地球同步海洋水色成像仪(GOCI)及GOCI数据处理系统(GDPS)概述外文翻译资料

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地球同步海洋水色成像仪(GOCI)及GOCI数据处理系统(GDPS)概述

Joo-Hyung Ryu*，Hee-Jeong Han，Seongick Cho，Young-Je Park和Yu-Hwan Ahn

韩国海洋卫星中心，KIOST，Ansan P.O.Box 29，首尔 425-600，韩国

2012年7月30日收到；2012年8月12日修订；2012年9月14日接收

copy;KSO，KIOST和施普林格 2012

摘要——GOCI作为世界上第一个地球同步海洋水色卫星，图像的空间分辨率达500米，一天观测8次，每次相隔一小时，且允许观察东北亚地区的短期变化。GOCI数据处理系统(GDPS)是面向GOCI的一种专门的数据处理软件，用于各种产品的实时生成。本文介绍了GOCI的特点和GDPS的工作流程及产品，从而实现GOCI的高效利用。为了提供高质量的图像和数据，必须通过连续的Cal/Val来改进大气校正和数据分析算法。GOCI-II将于2018年前研制完成，以促进对地球同步海洋水色卫星的深入研究。

关键词——地球同步海洋水色成像仪(GOCI)，传感器设计，操作，GOCI数据处理系统(GDPS)

1. 介绍

自从1978年第一颗海洋水色卫星——搭载“海岸带彩色扫描仪”(CZCS) (Hovis et al. 1980)发射以来，各种海洋彩色传感器已被用来观察物理海洋变化和海洋生态系统(Loisel et al. 2002;Gregg et al.2005;Behrenfeld et al. 2006;McClain 2009;Morel et al. 2010)。这些传感器能够观察全球范围内海洋现象的季节或年度变化。

海洋水色卫星数据主要有三种应用(Yoder 1999)。1)基于全球范围内浮游植物的消耗量，可以量化碳通量，从而确定长期气候变化的原因。2)它可以提供海洋生态系统与物质混合层之间的关系。这两个应用程序需要在全球范围内进行分析，而第三个应用程序需要考虑区域特征。3)对渔业和一般海岸带的科学分析和管理有一定的帮助。为了在考虑区域特性的同时观察海岸带和海洋的短期变化，我们需要一个空间分辨率为100-500米、间隔数小时的海洋水色传感器(Morel 1998;Ahn 1999;Ahn 2003)。这导致了地球同步海洋水色成像仪(GOCI)的发展，它能够每小时产生一幅图像。GOCI作为世界上第一颗地球同步海洋水色卫星，旨在监测朝鲜半岛附近东北亚海域的短期和微小变化，如赤潮的形成和消退、悬浮颗粒物质和低盐度水的扩散以及潮汐运动(Kang et al. 2004)。

GOCI支持500米的空间分辨率，是极地轨道器的50倍。大气校正和海洋分析算法也已得到相应的发展，这些为GOCI优化的算法在GOCI数据处理系统(GDPS)的软件模块中得以实现(Han et al. 2010)。在现有的极地轨道海洋水色卫星中，海洋观测宽视场传感器(SeaWiFS) (McClain et al. 2004),中分辨率成像光谱仪(MODIS) (Salomonson et al. 1990;Esaias et al.1998)(SeaDAS (Fu et al. 1998;(Baith et al. 2001))和中分辨率成像光谱仪(MERIS)(Rast et al. 1999) (BEAM(Fomferra and Brockmann 2005))是仅有的为普通用户提供图像处理软件的仪器。GDPS的区别在于，它具有实时数据处理功能和基于windows的直观用户界面和动画功能，便于查看连续变化。因此，它可以为一般用户提供更高效的数据处理和分析。目前，该软件正与其他GOCI产品一起在线向公众发布。本文的目的是通过培养对基于GOCI特征和GDPS的数据处理和产品的理解，最大限度地利用GOCI。本文由以下几部分组成，在第2节中，我们介绍了现有的海洋水色传感器和软件，并探讨了极地轨道卫星和地球同步卫星的区别；在第3节中，我们描述了GOCI传感器的特性，包括需求、设计和操作；第4节则讨论了GDPS工作流程中产生的产品，并在结论中进行了总结。

