生態(tài)“天眼” 遙遠(yuǎn)守護(hù)

馮剛

近日，我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心用長征四號丙運(yùn)載火箭，成功將高分五號02星發(fā)射升空。衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。

據(jù)國家航天局相關(guān)人員介紹，這是生態(tài)環(huán)境部牽頭研制建設(shè)的首顆具備大氣和陸表環(huán)境綜合觀測能力的業(yè)務(wù)衛(wèi)星。

這顆衛(wèi)星將全面提升我國大氣、水體、陸地的高光譜觀測能力，滿足我國在環(huán)境綜合監(jiān)測等方面的迫切需求，為大氣環(huán)境監(jiān)測、水環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及環(huán)境監(jiān)管等環(huán)境保護(hù)主體業(yè)務(wù)提供國產(chǎn)高光譜數(shù)據(jù)保障。

高分五號02星也是我國生態(tài)環(huán)境“衛(wèi)星家族”的第6位成員，它也將和其他5名“兄弟姐妹”一起，為我國的生態(tài)環(huán)境保護(hù)事業(yè)貢獻(xiàn)力量。

多項載荷 功能強(qiáng)大

環(huán)境衛(wèi)星是我國繼氣象、海洋、資源衛(wèi)星系列之后發(fā)射的又一個新型民用衛(wèi)星系列，其影像數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后可以產(chǎn)生與Landsat TM圖像大致相同的效果。隨著我國衛(wèi)星傳感器技術(shù)的不斷改進(jìn)，衛(wèi)星影像的質(zhì)量將逐步提高，這將促進(jìn)該影像在生態(tài)監(jiān)測、災(zāi)害監(jiān)測中的廣泛應(yīng)用，從而推動我國遙感應(yīng)用事業(yè)的快速發(fā)展。

我國民用衛(wèi)星可分為四大體系——分別是氣象衛(wèi)星、資源衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星和環(huán)境衛(wèi)星。相比于其他系列，環(huán)境衛(wèi)星雖起步較晚，但發(fā)展較快。

自2008年環(huán)境一號A、B星成功發(fā)射，到2012年環(huán)境一號C星發(fā)射上天，標(biāo)志著我國的環(huán)境監(jiān)測有了“天眼”相助。隨后，2020年9月，環(huán)境二號A、B星一箭雙星發(fā)射成功，加上剛剛發(fā)射的高光譜觀測衛(wèi)星，生態(tài)環(huán)境“衛(wèi)星家族”如今已有6位“家庭成員”在軌服役。

據(jù)專家介紹，高光譜遙感是當(dāng)前遙感技術(shù)的前沿領(lǐng)域。地球上不同的元素及其化合物都有獨(dú)特的光譜特征，是識別和分析不同物體特征的一種重要“身份證”。

相比光學(xué)成像衛(wèi)星只能看到物質(zhì)的形狀、尺寸等信息，高光譜衛(wèi)星具備的光譜成像技術(shù)，可使光譜與圖像結(jié)合為一體，探測各類物質(zhì)的具體成分。

高光譜觀測衛(wèi)星采用上海航天技術(shù)研究院成熟的SAST3000衛(wèi)星平臺，運(yùn)行于太陽同步軌道上。衛(wèi)星共裝載了7臺探測儀器，覆蓋了從紫外到長波紅外譜段，融合了成像技術(shù)和高光譜探測技術(shù)，可實現(xiàn)空間信息、光譜信息和輻射信息的綜合觀測。

