基于開(kāi)源代碼構(gòu)建水色遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
——以HY-1C/D為例

王道生，杜克平，陳樹果，薛程，葉小敏，李忠平

1.廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院, 廈門 361102;

2.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部, 北京 100875;

3.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋技術(shù)學(xué)院, 青島 266100;

4.中國(guó)海洋大學(xué) 三亞海洋研究院, 三亞 572024;

5.自然資源部國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心, 北京 100081;

6.麻省州立大學(xué)波士頓分校 環(huán)境學(xué)院, 美國(guó)波士頓 02125

1 引 言

自1970年代美國(guó)發(fā)射CZCS（Coastal Zone Color Scanner Experiment）水色衛(wèi)星，國(guó)際上發(fā)射運(yùn)行了多顆關(guān)注全球海洋生態(tài)環(huán)境的水色遙感衛(wèi)星，特別是20世紀(jì)90年代末發(fā)射、運(yùn)行先進(jìn)的SeaWiFS（Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor，生命周期：1997年—2010年）、MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，生命周期：2002年至今）等水色衛(wèi)星，在軌運(yùn)行期間積累大量豐富的海洋水色衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，NASA 由1993年開(kāi)始組織開(kāi)發(fā)相應(yīng)的水色衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)SeaWiFS Data Analysis System（SeaDAS），最終成為一個(gè)集處理、顯示、分析和質(zhì)量控制為一體的水色衛(wèi)星數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)（Fu等（1998））。起初，系統(tǒng)僅支持SeaWiFS 的數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品制作，包括從L0（經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)解包、元數(shù)據(jù)校核，未做任何糾正的相機(jī)載荷原始數(shù)據(jù)及輔助信息）到L3（統(tǒng)一時(shí)空網(wǎng)格尺度的全球地圖投影后圖像產(chǎn)品）所有等級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理、分析和質(zhì)量控制。經(jīng)過(guò)幾十年的不斷改進(jìn)和擴(kuò)展，除了保持對(duì)SeaWiFS的支持，現(xiàn)已擴(kuò)展到CZCS、MODIS、VIIRS（Visible and Infrared Imagere/Radiometer Suite）、 MERIS（Medium Resolution Imaging Spectrometer）、GOCI（Geostationary Ocean Color Imager）、Landsat8、Sentinel2/3、HICO（Hyperspectral Imager for the Coastal Ocean）、HawkEye 等衛(wèi)星傳感器。目前最新版本為SeaDAS8.1.0，于2021年6月24日發(fā)布（https：//seadas.gsfc.nasa.gov ［2021-10-04］），其中的Ocean Color Science SoftWare package（OCSSW）科學(xué)數(shù)據(jù)處理包需要在Linux 環(huán)境下運(yùn)行。它通過(guò)組件形式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)自選衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)的處理，包括數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)、幾何定標(biāo)、大氣校正、產(chǎn)品反演和地圖投影融合等，并且開(kāi)放源代碼，支持用戶添加自定義衛(wèi)星傳感器及要素產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)外學(xué)者Wang 等（2014）、Franz 等（2015）、Wang 等（2016）、Chen 等（2021）也已在這方面做過(guò)嘗試，實(shí)現(xiàn)了新版SeaDAS 對(duì)自選衛(wèi)星傳感器的新算法植入和遙感產(chǎn)品制作。比如Frouin 等基于NASA 的6.4 版本SeaDAS（不支持VIIRS 傳感器的處理），開(kāi)發(fā)NOAA-SeaDAS 版本，對(duì)VIIRS 等衛(wèi)星數(shù)據(jù)提供大氣校正功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)當(dāng)時(shí)新型衛(wèi)星傳感器的大氣校正處理。Bryan 等針對(duì)Landsat 8 的OLI（Operational Land Imager）傳感器，同樣擴(kuò)展了當(dāng)時(shí)SeaDAS 版本對(duì)其的支持，并植入多種大氣校正算法可供程序運(yùn)行處理時(shí)選擇。Wang等在NOAASeaDAS 版本基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展其功能，利用近紅外波段和短波紅外波段對(duì)VIIRS傳感器進(jìn)行在軌替代定標(biāo)工作。Chen等利用SeaDAS-C版本實(shí)現(xiàn)對(duì)HY-1C的COCTS（Chinese Ocean Color and Temperature Scanner）傳感器衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理，并評(píng)估COCTS傳感器在全球水色遙感反演中的性能。