2. 海洋水色传感器和数据处理软件概述

海洋水色传感器

由美国国家航空航天局(NASA)开发的世界上第一个海洋水色传感器CZCS证明，卫星可以用来绘制水中叶绿素浓度的地图。SeaWiFS是在1997年CZCS完成任务后发射的，与最活跃的Cal/Val有关 (Hooker和McClain 2000)。SeaDAS则首次作为最终用户分析软件被引入。在1999年和2002年开发的MODIS-EOS AM和MODIS-EOS PM能够同时观测海洋水色和海表温度。这些传感器旨在通过获取海洋水色时间系列数据来分析长期变化。

法国国家空间研究中心(CNES)在1996年首次开发了地球反射率的偏振性和方向性(POLDER) (Deschamps et al. 1994)，6年后又开发了POLDER-II，3年后又开发了POLDER-III(Fougnie et al. 2007)。MERIS于2002年发射升空，成功地执行了欧洲航天局(ESA)的海洋水色任务。这种仪器的优点之一，是在短短三天内提供了空间分辨率不到300米的全球范围的海洋观测(Morel 1998)。

由日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)开发的海洋水色和温度扫描仪(OCTS) (Kawamura et al. 1998)和全球成像仪(GLI) (Nakajima et al. 1998)分别于1996年和2002年发射。OCTS是第一个进行海洋水色和海面温度(SST)观测的传感器，并在其10个月的运行期间提供了宝贵的数据(Kawamura et al. 1998)。GLI是OCTS的后续产品，它可以利用可见光到热红外光谱范围内的36个通道来观察海洋水色和海表温度(Sakaida et al. 2006)。其他传感器则包括印度在1999年推出的海洋颜色监视器(OCM) (Chauhan et al. 2002)，以及中国在2002年和2007年推出的海洋水色和温度扫描仪(COCTS) (Pan et al. 2004;Huang et al. 2008)。

上述传感器(不包括GOCI)均是太阳同步极轨卫星，具有恒定的太阳入射角。这些卫星可以进行全球范围的海洋观测，但在观察某一特定点的持续变化方面受到限制。为了观察海洋的持续变化，我们需要一种海洋水色传感器，可以根据每小时在地球静止轨道上的观测，跟踪浮游植物生长的每日变化，GOCI应运而生。

表1. 海洋水色传感器(* 2012年7月1日KORDI重组至KIOST)

极地轨道传感器和地球静止轨道传感器的比较

基于卫星的海洋水色传感器可以分为极地轨道传感器(OC-POL)和地球同步传感器(OC-GEO)。表2比较了两种传感器的特点。

OCO-POL位于高度700至800公里处，OC-GEO距此50倍，海拔35857公里。OCO-POL在包括北极和南极的路径上运行时进行观测，而OC-GEO在以与地球自转相同的速度运行时观测相同的区域。因此，OCO-POL可以进行1轴扫描，但不能进行二维星形帧捕获。OC-GEO则提供了这两个功能。OCO-POL的时间分辨率是几天，OC-GEO的时间分辨率是几个小时(Yoder 1999)。

由于OC-POL位于太阳同步轨道，所以对它来讲太阳的位置是固定的，但是传感器的视角是可变的。通过双向反射分布函数(BRDF)校正(Morel and Gentili 1991;Morel and Gentili 1993;Morel and Gentili 1996)。海洋水色传感器的BRDF校正是提高OC-POL和OC-GEO海洋信号可靠性的重要手段。然而，为了校正一天中太阳入射角度的大幅变化，可能需要更加精确的太阳散射系数，而GOCI可以显示太阳入射角BRDF校正后水体的日变化。

在观测面积上，OC-POL观测的是全球范围内海洋的长期变化，而OC-GEO观测的是区域内的短期和微小变化。OC-POL需要一种通用的海洋水色分析算法，而OC-GEO需要一种能够反映区域海洋特征的专用算法。

GOCI选用了地球静止轨道，以便于监测朝鲜半岛周围东北亚水域的短期变化，例如赤潮的形成和衰减、潮汐运动以及海洋灾害。

表2. OC-POL与OC-GEO的比较

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