展提供一些参考。     

基于薄板样条函数的HY-1B卫星 L1B 数据几何校正方法研究

将HY-1BL1B产品中已有的经纬度数据抽样作为控制点,根据控制点的图像坐标和经纬度坐标间的对应关系,基于薄板样条函数的坐标变换关系对HY-1BL1B数据进行了几何校正,并与陆地矢量边界进行了比较,结果表明该方法能较好地完成HY-1B卫星L1B数据的几何校正。