陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星句芒號(hào)及其應(yīng)用

文|王小燕 呂爭 李俊杰 龔亞麗 陳衛(wèi)榮 林軍

中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心

一、引言

2020年9月，中國首次向世界提出“雙碳”目標(biāo)，力爭于2030 年前二氧化碳（CO2）排放達(dá)到峰值，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。為精準(zhǔn)評(píng)估我國陸地碳匯對(duì)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的貢獻(xiàn)，擴(kuò)大生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查與監(jiān)測的范圍，提升陸地碳匯的評(píng)估精度，量化各類措施對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力的影響，“碳監(jiān)測”衛(wèi)星應(yīng)運(yùn)而生。

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星（句芒號(hào)）作為《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025年）》中的首批科研星之一，于2022 年8 月4 日發(fā)射，它是我國首顆森林碳匯主被動(dòng)聯(lián)合觀測的遙感衛(wèi)星，能夠以主被動(dòng)相結(jié)合的測量方式探測陸地生態(tài)系統(tǒng)植被生物量、大氣氣溶膠、植被葉綠素?zé)晒獾纫亍Ｋ梢灾未髿猸h(huán)境和氣候變化監(jiān)測、高程控制點(diǎn)獲取、災(zāi)害監(jiān)測評(píng)估、農(nóng)情遙感監(jiān)測、陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力評(píng)估、碳監(jiān)測、生態(tài)和資源調(diào)查監(jiān)測等工作。句芒號(hào)地面系統(tǒng)通過在軌測試評(píng)審，目前處于應(yīng)用測試階段。

相較于國內(nèi)外已有的生態(tài)和大氣監(jiān)測衛(wèi)星，句芒號(hào)配置了包括多波束激光雷達(dá)、多角度多光譜相機(jī)等更加全面、更加多樣化的成像載荷，它采用主被動(dòng)相結(jié)合的遙感手段能充分滿足我國對(duì)森林、草原、農(nóng)田等多要素遙感信息的監(jiān)測應(yīng)用需求，將在生態(tài)資源監(jiān)測、碳儲(chǔ)量評(píng)估等方面發(fā)揮其巨大力量。

二、句芒號(hào)衛(wèi)星主要性能

句芒號(hào)衛(wèi)星運(yùn)行于高度為506km、傾角97.4°的太陽同步軌道，搭載了多波束激光雷達(dá)、多角度多光譜相機(jī)、超光譜探測儀、多角度偏振成像儀等多臺(tái)載荷（表1），將在森林冠層高度監(jiān)測、森林類型分類、葉綠素?zé)晒夥植?、氣溶膠光學(xué)厚度監(jiān)測、林火監(jiān)測等方面產(chǎn)生廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

表1 句芒號(hào)衛(wèi)星載荷主要參數(shù)

1．多波束激光雷達(dá)

多波束激光雷達(dá)主要用于監(jiān)測森林冠層高度和結(jié)構(gòu)。當(dāng)激光垂直照射到森林時(shí)，一部分激光會(huì)被樹冠反射回去，另一部分激光則沿著縫隙向下穿透，再被樹木中間的樹葉、枝干反射回去，最后一部分激光到達(dá)地面，被地面反射。這樣就能得到樹冠、枝葉、地面的回波，可以根據(jù)多個(gè)回波的時(shí)間差計(jì)算出樹木各層的高度（圖1）。

圖1 激光雷達(dá)測高示意圖

句芒號(hào)衛(wèi)星的多波束激光雷達(dá)可以通過其5個(gè)40Hz 的激光波束連續(xù)向地面發(fā)射間距達(dá)百米級(jí)的光斑，獲取大范圍的森林垂直數(shù)據(jù)信息，可應(yīng)用于大區(qū)域大尺度森林高度參數(shù)定量反演，例如森林測高、森林生物量估算等。另外在大氣監(jiān)測領(lǐng)域，句芒號(hào)的大氣激光雷達(dá)還可以有效探測大氣中云和氣溶膠的垂直分層結(jié)構(gòu),對(duì)大氣環(huán)境監(jiān)測具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

2．多角度多光譜相機(jī)

多角度多光譜相機(jī)配置了前、正、后共5 個(gè)不同角度的相機(jī)，能對(duì)森林進(jìn)行立體成像。一臺(tái)垂直角度觀測的相機(jī)從樹木上方經(jīng)過時(shí)，只能看到樹冠表面。如果從不同的拍攝角度觀測，就能看到樹木前后左右等多個(gè)側(cè)面信息，這樣就能更全面地監(jiān)測到森林的疏密分布、健康、長勢(shì)情況。

句芒號(hào)衛(wèi)星的多角度多光譜相機(jī)是我國首個(gè)五角度可見光探測相機(jī)。在對(duì)植被的觀測中，可以分別從垂直0°、±19°、±41°5 個(gè)方向獲取同一地面景物的多光譜圖像數(shù)據(jù)，獲得更為詳細(xì)可靠的地表三維空間結(jié)構(gòu)信息，繪制一幅“立體”植被分布圖，精準(zhǔn)覆蓋觀測區(qū)域的一草一木（圖2）。