根據(jù)中國(guó)民用空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃，正全力發(fā)展海洋水色、海洋動(dòng)力環(huán)境和海洋監(jiān)視監(jiān)測(cè)3大系列的海洋衛(wèi)星（蔣興偉 等，2016）。其中，海洋水色觀測(cè)衛(wèi)星主要通過(guò)獲取、分解海洋的水體光譜，反演得到海洋水體的固有光學(xué)量以及葉綠素、懸浮顆粒物和有色溶解有機(jī)物濃度等水質(zhì)信息。這些產(chǎn)品可應(yīng)用于海洋資源調(diào)查、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、赤潮監(jiān)測(cè)和海岸帶植被監(jiān)測(cè)等方面。在2002、2007、2018 和2020年，國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心已先后發(fā)射、運(yùn)行HY-1A/1B/1C/1D 水色衛(wèi)星。特別是，HY1C/1D 實(shí)現(xiàn)雙星上下午組網(wǎng)運(yùn)行，不但提高探測(cè)效率，也有助于分析浮游植物的日內(nèi)動(dòng)態(tài)變化。星上搭載海洋水色水溫儀、海岸帶成像儀、紫外成像儀、星上定標(biāo)光譜儀和一套船舶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（AIS）。其中海洋水色水溫儀（COCTS）覆蓋周期單顆為1 d，雙星組網(wǎng)為0.5 d，星下點(diǎn)地面像元小于1100 m，幅寬大于2900 km，可實(shí)現(xiàn)對(duì)西北太平洋區(qū)域的實(shí)時(shí)觀測(cè)和西北太平洋區(qū)域之外的全球其他區(qū)域的非實(shí)時(shí)觀測(cè)，因此能夠?qū)V袤的海洋進(jìn)行高效率的測(cè)量（http：//www.nsoas.org.cn/［2021-11-04］）。中國(guó)海洋水色衛(wèi)星星座的發(fā)展歷經(jīng)從HY-1A/1B 試驗(yàn)型衛(wèi)星到HY-1C/1D 業(yè)務(wù)型衛(wèi)星轉(zhuǎn)變，未來(lái)還將繼續(xù)發(fā)射新一代海洋水色HY1E衛(wèi)星和正在規(guī)劃的靜止軌道衛(wèi)星（林明森 等，2019），進(jìn)一步提升對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的觀測(cè)能力。

隨著海洋衛(wèi)星觀測(cè)星座的完備，需與之建立相匹配的通用衛(wèi)星數(shù)據(jù)地面處理系統(tǒng)，避免出現(xiàn)一顆衛(wèi)星一套系統(tǒng)的情況。由于中國(guó)海洋衛(wèi)星發(fā)展起步較晚，科學(xué)研究長(zhǎng)期依賴國(guó)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)及其處理系統(tǒng)。因此，雖然有了水色衛(wèi)星及其標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，但過(guò)去沒(méi)有一套針對(duì)HY-1C/D 的離線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，用戶則不能夠根據(jù)自己的需求在HY-1C/D 的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品之外產(chǎn)生自定義水色產(chǎn)品，妨礙HY-1C/D 的廣泛應(yīng)用。另外，前人在國(guó)內(nèi)外水色衛(wèi)星的大氣校正和水色要素反演方面積累了大量算法，若能在類似SeaDAS 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)各自算法的集成，將算法代碼共享發(fā)布，有助于算法的進(jìn)一步推廣應(yīng)用及適應(yīng)性改進(jìn)。因此基于國(guó)內(nèi)外學(xué)者的工作基礎(chǔ)，一個(gè)行之有效的方式是借鑒SeaDAS科學(xué)處理包軟件框架，根據(jù)HY-1C/D 的載荷特征和數(shù)據(jù)格式特點(diǎn)，針對(duì)性開(kāi)發(fā)組件實(shí)現(xiàn)從L1B 級(jí)別數(shù)據(jù)到L2 產(chǎn)品及后續(xù)L3 級(jí)產(chǎn)品的制作。本文則描述以HY-1C/D 的水色水溫儀L1B 數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，開(kāi)發(fā)的適用于國(guó)產(chǎn)水色衛(wèi)星大氣校正及水色要素反演、衛(wèi)星原始分辨率下的離線處理系統(tǒng)OffLine-COCPS（OffLine-Chinese Ocean Color satellite Processing System）。旨在通過(guò)本文研究工作，闡明對(duì)多顆水色衛(wèi)星數(shù)據(jù)集成處理的系統(tǒng)工作方式，該系統(tǒng)不僅保持對(duì)各種衛(wèi)星數(shù)據(jù)格式的識(shí)別支持，同時(shí)也支持對(duì)前人已有算法產(chǎn)品進(jìn)行集成，通過(guò)一套系統(tǒng)，用戶即可對(duì)國(guó)產(chǎn)水色衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)自主擴(kuò)展應(yīng)用。

