高分五號(hào)衛(wèi)星在軌測(cè)試生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用

文|趙少華 劉思含 周春艷 趙煥 付卓 曹飛

生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心/國(guó)家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

高分五號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)首顆光譜分辨率最高、定量化要求最高、探測(cè)手段最多的高光譜綜合觀測(cè)衛(wèi)星，是我國(guó)高光譜衛(wèi)星遙感發(fā)展的里程碑，是實(shí)現(xiàn)國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)能力的重要標(biāo)志。

高分五號(hào)衛(wèi)星于2018年5月9日成功發(fā)射，在國(guó)防科工局的指導(dǎo)下和自然資源部、中國(guó)氣象局等部門的支持下，生態(tài)環(huán)境部牽頭組織開展為期9個(gè)月的衛(wèi)星工程在軌測(cè)試，完成了衛(wèi)星載荷、地面系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)的測(cè)試工作。2019年2月22日，衛(wèi)星工程在軌測(cè)試順利通過總結(jié)評(píng)審，結(jié)果表明衛(wèi)星狀態(tài)良好，各項(xiàng)指標(biāo)滿足衛(wèi)星工程研制總要求。2019年3月21日，高分五號(hào)衛(wèi)星在軌投入使用。

作為高分五號(hào)衛(wèi)星的牽頭用戶，生態(tài)環(huán)境部在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域重點(diǎn)組織開展了大氣環(huán)境、水環(huán)境和生態(tài)保護(hù)遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用測(cè)試，通過與其他衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，評(píng)判各有效載荷數(shù)據(jù)在生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作中的應(yīng)用能力。

一、高分五號(hào)衛(wèi)星的特點(diǎn)

高分五號(hào)衛(wèi)星是高光譜觀測(cè)衛(wèi)星，高光譜遙感技術(shù)在環(huán)境保護(hù)工作中具有廣泛的應(yīng)用[1]。高分五號(hào)的使用填補(bǔ)了國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星無法有效探測(cè)區(qū)域大氣污染氣體的空白，通過對(duì)大氣污染氣體、溫室氣體、氣溶膠等物理要素的監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)反映中國(guó)大氣污染狀況[2]。高分五號(hào)衛(wèi)星正式交付對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)大氣氣溶膠、細(xì)顆粒物、二氧化氮、二氧化硫、臭氧等污染狀況，打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)具有重要意義。同時(shí)，可為我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化及溫室氣體減排工作提供可靠的二氧化碳、甲烷等遙感數(shù)據(jù)支撐。此外，在葉綠素、懸浮物、透明度、水溫、藍(lán)藻水華、海冰等水環(huán)境監(jiān)測(cè)，和植被覆蓋、礦產(chǎn)開發(fā)、自然保護(hù)區(qū)等生態(tài)狀況監(jiān)測(cè)方面也可發(fā)揮重要作用[3]。

高分五號(hào)衛(wèi)星搭載了一系列環(huán)境應(yīng)用特色高光譜載荷，包括可見短波紅外高光譜相機(jī)、全譜段光譜成像探測(cè)儀、痕量氣體差分吸收光譜儀、大氣主要溫室氣體探測(cè)儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測(cè)儀、大氣環(huán)境紅外甚高分辨率探測(cè)儀6臺(tái)遙感載荷，這些載荷指標(biāo)比較先進(jìn)，其突出的特色是納米級(jí)高光譜分辨率。4臺(tái)大氣載荷具備了大幅寬、高光譜分辨率以及偏振探測(cè)的能力，可以有效探測(cè)污染氣體、溫室氣體?？梢姸滩t外高光譜相機(jī)、全譜段光譜成像探測(cè)儀能夠有效補(bǔ)充我國(guó)水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)以及環(huán)境監(jiān)管領(lǐng)域遙感應(yīng)用中高光譜數(shù)據(jù)、高分辨率紅外數(shù)據(jù)的缺乏[4]。