圖2 多角度多光譜相機(jī)對(duì)地觀測示意圖

3．超光譜探測儀

超光譜探測儀可獲取太陽誘導(dǎo)植物葉綠素?zé)晒猓⊿IF）光譜信息，可用于監(jiān)測植被光合作用。植物靠光合作用呼吸，而葉綠素是這一過程中的關(guān)鍵影響因素，植物在光合作用過程中其葉綠素會(huì)發(fā)出一種微弱的電磁輻射，稱之為葉綠素?zé)晒?。葉綠素?zé)晒獾哪芰糠浅Ｐ?，但它能反?yīng)植被光合作用強(qiáng)弱，進(jìn)而定量化監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)中碳吸收能力。為了能監(jiān)測到這種微弱的能量信號(hào)，句芒號(hào)衛(wèi)星搭載了具備高光譜分辨率、高信噪比的超光譜探測儀，它采用光柵分光原理將光譜分辨率提升了100 倍，相當(dāng)于把載荷光譜范圍內(nèi)光的顏色分成1100 個(gè)漸變的色彩，這樣就能夠更有效地尋找躲藏在某個(gè)漸變色角落里的葉綠素?zé)晒猓瑥亩鴿M足森林與作物植被生產(chǎn)力評(píng)估的需求（圖3）。

圖3 超光譜探測儀葉綠素?zé)晒獠蹲绞疽鈭D

4．多角度偏振成像儀

多角度偏振成像儀用于大氣氣溶膠和云的光學(xué)及微物理參數(shù)探測。它測量包括氣溶膠光學(xué)厚度、單次散射反照率、云頂高度、云相態(tài)等在內(nèi)的大氣參數(shù)。

句芒號(hào)衛(wèi)星的多角度偏振成像儀采用超廣角光學(xué)系統(tǒng)加面陣CCD 實(shí)現(xiàn)成像，并通過不同軌道位置的多次成像，獲得同一譜段的多角度信息，支持最多35 個(gè)角度監(jiān)測大氣PM2.5 含量，獲取大氣橫向PM2.5 含量信息。同時(shí)，配合句芒號(hào)的大氣激光雷達(dá)，可用于獲取大氣縱向PM2.5 含量信息。一橫一縱，就可獲取大氣數(shù)據(jù)立體信息，確保大氣校正更精準(zhǔn)。

三、應(yīng)用場景

句芒號(hào)衛(wèi)星是國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃中的科研衛(wèi)星，它將在森林生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測、森林資源調(diào)查監(jiān)測、實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)等方面發(fā)揮重要作用。

實(shí)現(xiàn)“碳中和”，“碳匯”是重要途徑之一，然而監(jiān)測碳匯這種宏觀且復(fù)雜的生態(tài)指標(biāo)往往需要大量的人力物力，陸碳衛(wèi)星憑借其多個(gè)“超能力”載荷可以提供全面、準(zhǔn)確、精細(xì)的森林資源信息，為森林碳匯監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持。其應(yīng)用場景包括森林結(jié)構(gòu)參數(shù)反演、森林生物量監(jiān)測和森林碳匯估算等。

1．森林結(jié)構(gòu)參數(shù)反演

森林結(jié)構(gòu)參數(shù)是指森林冠層高度、森林郁閉度等反映森林結(jié)構(gòu)特征的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以反映森林的生態(tài)功能和碳循環(huán)過程，對(duì)于森林資源管理和全球變化研究具有重要意義。

（1）森林冠層高度反演

森林冠層高度是度量森林結(jié)構(gòu)變化的重要參數(shù)，對(duì)森林生物量和森林碳儲(chǔ)量研究具有重要作用。目前國內(nèi)外關(guān)于森林冠層高度遙感反演的研究主要是基于機(jī)載和星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和微波遙感數(shù)據(jù)等，激光雷達(dá)通過記錄激光脈沖從發(fā)射到返回傳感器的時(shí)間延遲計(jì)算測距機(jī)與目標(biāo)地物之間的距離，提供足印點(diǎn)高度信息，如國際空間站全球生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)探測激光雷達(dá)（GEDI）監(jiān)測了全球的森林相對(duì)高度。

句芒號(hào)衛(wèi)星的多波束植被激光雷達(dá)可獲取森林冠層表面的激光回波信息，應(yīng)用于測量植被樹高。然而，由于激光雷達(dá)離散條帶狀觀測的不連續(xù)性，只能反演局部光斑樹高，因此可以借助多角度多光譜相機(jī)從不同角度觀測森林的視差來提取高度結(jié)構(gòu)信息，從而獲取區(qū)域內(nèi)的數(shù)字表面模型（DSM），為激光雷達(dá)觀測的稀疏性提供完整的面狀地物立體信息，反演區(qū)域森林冠層高度（圖4）。

圖4 多角度多光譜數(shù)據(jù)生成初始DSM

（2）森林郁閉度反演

森林郁閉度是指森林中喬木樹冠遮蔽地面的程度，是一種把森林茂密程度表示出來的定量指標(biāo)。郁閉度是森林資源調(diào)查中的一個(gè)重要因子, 它能反映森林結(jié)構(gòu)和森林環(huán)境，是森林蓄積量和森林生物量估測的重要影響因素之一。