2 數(shù)據(jù)和系統(tǒng)組成

2.1 數(shù)據(jù)源

國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心已經(jīng)通過(guò)中國(guó)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)將HY-1C/D 衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的共享（https：//osdds.nsoas.org.cn［2021-11-04］），通過(guò)該網(wǎng)站可獲取到經(jīng)過(guò)幾何定位和輻射定標(biāo)后的COCTS L1B 級(jí)別衛(wèi)星數(shù)據(jù)。OffLine-COCPS 將以此數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)多項(xiàng)數(shù)據(jù)模塊，從而自主實(shí)現(xiàn)HY1C/1D 數(shù)據(jù)的大氣校正和產(chǎn)品要素反演。

L1B 數(shù)據(jù)是以HDF5 格式進(jìn)行存儲(chǔ)，內(nèi)容包含Global Attributes 全局屬性、QC Attributes QC 屬性、Calibration 定標(biāo)屬性、Scan_Line Attributes 掃描行屬性、Geophysical Data 地球物理數(shù)據(jù)和Navigation Data圖像定位數(shù)據(jù)等。

本文采用2019年9月8日HY-1C白天共119景L1B數(shù)據(jù)及2020年12月8日HY-1D白天共140景L1B數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，部分?jǐn)?shù)據(jù)的覆蓋情況如圖1所示。

圖1 HY-1C/D衛(wèi)星COCTS數(shù)據(jù)全球覆蓋示意圖Fig.1 Global coverage of HY-1C/D COCTS data

驗(yàn)證數(shù)據(jù)采用NASA 官方提供的MODIS 和VIIRS 對(duì)應(yīng)9 km 葉綠素產(chǎn)品和遙感反射比產(chǎn)品（https：//oceancolor.gsfc.nasa.gov/l3/［2022-03-18］），對(duì)HY1C/1D COCTS 傳感器反演得到的葉綠素產(chǎn)品和遙感反射比產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 COCPS系統(tǒng)架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器的自由擴(kuò)展，OCSSW 處理包采用如圖2的接口設(shè)計(jì)方式，將傳感器觀測(cè)到的輻亮度值和其他輔助文件、查找表、實(shí)測(cè)值，以及公用的輔助文件和每個(gè)傳感器獨(dú)有的配置文件分離處置，因此，在添加新傳感器時(shí)，只需按照相應(yīng)格式配置專用傳感器的配置文件。

圖2 OCSSW傳感器獨(dú)立設(shè)計(jì)方式Fig.2 OCSSW sensor-independent design approach

考慮到HY-1C/D COCTS L1B 數(shù)據(jù)格式均以HDF5 方式存儲(chǔ)，僅在全局屬性Global Attributes 中以title或Satellite Name字段內(nèi)容存在區(qū)別，在兩個(gè)傳感器集成方面，以title屬性作為關(guān)鍵字段，分別對(duì)HY-1C 和HY-1D 傳感器數(shù)據(jù)識(shí)別分類處理，以實(shí)現(xiàn)在一套系統(tǒng)上對(duì)多傳感器的支持。

