高分四号卫星在近海悬浮物和绿潮灾害监测中的应用

崔廷伟1丁静2 徐彭梅3 张杰1

卫星遥感以其大范围、同步、快速的技术优势，成为海洋监测的重要技术手段。传统的极轨卫星，每1—2天进行一次地表重复覆盖，对于日变化不显著的开阔大洋水体来说，可基本满足监测需求，但对于具有显著时变特性（甚至是小时级）的近岸海域环境监测以及海上突发事件的应急响应需求来说，极轨卫星的时间分辨能力无法满足这一高频变化的监测需求。

2010年韩国发射的COMS卫星搭载了世界首个GOCI，使得对海洋日变化的卫星遥感监测成为可能。GOCI提供了一小时一景、一天8景的水色遥感图像，空间分辨率500m，8个窄的高灵敏度大动态范围水色波段，在悬浮物、赤潮、绿潮、海表流场等的逐时变化信息提取中得到了广泛应用，展示了静止轨道光学遥感技术在海洋监测中的应用潜力，在此背景下美、欧也在积极推进各自的静止轨道海洋光学卫星计划，可以预见的是静止轨道海洋光学遥感技术将成为新的方向[1]。

2015年12月，针对防灾减灾需求，我国发射了高分辨率静止轨道光学卫星高分四号（GF-4），其空间分辨率为50m，在可见光—近红外波段范围内拥有全色和蓝、绿、红、近红外5个波段，2景图像的最短成像时间差仅为20s，在海洋的高频变化监测方面具有巨大潜力[2，3]。本文重点开展了GF-4卫星数据在近海悬浮物和绿潮遥感监测中的应用研究，通过与GOCI卫星监测结果的对比分析，探讨了GF-4的海洋应用能力。

表2给出了本文所使用的GF-4卫星数据以及用于对比分析的GOCI和MODIS数据。

表1 GF-4卫星有效载荷技术指标

一、高分四号卫星数据分析

高分四号卫星数据的主要技术指标见表1，光谱响应函数见图1。

图1 GF-4卫星光谱响应函数

作为示例，图2给出GF-4影像和GOCI影像。从目视解译上来看，二者的成像质量相当。

图2 2016年5月10日准同步的GF-4影像（左）和GOCI影像（右）

二、高分四号悬浮物浓度监测结果分析

基于黄河口海域现场观测的光谱数据和悬浮物浓度（SPM）数据，结合GF-4的波段响应函数，开展GF-4悬浮物浓度反演算法研究。经算法测试，基于第三波段遥感反射率的反演模型具有较好的反演效果，平均相对误差约为35%（图3）。

基于上述模型和GF-4影像反演的渤海悬浮物浓度空间分布如图4所示，相应地，图4还给出了准同步的GOCI影像悬浮物反演结果。对比二者可以看出，GF-4和GOCI得到的悬浮物浓度空间分布态势是一致的，莱州湾、渤海湾以及辽东湾北部悬浮物浓度较高，渤海中部较低。从直方图对比上看，二者的均值、中值、标准差均较为接近。特别需要指出的是，GF-4分辨率较GOCI 高10倍，所以前者的总像元数（约1300万）远高于后者（约20万），因此也更有利于提取精细的空间分布信息。

表2 所使用的卫星数据

图3 悬浮物反演值与实测值的散点图

图4 GF-4（左）和GOCI（右）反演的悬浮物浓度空间分布（2016年5月10日）

图5 GF-4和GOCI绿潮监测结果对比分析

三、高分四号卫星绿潮监测结果分析

图5给出了黄海绿潮GF-4影像和准同步的GOCI影像，通过对比可以发现，绿潮斑块的形状（轮廓）特征在50m分辨率的GF-4影像中表现得到较为清晰，但在500m分辨率的GOCI影像中却难以准确辨识；利用归一化差值植被指数（NDVI）方法进行绿潮覆盖面积的定量提取发现，与GF-4相比，GOCI绿潮面积提取结果存在明显高估。上述结果说明，与GOCI相比，高分四号的十米级空间分辨率更加有利于绿潮灾害精细化监测。

四、结语

本文开展了高分辨率静止轨道光学卫星高分四号卫星在近海悬浮物和绿潮灾害监测中的应用研究，并与准同步的静止轨道水色卫星GOCI监测结果进行了对比分析，研究发现，宽波段的GF-4卫星与窄波段的GOCI具有相当的悬浮物浓度定量遥感反演能力，GF-4卫星所具有的高空间分辨率使其更加有利于绿潮面积的定量遥感提取。

致谢：感谢中国资源卫星中心提供GF-4数据，韩国海洋卫星中心提供GOCI数据。