憑借4000余個高光譜遙感探測通道，高光譜觀測衛(wèi)星將實現(xiàn)從幾何形狀、彩色感知到光譜信息的拓展，為我國遙感觀測開啟新的視角。

早在1998年，國家相關(guān)部門便意識到為實現(xiàn)對我國生態(tài)破壞、環(huán)境污染進(jìn)行大范圍、全天候、全天時動態(tài)監(jiān)測，全面反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的過程和對趨勢進(jìn)行預(yù)測，必須要發(fā)展我國自己的環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)。因而原環(huán)境保護(hù)部（現(xiàn)生態(tài)環(huán)境部）與國家減災(zāi)委員會共同提出“環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星星座系統(tǒng)”建設(shè)方案，2002年原國防科工委正式將“環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星星座”命名為“環(huán)境一號衛(wèi)星”（代號HJ-1），并列入民用航天“十五”計劃和《中國航天白皮書》民用衛(wèi)星發(fā)展重點(diǎn)。

環(huán)境一號衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)的主要任務(wù)是利用我國自主小衛(wèi)星星座，形成對我國生態(tài)環(huán)境和災(zāi)害遙感監(jiān)測的能力，為我國環(huán)境保護(hù)與防災(zāi)減災(zāi)提供遙感信息與技術(shù)支撐，全面提高我國環(huán)境和災(zāi)害信息的獲取、處理和應(yīng)用的水平。

2021年9月11日，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院中國遙感衛(wèi)星地面站成功接收了高光譜觀測衛(wèi)星首次傳回的數(shù)據(jù)。先后兩次接收任務(wù)時長分別為10分15秒和8分24秒，數(shù)據(jù)容量共計117GB，所有數(shù)據(jù)均處理正常。

衛(wèi)星家族 齊心協(xié)力

據(jù)生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心衛(wèi)星發(fā)展研究所所長游代安介紹，衛(wèi)星的功能與其所搭載的探測儀器有著密切關(guān)系。比如環(huán)境二號A、B星，主要搭載了16米光學(xué)相機(jī)、紅外相機(jī)、高光譜成像儀和大氣校正儀，主要用于中、大尺度的地表生態(tài)環(huán)境、水生態(tài)環(huán)境和大氣環(huán)境等遙感監(jiān)測。

最新發(fā)射成功的高光譜觀測衛(wèi)星搭載的7臺探測儀器中，包括可見短波紅外高光譜相機(jī)、全譜段光譜成像儀、大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀等，可同時實現(xiàn)高光譜、全譜段、多角度、偏振等多種觀測數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用，支撐顆粒物、氣態(tài)污染物、溫室氣體等大氣環(huán)境要素遙感監(jiān)測，以及生態(tài)系統(tǒng)評估、生物多樣性監(jiān)測、水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)工作。

“簡單來說，此次發(fā)射的衛(wèi)星會看得更清晰，功能更強(qiáng)大，時間、空間范圍覆蓋更廣，觀測數(shù)據(jù)也更準(zhǔn)確。”游代安說，無論是秸稈焚燒、違規(guī)排放，還是地表破壞、海面溢油等環(huán)境問題，都逃不過衛(wèi)星的火眼金睛。

有人也會發(fā)出這樣的疑問，既然已經(jīng)有了5顆生態(tài)環(huán)境衛(wèi)星，那此次發(fā)射的衛(wèi)星意義何在，會不會功能重復(fù)呢？

游代安解釋說，每顆衛(wèi)星肩負(fù)的主任務(wù)都各不相同。比如，高光譜觀測衛(wèi)星搭載的5臺探測儀器是用于大氣環(huán)境監(jiān)測的，兩臺陸地觀測載荷可用于生態(tài)系統(tǒng)精細(xì)化分類、水質(zhì)參數(shù)反演、熱污染源探測等。而之前發(fā)射的環(huán)境二號A、B星在高光譜和紅外空間分辨率上，會略低于新的高光譜觀測衛(wèi)星，它們會被更多應(yīng)用于大范圍的自然生態(tài)、水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等。

“衛(wèi)星不怕多，在軌越多一方面可實現(xiàn)組網(wǎng)運(yùn)行，大幅提升數(shù)據(jù)獲取和覆蓋能力，提高重訪性能，另一方面不同衛(wèi)星也可以起到互補(bǔ)的作用?！庇未舱f。