2.3 COCPS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

根據(jù)NASA 官方OBPG（Ocean Biology Processing Group）組發(fā)布的說(shuō)明文檔，為了使對(duì)OCSSW科學(xué)處理包的修改生效，需在對(duì)應(yīng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境中對(duì)OCSSW 處理包進(jìn)行重新編譯。以SeaDAS-7.3.2 版本為例，包含組件l2gen、l2bin、l3bin、l2mapgen、l3mapgen、smigen 等，第三方插件hdf5、levmar、jpeg、lapack等。

本文以CentOS7 系統(tǒng)為例，詳細(xì)說(shuō)明系統(tǒng)搭建所需環(huán)境配置，對(duì)于OCSSW 處理包則需要Python3.6 及以上版本。OffLine-COCPS 編譯所需的步驟可參考https：//oceancolor.gsfc.nasa.gov/docs/ocssw［2021-10-10］說(shuō)明，根據(jù)使用到的組件，這里主要以l2gen 為例，其功能為實(shí)現(xiàn)L1B 數(shù)據(jù)到L2 數(shù)據(jù)的處理，分別在頭文件中增加HY-1C 傳感器的定義以及在原有源文件中新增及修改部分代碼，HY-1D 的添加方式同HY-1C；最后編譯生成可執(zhí)行程序供命令行或第三方調(diào)用，該程序既可分別對(duì)應(yīng)識(shí)別HY-1C/D 的COCTS 傳感器，也可支持原有SeaWiFS 傳感器，可供驗(yàn)證程序修改正確性。該模式除了支持增加新的傳感器，同樣也支持新的算法植入及生產(chǎn)新的水色要素產(chǎn)品，其方法同上。

2.4 COCPS處理流程

OffLine-COCPS 將以上L1B 數(shù)據(jù)和相應(yīng)的輔助配置文件作為輸入，包括考慮COCTS 波段特性，采用基于逐次散射法開(kāi)發(fā)的矢量海氣耦合的輻射傳輸模型自主生成的HY-1C/1D 專用的瑞利、氣溶膠、大氣漫射透過(guò)率查找表，調(diào)用Gordon 和Wang（1994）以及Bailey 等（2010）的大氣校正算法對(duì)可見(jiàn)光波段進(jìn)行大氣校正，得出海面遙感反射率（Rrs）；其中氣溶膠查找表的生成方式基于Ahmad等（2010）。進(jìn)而根據(jù)水色要素反演算法得出期望的水色要素產(chǎn)品。

3 原 理

3.1 大氣校正

通常將從水色遙感傳感器接收到的總輻射中扣除大氣的貢獻(xiàn)和影響，得到攜帶水體性質(zhì)的海面向上的出射輻亮度這一過(guò)程稱為大氣校正。典型情況下，水色遙感器接收總輻射的80%左右來(lái)自大氣層散射和海洋表面的反射，而真正攜帶海洋水色信息的離水輻射只占其中很小的一部分。大氣校正算法的過(guò)程就是準(zhǔn)確地剔除大氣影響，進(jìn)而根據(jù)光輻射與水體中物質(zhì)含量之間的經(jīng)驗(yàn)或理論關(guān)系，推導(dǎo)出水體中物質(zhì)含量的信息。

處理過(guò)程中，為了剔除太陽(yáng)輻射變化的貢獻(xiàn)，通常以天頂?shù)姆瓷渎蕿檩斎腴_(kāi)始計(jì)算。該反射率（ρ）通常定義為

式中，Lt為進(jìn)入衛(wèi)星傳感器的輻亮度，F(xiàn)0為大氣頂端的太陽(yáng)輻照度，θ0為太陽(yáng)天頂角。在此基礎(chǔ)上，傳感器在某一波長(zhǎng)λ 接收的ρ可表達(dá)為（Gordon 和Wang（1994））