激光雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)森林進(jìn)行測量時(shí)，發(fā)射的激光脈沖穿過大氣層后會(huì)先到森林冠頂，其中部分被反射回來后繼續(xù)向下傳播，遇到枝葉繼續(xù)反射，最終部分激光透過葉片縫隙到達(dá)地面。森林郁閉度越大，植被冠層反射能量越多，因此利用激光雷達(dá)回波能量與總能量之間的比值可以用于估測森林郁閉度。然而目前星載激光雷達(dá)光斑點(diǎn)在空間分布上不連續(xù)，無法達(dá)到區(qū)域無縫覆蓋，因此同樣需要整合多角度多光譜數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，以提高森林郁閉度的估測精度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空間區(qū)域內(nèi)森林郁閉度的連續(xù)制圖。

2．森林地上生物量監(jiān)測

森林地上生物量是指森林中所有地上有機(jī)物質(zhì)的總量，包括樹木、灌木、草本植物、苔蘚等。森林生物量是森林生態(tài)系統(tǒng)長期生產(chǎn)與代謝過程中積累的結(jié)果，是森林生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的能量基礎(chǔ)和物質(zhì)來源。由于遙感影像的反射率光譜可以體現(xiàn)出植被葉綠素含量和生長狀況的差異性，因此，實(shí)測森林生物量可以與影像波段反射率或衍生的光譜特征之間建立數(shù)學(xué)關(guān)系模型，進(jìn)而估算區(qū)域尺度的森林生物量。

已有研究中，一般基于多光譜和高光譜光學(xué)遙感數(shù)據(jù)反演森林地上生物量。但基于光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的森林地上生物量估算方法易在平面上產(chǎn)生信息飽和問題，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和多角度多光譜數(shù)據(jù)具有穿透力強(qiáng)和能測量高度信息的特點(diǎn)，可有效克服信息飽和問題，在森林結(jié)構(gòu)參數(shù)和森林生物量反演中應(yīng)用廣泛。目前美國國家航空航天局（NASA）的ICESat-2 衛(wèi)星所搭載的ATLAS 測高雷達(dá)和國際空間站的GEDI 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)提供了全球范圍冠層覆蓋、冠層高度信息，被廣泛應(yīng)用于區(qū)域和全球尺度的森林生物量反演研究中。句芒號(hào)衛(wèi)星的激光雷達(dá)、多角度多光譜和超光譜探測儀在森林結(jié)構(gòu)參數(shù)和森林生物量的反演中有不同的優(yōu)勢(shì)，融合這些多源的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)研究有利于提升森林生物量反演模型精度（圖5）。

圖5 句芒號(hào)超光譜探測儀葉綠素?zé)晒猓⊿IF）反演

3．森林碳匯估算

森林碳匯是指森林里的植物能夠把空氣中的二氧化碳通過光合作用吸收并轉(zhuǎn)化為有機(jī)物儲(chǔ)存起來，從而減少空氣中二氧化碳的量，它與碳源的過程相反，共同形成碳循環(huán)。森林碳匯與森林生物量有著密切的關(guān)系，上文中提到的生物量通俗的說就是指單位面積內(nèi)森林植物的重量，而碳儲(chǔ)量是指單位面積內(nèi)森林植物中儲(chǔ)存的碳的量，因此一般可以通過生物量大致推算出森林碳匯（圖6）。

圖6 生物量與碳循環(huán)示意圖

目前大量研究表明，利用遙感技術(shù)建立森林生物量和遙感指數(shù)之間的關(guān)系模型，可以評(píng)估森林吸收和儲(chǔ)存二氧化碳的能力。句芒號(hào)衛(wèi)星在森林碳匯估算中可以發(fā)揮其數(shù)據(jù)源優(yōu)勢(shì)，將激光雷達(dá)、多角度多光譜和超光譜數(shù)據(jù)結(jié)合起來，再根據(jù)地面采集的生物量和固碳量的樣方數(shù)據(jù)建立算法模型，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行森林碳匯的空間分布和動(dòng)態(tài)變化的估算。圖7 為碳匯估算示意圖，如圖所示，首先通過激光雷達(dá)獲取森林冠層高度信息，通過多光譜成像儀和高分辨率遙感數(shù)據(jù)提取植被類型和植被面積信息，對(duì)這些信息進(jìn)行處理分析，可估算出地表植被的生物量，最后將生物量乘以含碳系數(shù)，獲得地表植被的固碳量，完成碳匯的評(píng)估。

圖7 碳匯估算示意圖

四、結(jié)束語

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星作為《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025 年）》中的首批科研星之一，肩負(fù)著森林生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測、陸地生態(tài)和森林資源調(diào)查監(jiān)測、大氣環(huán)境監(jiān)測等重任。它可獲取我國森林碳匯的多源遙感信息，提高碳匯計(jì)量的效率和精度，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的人工碳匯計(jì)量手段，為我國“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供重要支撐，助力我國對(duì)森林、草原、濕地等的統(tǒng)計(jì)監(jiān)測核算能力建設(shè)。