国产海洋卫星数据在内陆地区的应用
——以青海为例

◆ 刘锦秀 刘建强 李晓民 王 佳 马世斌

（1.青海省青藏高原北部地质过程与矿产资源重点实验室，青海西宁 810012；2.青海省地质调查院，青海西宁 810012；3.青海省遥感大数据工程技术研究中心，青海西宁 810012；4.国家卫星海洋应用中心，北京100081）

近年来随着我国高分系列、资源系列、海洋系列等卫星不断发射，多源化卫星数据应用领域和应用场景正在不断拓展。海洋卫星具备全天候、全天时、全球性观测特点，可高频次、周期性、长期、近实时、快速获得全球多尺度多要素海洋要素信息，其载荷扫描幅宽大，数据获取频次高是区别于陆地卫星的重要特点，在内陆蓝藻监测、洪涝灾情监测、森林火灾监测等常态化监测和应急监测方面均已实现有效应用。

中尺度监测以往常用的遥感影像有较低分辨率的MODIS和中高分辨率的Landsat8、Sentinel-2，国产海洋卫星数据无论在分辨率、获取周期上均具优势，本文利用海洋卫星数据针对水体设计、水体特征及水色信息识别和提取更精准，载荷的扫描幅宽大、重访周期高、获取时效快等特点，在青海省内开展了湖泊水情、湖泊冰情、河流悬浮泥沙、农作物种植等自然资源调查与监测工作，将海洋卫星数据应用到陆地。

1 数据选择

目前，我国海洋卫星主要由海洋水色环境卫星星座（HY-1A、HY-1B、HY-1C、HY-1D）、海洋动力环境卫星星座（HY-2A、HY-2B、HY-2C、HY-2D、CFOSAT）及海洋监视监测卫星（GF3）三个系列组成，本次根据监测要素特点，选取HY-1C、HY-1D和HY-2B卫星部分载荷数据进行应用（主要技术指标表 1-2）。

表1 HY-1C/D卫星CZI传感器波段信息及信噪比指标Table1 Bands and S/N of HY-1C/D CZI

表2 HY-2B卫星ALT传感器主要技术指标Table2 Parameters of HY-2B ALT

海洋一号C卫星（HY-1C）作为我国首颗海洋水色业务卫星于2018年9月7日发射成功，已于2019年6月开展业务化运行。其搭载的海岸带成像仪（CZI）兼顾陆海观测，空间分辨率优于50米，幅宽1000公里，含红、绿、蓝、近红外四个波段，信噪比优于250，不用侧摆就可实现三天一次覆盖，频次高，时效快。继2020年6月11日成功发射海洋一号D卫星（HY-1D）后，进行上、下午组网观测，将覆盖频次提高到了1～2天/次，可实现观测要素高频次动态监测。采用漂移轨道，7-11景即可实现青海省全覆盖。

海洋二号B卫星（HY-2B）是我国第二颗海洋动力环境卫星，该卫星集主、被动微波遥感器于一体，属于我国海洋系列遥感卫星，具有高精度测轨、定轨能力与全天候、全天时、全球探测能力。卫星搭载的ALT雷达高度计除可获得浪高、海面高度等海洋动力环境参数外，也可为内陆大型湖泊提供实测数据。

2 数据应用

国产海洋卫星数据应用主要从青海湖面积和水位监测、青海湖和可可西里盐湖冰情监测、通天河河流悬浮泥沙监测、油菜花农作物种植监测等4个方面进行阐述。

2.1 青海湖面积和水位监测

青海湖位于青藏高原东北部的内陆封闭盆地内，北面是大通山、东面是日月山、南面是青海南山、西面是橡皮山，地理范围为36°32′N～37°15′N，99°36′E～100°16′，是我国最大的高原内陆咸水湖，形状呈椭圆形，入湖河流约50条，主要分布在西北部，湖面海拔约3195m。青海湖除主湖以外，有4个较大子湖，分别是尕海、新尕海、海晏湾、洱海。由于青海湖面积持续增大，新尕海和海晏湾已融入主湖。