式中，ρr代表大氣分子瑞利散射反射率，ρa(bǔ)代表氣溶膠散射反射率，ρcoupl代表太陽(yáng)耀斑、分子散射和氣溶膠散射之間多次散射的反射率，ρg代表太陽(yáng)直射反射率。ρw代表離水輻射的反射率，toz為臭氧漫透射率，T為大氣直射透射率，t為目標(biāo)到傳感器的透射率，t0為太陽(yáng)到目標(biāo)的透射率。其中ρw（=πRrs，Rrs表示水面之上離水輻亮度與水面之上下行輻照度的比值）則是需要從衛(wèi)星測(cè)量中獲取的有關(guān)水體信息的表觀光學(xué)量。以下分別對(duì)各個(gè)分量的計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：

大氣分子瑞利散射反射率：首先，利用矢量輻射傳輸模型提前生成COCTS 的專用瑞利查找表，其目的是在保證計(jì)算精度的前提下，盡可能提高計(jì)算效率。查找表計(jì)算中假設(shè)大氣為一層結(jié)構(gòu)（海洋部分無(wú)散射），由純大氣分子組成，其光學(xué)厚度為傳感器各波段等效瑞利散射光學(xué)厚度（Bodhaine 等，1999），單次散射反照率為1，退偏系數(shù)跟波段相關(guān)（Bates，1984）。查找表中太陽(yáng)天頂角變化范圍為0°—88°，變化步長(zhǎng)為2°（45 個(gè)角度）；傳感器天頂角為勒讓德多項(xiàng)式在（0，1）區(qū)間上的零點(diǎn)，變化范圍大致為0°—84.3°，變化步長(zhǎng)大約為2°（41個(gè)角度）；風(fēng)速變化范圍為0—25 m/s，變化步長(zhǎng)為2.5 m/s（11 個(gè)），考慮陰影效應(yīng)（Cox和Munk，1954；Mishchenko 和Travis，1997）。查找表中存儲(chǔ)了Stokes矢量對(duì)相對(duì)方位角傅立葉展開(kāi)的3 個(gè)系數(shù)。方位在COCTS 輸入的觀測(cè)幾何和海表風(fēng)速條件下，利用COCTS 瑞利散射查找表插值出給定太陽(yáng)方位角、觀測(cè)方位角、相對(duì)方位角和海表風(fēng)速下的瑞利反射率系數(shù)；其次，根據(jù)地球表面的大氣壓P對(duì)瑞利光學(xué)厚度進(jìn)行校正；最后利用瑞利散射系數(shù)和瑞利光學(xué)厚度計(jì)算出大氣分子瑞利散射反射率數(shù)值。

氣溶膠散射反射率：采用Ahmad 等（2010）分析AERONET 中3 個(gè)渾濁近岸站點(diǎn)和8 個(gè)清澈海洋站點(diǎn)的多年長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，模擬出的包括8種相對(duì)濕度和10種細(xì)模態(tài)體積濃度分?jǐn)?shù)下共80組非吸收性和弱吸收性氣溶膠模型，利用Mie散射模型（Mishchenko 等，2002）計(jì)算氣溶膠單次散射反照率及散射相矩陣，進(jìn)一步通過(guò)矢量輻射傳輸模擬構(gòu)建包括氣溶膠單次散射反射率和氣溶膠反射率單多次變換系數(shù)的查找表；查找表計(jì)算中假設(shè)大氣為兩層結(jié)構(gòu)（海洋部分無(wú)散射），上層為大氣分子（計(jì)算方式同瑞利散射查找表），下層為氣溶膠，假定為平靜水面（風(fēng)速效應(yīng)在瑞利散射查找表中考慮）。查找表中太陽(yáng)天頂角變化范圍為0°—80°，變化步長(zhǎng)為2.5°（33個(gè)角度）；傳感器天頂角為勒讓德多項(xiàng)式在（0，1）區(qū)間上的零點(diǎn)，變化范圍大致為0°—76°，變化步長(zhǎng)大約為2°（35 個(gè)角度）；相對(duì)方位角為0°—180°，變化步長(zhǎng)為10°（19 個(gè)角度）；氣溶膠光學(xué)厚度分別為0.01、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.4、0.5和0.7（10種）。查找表中存儲(chǔ)不同氣溶膠模式、太陽(yáng)天頂角、傳感器天頂角及相對(duì)方位角條件下，氣溶膠多次散射反射率（包含氣溶膠與分子相互作用部分）與單次散射反射率擬合二次多項(xiàng)式的3 個(gè)系數(shù)（Gordon 和Wang，1994）?；贕ordon 和Wang（1994）提出近紅外波段離水輻射率為零的暗像元假設(shè)理論，在考慮相對(duì)濕度和氣溶膠模型權(quán)重影響下，應(yīng)用于氣溶膠校正（Bailey等，2010）。