二、大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用測(cè)試

1.污染氣體遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用測(cè)試

利用高分五號(hào)衛(wèi)星大氣痕量氣體差分吸收光譜儀（EMI）數(shù)據(jù)，采用DOAS反演方法，實(shí)現(xiàn)O3、NO2等產(chǎn)品遙感反演，并與其他相似傳感器（OMI等）的污染氣體產(chǎn)品進(jìn)行比較分析，評(píng)判EMI數(shù)據(jù)在污染氣體反演方面的應(yīng)用能力。其中，利用在軌測(cè)試成果為上海中國(guó)國(guó)際進(jìn)口博覽會(huì)空氣環(huán)境質(zhì)量保障提供了技術(shù)支撐。利用EMI載荷觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取了中國(guó)區(qū)域的O3、NO2柱濃度分布。通過與同類載荷OMI的產(chǎn)品進(jìn)行交叉比對(duì)發(fā)現(xiàn)EMI有較高的O3、NO2反演精度，表明EMI載荷具備監(jiān)測(cè)污染氣體的能力。

2.溫室氣體遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用測(cè)試

利用高分五號(hào)衛(wèi)星大氣主要溫室氣體監(jiān)測(cè)儀（GMI）數(shù)據(jù)，采用定量反演模型，實(shí)現(xiàn)CO2、CH4等產(chǎn)品遙感反演，并與其他相似傳感器（GOSAT等）的溫室氣體產(chǎn)品進(jìn)行比較分析，評(píng)判GMI數(shù)據(jù)在溫室氣體反演方面的應(yīng)用能力。利用GMI載荷觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取了全球CO2、CH4柱濃度分布，圖1和圖2可清晰反映CO2、CH4空間分布特點(diǎn)和波動(dòng)趨勢(shì)，該月南半球CO2濃度高于北半球，該月低緯度CH4濃度高于高緯度的空間分布，整體分布趨勢(shì)與國(guó)外同類衛(wèi)星GOSAT監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。通過與同類載荷GOSAT的產(chǎn)品進(jìn)行交叉比對(duì)發(fā)現(xiàn)，GMI有較高的CO2、CH4反演精度，表明GMI載荷具備監(jiān)測(cè)溫室氣體的能力。

圖2 GMI數(shù)據(jù)反演全球CH4濃度分布圖（2018年8月）

3.氣溶膠遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用測(cè)試

利用高分五號(hào)衛(wèi)星大氣氣溶膠多角度偏振探測(cè)儀（DPC）數(shù)據(jù)，采用多角度偏振算法，利用DPC數(shù)據(jù)偏振信息去除地表反射影響，反演氣溶膠光學(xué)厚度（AOD），并與其他相似傳感器（MODIS等）的AOD產(chǎn)品進(jìn)行比較分析，評(píng)判DPC數(shù)據(jù)在氣溶膠反演方面的應(yīng)用能力。通過分析京津冀區(qū)域的AOD產(chǎn)品，并與MODIS的反演產(chǎn)品進(jìn)行比對(duì)和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)DPC與MODIS的氣溶膠光學(xué)厚度反演產(chǎn)品分布及趨勢(shì)一致，能清晰反映AOD的時(shí)空分布變化，可為空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供重要的數(shù)據(jù)支撐，表明DPC具備監(jiān)測(cè)氣溶膠的能力（圖3）。

圖3 DPC數(shù)據(jù)反演京津冀及周邊區(qū)域AOD分布圖（2018年12月）

三、水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用測(cè)試

1.水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用測(cè)試

利用高分五號(hào)衛(wèi)星可見短波紅外高光譜相機(jī)（AHSI）和全譜段光譜成像儀（VIMI）數(shù)據(jù)，采用水質(zhì)反演模型，反演河北唐山潘家口水庫(kù)葉綠素、懸浮物、透明度和富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)參數(shù)（圖4），并與其他相似傳感器（Landsat 8/OLI等）的水質(zhì)產(chǎn)品進(jìn)行比較分析，評(píng)判這兩個(gè)載荷數(shù)據(jù)在水質(zhì)反演方面的應(yīng)用能力。由于同步的地面試驗(yàn)和同類衛(wèi)星影像難于獲取，所以采用與高分五號(hào)衛(wèi)星過境時(shí)間最鄰近一周的國(guó)外衛(wèi)星影像監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)載荷的水質(zhì)反演產(chǎn)品與國(guó)外衛(wèi)星的結(jié)果分布及趨勢(shì)一致，能夠清晰準(zhǔn)確反映水質(zhì)的時(shí)空分布變化，表明這兩個(gè)載荷具備監(jiān)測(cè)水質(zhì)的能力。