青海湖长约105km，宽约63km，我国现有的高分系列、资源系列卫星幅宽最大的为资源一号02D卫星，幅宽115km，但轨道设计不能实现单次任务对整个湖泊全覆盖。HY-1C卫星CZI海岸带成像仪可很好满足监测需求。对于利用遥感影像光谱特征进行水体边线提取时，其浅水区提取的边线具有一定误差，基于HY-1C CZI影像表观反射率数据，采用归一化差异水分指数（NDWI）构建分类规则自动提取监测区水体信息辅以适当人工解译，监测显示，2019年7月9日青海湖面积4548.75km2，2020年7月26日青海湖面积4597.14km2，相比2019年同期面积扩大了48.39km2,尤其布哈河入水口湖岸退缩明显。

HY-2B卫星ALT雷达高度计有0198轨道和0293轨道经过青海湖，且有P1和P2两点为两轨的交叉点，可以很好地进行相互验证。数据监测显示，青海湖水位由2019年6月17日的3194.89m升高到2020年6月19日3195.34m，一年间水位升高了0.45m。

青海水文信息网《青海省水情信息》公布的青海湖水位实测2019年7月1日水位3195.98m，2020年7月1日下社站水位3196.35m。两期监测数据系统误差分别为-1.09m、-1.01m，水位差误差为0.08m。因实测水位每日不同，本文未能进行同一天的比较，以获得的两期日期最接近的数据比较可得，采用HY-2B卫星ALT雷达高度计监测青海湖水位虽有约-1m的系统误差，但相对误差很小，采用此法进行青海湖水位相对变化监测是可行的。

2.2 湖泊冰情监测

湖冰作为气候变化影响最直接的湖泊物理特征之一，既能反映大气、水文等引起的小尺度环境变化，也能反映全球气候变暖等大尺度气候变化。青海湖作为我国最大的内陆咸水湖，既是环湖周边区域气候的天然自然调节器，又是青藏高原东北部的重要水汽源。利用24期次HY-1C/D卫星CZI海岸带成像仪影像实现青海湖2020-2021年封冻期—消融期—封冻期的湖泊冰情高频次快速监测，监测时间间隔实现了1～2天一次。

青海湖于每年12月下旬进入封冻期，封冻首先从洱海开始，随后海晏湾和尕海开始出现碎冰，封冻总体先开始于湖东北岸和西岸，由东北岸向西南岸渐进，随后冰层由湖岸逐渐往湖中心扩张。从湖冰形成物理过程来看，由于湖水的比热容大，而陆地的比热容较小，受水陆间比热容差异的影响，冰晶和浮冰首先出现在沿岸区域，在碎冰形成过程中风浪会将较薄的湖冰迅速吹裂并吹移至湖岸边，沿着湖岸形成带状薄冰，在封冻过程中，新出现的冰层或碎冰极容易受气温突然上升或风速变化影响而消失，导致湖泊封冻过程出现反复封冻—消融现象。通常湖冰的消失和移动同时进行，均为快速过程，封冻初期湖冰状态每日不同。随着气温持续降低，岸冰开始向湖心扩展，此时湖上形成连续冰盖并厚度增大，湖面开阔水面逐渐减少，同时风对冰层的影响也随之减弱，湖面开始稳定封冻。青海湖于每年3月末或4月初进入消融期，消融首先从布哈河入湖口开始，由西岸和北岸向外迅速消融。总体而言，青海湖封冻与消融空间模式有两种：湖区以西，开始冻结最早的区域也是开始消融最早的区域，冻结和消融空间模式相似；湖区以东，冻结和消融空间模式相反，最早开始冻结的区域则是最迟消融的区域。湖泊封冻—消融空间模式在一定程度上可以反映湖泊水深差异。

因气候暖湿化和来水、降水增多等影响，近年来可可西里盐湖水位持续上涨，出现漫溢风险，威胁到区域生态环境、国家重大基础设施和周边人民群众生命财产安全，后经修建引流疏导渠实现了湖水平稳泄流，但仍需持续监测了解掌握湖水封冻结冰情况。利用HY-1C卫星CZI海岸带成像仪对可可西里盐湖2019年封冻进行监测。遥感影像显示，11月26日，位于盐湖上游的海丁诺尔湖首先开始冻结；12月2日，库赛湖一半水域已冻结，可可西里盐湖水域边缘出现明显冻结，此后，可可西里盐湖由东至西逐步冻结；12月5日，盐湖除少许水面几乎全部冻结；12月8日，可可西里盐湖全面封冻。盐湖从边缘呈现出冻结迹象到水面全部冻结仅经历了一周时间。湖总体由外向内、由东南向西北渐次封冻，经过7天4次监测，准确记录盐湖封冻全过程。