太陽(yáng)直射反射率：根據(jù)Cox 和Munk（1954）的計(jì)算方法，在給定太陽(yáng)方位角、衛(wèi)星觀測(cè)角和相對(duì)方位角，海面風(fēng)速的情況下，在有輕微太陽(yáng)耀斑的影響下，可計(jì)算出太陽(yáng)直射反射率。

大氣漫射透過(guò)率：利用矢量輻射傳輸模型計(jì)算不同天頂角、水面風(fēng)速、以及氣溶膠模式、光學(xué)厚度組合情況下大氣漫射透過(guò)率查找表。查找表計(jì)算中假設(shè)大氣為兩層結(jié)構(gòu)，上層為大氣分子（計(jì)算方式同瑞利散射查找表），下層為氣溶膠，假定為平靜水面（風(fēng)速效應(yīng)在瑞利散射查找表中考慮），海洋部分為純吸收一層結(jié)構(gòu)，假定了一個(gè)單位強(qiáng)度各向同性上行輻射（Yang 和Gordon，1997）。查找表中天頂角變化范圍為0°—80°，變化步長(zhǎng)為2.5°（33 個(gè)角度）；氣溶膠模式及光學(xué)厚度與氣溶膠查找表一致。查找表中存儲(chǔ)不同條件下的大氣漫射透過(guò)率。

考慮到暗像元假設(shè)成立的條件及不同傳感器波段配置，系統(tǒng)中預(yù)留了不同的氣溶膠反射率計(jì)算模式可供選擇，用戶可根據(jù)傳感器及感興趣反演區(qū)域選擇性地使用對(duì)應(yīng)計(jì)算模式，具體可見(jiàn)Wang 和Shi（2007），Vanhellemont 和Ruddick（2015）。

3.2 葉綠素與透明度反演

OCSSW 科學(xué)處理包中l(wèi)2gen組件集成了多種水色要素產(chǎn)品及多種反演算法，用戶可根據(jù)需求采用備用算法，可在配置文件中指定或程序調(diào)用時(shí)在參數(shù)中指定。若沒(méi)有指定，水色要素產(chǎn)品大部分算法采用l2gen 組件中默認(rèn)自帶的算法，如葉綠素-a（Chlora），可根據(jù)需要調(diào)用OCX（O’Reilly 等（1998））、OCI（Hu 等（2012））或其他已經(jīng)提出并開(kāi)發(fā)完成的模塊。OCI算法是將經(jīng)驗(yàn)波段比值OCX 算法和基于波段差值的CI 算法相結(jié)合，其中CI 算法主要應(yīng)用于開(kāi)闊大洋的清潔水體中，OCX算法主要應(yīng)用于近岸和內(nèi)陸水體，二者過(guò)渡區(qū)域采用CI 和OCX 相結(jié)合的線性插值方法。系統(tǒng)根據(jù)COCTS 的波段設(shè)置自動(dòng)將Rrs插值到反演算法所需的波段上，其中的反演系數(shù)用戶可根據(jù)需要在配置文件中進(jìn)行調(diào)整。此外，如上所述，系統(tǒng)可增加自定義反演算法。比如，本文根據(jù)Lee 等（2015）提出的新的透明度算法（Zsd），將透明度和水體漫衰減系數(shù)相關(guān)聯(lián)，將其算法植入重新編譯后的l2gen中。該算法的核心在于，基于輻射傳輸和人眼目標(biāo)探測(cè)原理，簡(jiǎn)化后的Zsd可表達(dá)為