生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心衛(wèi)星工程首席專家劉思含對此也解釋說：“一顆衛(wèi)星或多顆同類型衛(wèi)星不能監(jiān)測所有的環(huán)境問題，往往需要協(xié)同多顆衛(wèi)星，通過多要素、多手段、多尺度、多相位的多星多載荷協(xié)同應(yīng)用，支撐實現(xiàn)‘高精度、全方位、短同期’的生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測，構(gòu)建天地一體化生態(tài)環(huán)境立體監(jiān)測體系。這是生態(tài)環(huán)境部對衛(wèi)星遙感監(jiān)測提出的整體規(guī)劃?！?/p>

比如中分辨率大幅寬的衛(wèi)星數(shù)據(jù)適合開展大范圍快速巡查，發(fā)現(xiàn)疑似生態(tài)環(huán)境問題后，再利用高分辨率衛(wèi)星進(jìn)行精細(xì)化探測。

通過多星的協(xié)同使用，可以提高衛(wèi)星遙感在生態(tài)環(huán)境監(jiān)管方面主動發(fā)現(xiàn)問題的能力，支撐生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測從過去以事后查證為主向事后查證與主動發(fā)現(xiàn)并重轉(zhuǎn)變，提高多源衛(wèi)星的綜合應(yīng)用效能，助力深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)，這也是新時期生態(tài)環(huán)境管理對衛(wèi)星遙感應(yīng)用提出的新要求。

國際領(lǐng)先 服務(wù)未來

雖然衛(wèi)星的功能十分強(qiáng)大，但有人不免也產(chǎn)生這樣的擔(dān)心：這些“天眼”距離我們?nèi)绱诉b遠(yuǎn)，能將地面上的物體全部分辨清晰嗎？

對此，劉思含解釋說，衛(wèi)星數(shù)據(jù)其實是通過衛(wèi)星上的數(shù)傳天線，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫l(wèi)星地面接收站的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，再到數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)，經(jīng)輻射處理、幾何校正等處理流程后，生成1-2級初級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，最后再傳輸給應(yīng)用系統(tǒng)，用于生產(chǎn)高級專題和應(yīng)用產(chǎn)品。因而清晰度完全不用擔(dān)心。

生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心衛(wèi)星發(fā)展研究所工程師滕佳華也表示：地球上不同的元素及其化合物都有自己獨(dú)特的光譜特征，光譜因此被視為辨別物質(zhì)的“指紋”，是用來分析不同物體特征重要的“身份證”。高光譜相機(jī)，能夠更精細(xì)地探測地表物體的光譜特性，識別物體的特征。

不僅如此，高光譜觀測衛(wèi)星上搭載的全譜段光譜成像儀，其空間分辨率為40米，達(dá)到了國際民用衛(wèi)星的最高程度，可以更好地支撐核電廠溫排水、城市熱污染監(jiān)管等生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作。

另外，劉思含還強(qiáng)調(diào)，在顆粒物探測方面，高分五號02衛(wèi)星搭載的大氣氣溶膠多角度偏振探測儀和高精度偏振掃描儀兩臺載荷，在國際上首次通過“偏振交火”的方式進(jìn)行聯(lián)合觀測，實現(xiàn)了全球大氣氣溶膠和云的光學(xué)及微物理參數(shù)探測及近地表顆粒物（PM2.5和PM10）的定量化監(jiān)測。

“大氣氣溶膠多角度偏振探測儀是目前國際上譜段最多、觀測角度最多、偏振探測能力最強(qiáng)的氣溶膠偏振探測載荷。這也意味著，利用高光譜衛(wèi)星，不僅能清晰地看到全中國的情況，全世界的溫室氣體濃度和分布也都能盡在掌握。有了這些數(shù)據(jù)，我們就可以更好地了解掌握全球大氣環(huán)境，助力碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)早日實現(xiàn)?！?/p>