圖4 VIMI數(shù)據(jù)反演潘家口水庫(kù)上游水質(zhì)參數(shù)分布圖 （2018年9月4日）

2.溫排水遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用測(cè)試

高分五號(hào)衛(wèi)星全譜段光譜成像儀（VIMI）熱紅外數(shù)據(jù)可監(jiān)測(cè)河湖、近海水域的工廠、港口、核電廠等溫排水、水體熱污染排放情況。圖5為其在某核電廠附近溫排水強(qiáng)度遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果，長(zhǎng)波紅外譜段空間分辨率為40m，可清晰顯示各級(jí)溫升（溫度升高）擴(kuò)散范圍，表明VIMI具備監(jiān)測(cè)核電廠溫排水的能力。

圖5 VIMI數(shù)據(jù)反演某核電廠區(qū)域水溫 （左）和溫升（右）分布圖（2018年8月8日）

四、生態(tài)保護(hù)遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用測(cè)試

1.植被覆蓋度遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用測(cè)試

利用高分五號(hào)衛(wèi)星可見短波紅外高光譜相機(jī)（AHSI）和全譜段光譜成像儀數(shù)據(jù)（VIMI）數(shù)據(jù)，采用植被指數(shù)反演模型，對(duì)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的植被覆蓋情況進(jìn)行反演（圖6），并與其他衛(wèi)星的植被覆蓋度產(chǎn)品進(jìn)行比較分析，評(píng)判這兩個(gè)載荷數(shù)據(jù)在植被覆蓋度反演方面的應(yīng)用能力。由于同步的地面試驗(yàn)和同類高光譜衛(wèi)星影像難以獲取，所以采用多光譜的高分一號(hào)衛(wèi)星影像監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行佐證，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)載荷的植被覆蓋度反演產(chǎn)品與高分一號(hào)衛(wèi)星反演的結(jié)果分布及趨勢(shì)一致，能夠清晰準(zhǔn)確反映植被覆蓋的時(shí)空分布變化，表明這兩個(gè)載荷具備遙感監(jiān)測(cè)植被覆蓋度的應(yīng)用能力。

圖6 AHSI和VIMI數(shù)據(jù)反演植被覆蓋度分布圖（2018年9月）

2.生態(tài)系統(tǒng)分類遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用測(cè)試

利用高分五號(hào)衛(wèi)星可見短波紅外高光譜相機(jī)（AHSI），采用監(jiān)督分類方法，結(jié)合其他分類先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)承德局部區(qū)域的地物類型情況進(jìn)行分類（圖7），評(píng)判AHSI載荷數(shù)據(jù)在地物分類方面的應(yīng)用能力。從圖中可以看出，常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉灌木林等不同林地類型得到了有效區(qū)分，表明該載荷可實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的精細(xì)分類，具備良好的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)能力。

圖7 AHSI數(shù)據(jù)反演承德局部區(qū)域地物分類圖（2018年6月1日）

五、總結(jié)和展望

高分五號(hào)衛(wèi)星生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的在軌應(yīng)用測(cè)試，基本表明該衛(wèi)星可有效用于污染氣體、溫室氣體、氣溶膠、水體水質(zhì)、溫排水、植被覆蓋、生態(tài)系統(tǒng)分類等遙感監(jiān)測(cè)。但由于在軌測(cè)試時(shí)間較短，用于測(cè)試的有效數(shù)據(jù)還不多，特別是可見短波高光譜相機(jī)和全譜段光譜成像儀的過境時(shí)間長(zhǎng)，與地面試驗(yàn)的結(jié)合驗(yàn)證匱乏。衛(wèi)星投入使用后，將在更多區(qū)域、更長(zhǎng)時(shí)間序列開展更為客觀可靠的應(yīng)用評(píng)價(jià)。下一步，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，后續(xù)衛(wèi)星的載荷星上定標(biāo)、紅外器件輻射性能等研制水平的提高，生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用的反演研究也將進(jìn)一步加強(qiáng)。

作為我國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的重要一員，高分五號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)天地一體化生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警體系建設(shè)的重要組成部分，標(biāo)志著我國(guó)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)能力又上了一個(gè)新臺(tái)階，高分五號(hào)衛(wèi)星在軌測(cè)試工作的順利完成和交付使用，將在我國(guó)大氣環(huán)境、水環(huán)境、土壤環(huán)境和生態(tài)保護(hù)遙感監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要作用，為打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)提供有力支撐。