式中，Kdtr為漫衰減系數(shù)Kd在可見(jiàn)光波段（400—700 nm）之間的最小值，為對(duì)應(yīng)的遙感反射比。Kd可由Lee 等（2005）提出的半分析算法從Rrs 遙感反射比中反演得出。

4 結(jié)果與討論

首先，針對(duì)遙感反射比產(chǎn)品做出評(píng)價(jià)，將NASA 官方提供的MODIS 衛(wèi)星9 km 各波段Rrs產(chǎn)品作為參考產(chǎn)品，與VIIRS對(duì)應(yīng)波段進(jìn)行比較，驗(yàn)證作為參考產(chǎn)品的準(zhǔn)確度，比較結(jié)果如圖3 所示?？梢钥闯鯩ODIS 載荷生成的產(chǎn)品保持較好的穩(wěn)定性，各波段的散點(diǎn)圖均勻地分布在1∶1 線兩側(cè)，相關(guān)性均達(dá)到0.9以上，考慮到MODIS波段配置與HY-1C/1D相近，本文選取MODIS產(chǎn)品作為參考產(chǎn)品，對(duì)反演生成的HY-1C/D產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖3 2020年12月8日VIIRS與MODIS反演全球各波段遙感反射比比較散點(diǎn)頻數(shù)圖Fig.3 Comparison between VIIRS and MODIS global ocean Rrs for December 8，2020

利用以上系統(tǒng)，參照SeaWiFS、MODIS等衛(wèi)星的L2 級(jí)別數(shù)據(jù)，輸出HY-1C/D 的L2 級(jí)nc 文件，大氣校正后的遙感反射比產(chǎn)品及水色要素產(chǎn)品均存儲(chǔ)在Geophysical Data 屬性組中。統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到的2020年12月8日HY-1D的遙感反射比（Rrs）產(chǎn)品和同期MODIS 衛(wèi)星9 km 的各波段Rrs 產(chǎn)品進(jìn)行比較，結(jié)果如以下散點(diǎn)圖所示。412 nm 波段和443 nm 波段的Rrs 高密度線性分布在1∶1 線上，表明整個(gè)波段的空間分布趨勢(shì)與MODIS獲得的分布基本一致，進(jìn)一步說(shuō)明利用自主生成的HY-1C/D大氣校正相關(guān)查找表基本滿足了在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用，而490 nm，520 nm，565 nm，670 nm 波段散點(diǎn)對(duì)比結(jié)果略低于412 nm 波段和443 nm 波段，這一方面可能與兩個(gè)傳感器在這些波段設(shè)置的偏差有關(guān)，另一方面在紅光波段Rrs值本身就低，輕微的誤差就容易引起整個(gè)散點(diǎn)圖偏離1∶1 線。這與Chen 等（2021）得到的結(jié)果一致，在490 nm，520 nm，565 nm，670 nm 波段上整體的離散度和不確定度要高于412 nm波段和443 nm波段。

圖4 2020年12月8日HY-1D衛(wèi)星COCTS與MODIS反演全球各波段遙感反射比比較散點(diǎn)頻數(shù)圖Fig.4 Comparison between HY-1D COCTS and MODIS global ocean Rrs for December 8，2020

其次，利用葉綠素和透明度反演算法，繪制2019年9月8日1 點(diǎn)55 分（UTC 時(shí)間）HY1C 拍攝到的澳大利亞西北沿岸的葉綠素和水體透明度產(chǎn)品。整體分布情況如圖5、圖6 所示，整體分布趨勢(shì)合理，表明調(diào)用系統(tǒng)原有葉綠素算法抑或是重新植入的透明度算法，均可滿足生產(chǎn)需求。

圖5 HY-1C衛(wèi)星COCTS 2級(jí)產(chǎn)品葉綠素-a分布圖Fig.5 HY-1C COCTS level-2 chlorophyll-a product map