2.3 河流悬浮泥沙监测

悬浮泥沙作为泥沙输运和再悬浮过程的重要指标，直接影响水体水质、生态系统和底地貌演化。通天河作为长江源头的主干河流，具有多种类型的草原牧场，是长江上游的重要畜牧区之一。陆地卫星在R,G,B（红绿蓝）三色通道系统中，对近红外、红、绿通道的应用更加广泛，蓝通道往往起到辅助作用。但海洋卫星蓝通道的高信噪比更适合监测河流、湖泊、沙漠、森林、草地等含有水体和水汽的要素，用于提取陆地植被尤其是内陆水体的效果很好。本文采用悬浮泥沙指数（p（blue）-p（nir））/（p（blue）+p（nir））对通天河进行悬浮泥沙提取。2020年7月26日HY-1C卫星遥感监测显示，通天河河道水面有明显加宽，水体呈现土黄色浑浊状态，悬浮泥沙浓度反演结果较好地反映了河流悬浮泥沙的空间分布,在曲麻河乡附近含泥沙量浓度大。

2.4 农作物种植监测

作物生物量是形成产量的物质基础,遥感技术是高效、客观监测作物地上生物量的重要手段,对农业生产管理具有重要意义。油菜作为青海省优势作物，在食品和旅游业有着举足轻重的地位。利用2020年7月26日HY-1C卫星数据，采用非监督分类开展了我省油菜种植现状定量监测。卫星影像显示，因2020年降雨量充沛，油菜种植较为广泛，浅山旱地尤为明显，影像图中斑块状分布的黄绿色油菜花田清晰展现；油菜种植面积以门源回族自治县最广，约1.2万公顷；其次为贵南县、共和县、刚察县、兴海县、互助县等。

3 结语

本文以青海省为研究区开展的湖泊、河流、植被等研究是海陆融合的有效实践，扩大了国产海洋卫星数据的应用深度与广度，也为内陆水体动态监测找到了新的技术手段，为其他湖泊研究提供参考与借鉴。后续可有效支撑青海省自然资源遥感调查与监测、生态保护监管及高原山水林田湖草冰沙研究等一系列工作。研究得到如下结论与下一步建议：

（1）湖泊水位、面积、蓄水量变化反映了流域区域内和全球的气候变化，对水资源平衡、生态环境多样性变化、洪涝灾害预防、农业灌溉等水资源利用均具有重要的意义。利用国产海洋卫星数据蓝通道高信噪比，针对水体设计，发展针对性的水体自动提取算法，实现湖泊面积常态化快速监测，结合雷达高度计可开展大型湖泊水位持续监测。

（2）青海湖在封冻初期会出现反复封冻—消融情况，采用中高分辨率的HY-1C/D卫星传感器更容易识别到被风吹散的碎冰及不被湖冰完全覆盖的分散冰，能更准确监测湖冰的反复变化，可作为研究湖冰物候响应气候变化规律的可靠数据源。湖泊封冻—消融过程与湖泊水深、湖冰厚度的空间分布均密切相关，仅仅依靠地面观测站数据无法满足全面观测需求，在未来一段时间可开展进一步研究：加强湖泊水深、湖冰厚度遥感反演技术的应用，并获取较为全面的实测资料对反演结果进行验证，继而探索湖泊封冻—消融过程与湖泊水深、湖冰厚度的关系。并可对湖泊进行全面监测发展适用于高原地区的湖冰预测模型，模拟湖冰变化趋势，为气候变化及基础研究提供参考。

（3）充分利用海洋卫星大扫描幅宽、短数据获取周期等优势为陆地自然资源快速普查与应急救灾提供支撑。

本文仅针对海洋水色环境卫星星座和海洋动力环境卫星星座的少数传感器开展了初步研究，一方面在针对以上各类均可进行深入研究与应用的同时探索其他传感器在内陆的应用，一方面将海洋卫星数据与陆地卫星深度融合。海洋卫星在内陆地区有广阔的应用前景。