圖6 HY-1C衛(wèi)星COCTS水體透明度產(chǎn)品分布圖Fig.6 HY-1C COCTS Secchi disk depth product map

基于2 級(jí)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)識(shí)，進(jìn)一步對(duì)2 級(jí)產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和投影分析，得到9 km 分辨率的單日全球分布圖；圖7、圖8 分別展示HY-1C 載荷COCTS的2019年9月8日和HY1D 載荷COCTS 的2020年12月8日的單天葉綠素產(chǎn)品分布圖。

圖7 2019年9月8日HY-1C衛(wèi)星COCTS反演全球海洋葉綠素-a產(chǎn)品圖Fig.7 HY-1C COCTS global chlorophyll-a product map for September 8，2019

圖8 2020年12月8日HY-1D衛(wèi)星COCTS反演全球海洋葉綠素a產(chǎn)品圖Fig.8 HY-1D COCTS global chlorophyll-a product map for December 8，2020

將HY-1D與同一日期的MODIS對(duì)應(yīng)9 km葉綠素-a 產(chǎn)品對(duì)比，可得如下結(jié)果，采用最小二乘法得到擬合方程式，可以看出散點(diǎn)整體分布在1∶1左右，顏色越深表示該處散點(diǎn)越密集，且高密度散點(diǎn)線性分布在1∶1 線上，說(shuō)明反演得到的HY-1D 葉綠素結(jié)果同MODIS的整體空間分布趨勢(shì)基本一致。但HY-1D 的結(jié)果略偏高于MODIS 結(jié)果，這可能與大氣校正后得到的Rrs 遙感反射比存在偏差有關(guān)，也與葉綠素反演算法中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)有關(guān)。本文主要闡述系統(tǒng)建立過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)，旨在提升國(guó)產(chǎn)海洋水色衛(wèi)星數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用，大氣校正后得到的遙感反射比和反演產(chǎn)品精度的提升，不在本文研究范圍內(nèi)，后續(xù)研究中可進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度進(jìn)行深入探究。

圖9 2020年12月8日HY1D衛(wèi)星COCTS與MODIS全球海洋葉綠素-a比較散點(diǎn)圖Fig.9 Comparison between HY1D COCTS and MODIS global ocean chlorophyll-a product for December 8，2020

5 結(jié) 論

基于SeaDAS 的科學(xué)處理包框架OCSSW 開(kāi)發(fā)的OffLine-COCPS，不僅保留對(duì)原有傳感器的處理功能，同時(shí)增加了對(duì)國(guó)產(chǎn)水色衛(wèi)星HY1C/1D 載荷COCTS 的支持，此外支持水色反演要素產(chǎn)品（如透明度）的定制開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了多星傳感器在一套系統(tǒng)下的集成，并兼容原有多種大氣校正方法及水色要素反演模塊，保持程序使用的靈活性。基于此框架，研究人員可擴(kuò)展到對(duì)應(yīng)的國(guó)產(chǎn)水色衛(wèi)星處理系統(tǒng)，不僅限于HY-1C/1D 的COCTS 水色水溫儀傳感器，為后續(xù)研究提供便利。通過(guò)此平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)算法和傳感器的集成；同時(shí)，開(kāi)源代碼也可使用戶在使用過(guò)程中更方便提出建議，本研究?jī)H對(duì)水色要素反演算法進(jìn)行擴(kuò)展，后續(xù)亦可根據(jù)需要對(duì)大氣校正算法進(jìn)行開(kāi)發(fā)，如加入光譜優(yōu)化算法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。關(guān)于產(chǎn)品的精度分析，涉及到輻射定標(biāo)、大氣校正、算法反演等諸多方面，后續(xù)可針對(duì)具體問(wèn)題，對(duì)產(chǎn)品精度做進(jìn)一步分析與提升。

志 謝感謝國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心提供開(kāi)放HY-1C/1D 數(shù)據(jù)，SeaDAS 數(shù)據(jù)處理框架來(lái)自https：//seadas.gsfc.nasa.gov/installers/［2021-11-04］。