8月4日，世界首顆森林碳匯主被動聯(lián)合觀測遙感衛(wèi)星——陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。網(wǎng)友們賦予它的“句芒”這一名字，代表著中國古代神話中的木神與春神，讓衛(wèi)星增添了一抹獨(dú)屬炎黃子孫的浪漫。

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▲ 長四乙火箭升空（鄧雨楠 攝）

2012年，黨的十八大首次提出建設(shè)美麗中國的概念，強(qiáng)調(diào)把生態(tài)文明建設(shè)放在突出地位，中國航天科技集團(tuán)有限公司五院開始思考一個問題：衛(wèi)星遙感服務(wù)能發(fā)揮什么作用？他們大膽提出一個設(shè)想：研制一顆觀測綠水青山的衛(wèi)星。

當(dāng)時，國際上還沒有專門針對植被進(jìn)行探測的衛(wèi)星，對于衛(wèi)星研制團(tuán)隊來說，他們面臨的是一個全新的挑戰(zhàn)。為了精準(zhǔn)了解林業(yè)遙感需求，他們四處求學(xué)，研究林業(yè)知識。衛(wèi)星總設(shè)計師曹海翊給出了肯定的回答：“我們可以用天基遙感的手段解決這個問題。”

衛(wèi)星正式批復(fù)立項(xiàng)是5年前，從一紙規(guī)劃開始進(jìn)入研制階段，衛(wèi)星研制團(tuán)隊先后攻克了熱控、載荷控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)難關(guān)。

▲ 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星工作示意圖

摸清森林資源 對碳收支賬戶做到心中有數(shù)

實(shí)現(xiàn)“碳中和”，就如同大自然的一場“碳源”與“碳匯”的數(shù)字運(yùn)算，最終期待實(shí)現(xiàn)“收支相抵”。要對碳收支的賬戶做到心中有數(shù)，首先就要對森林資源一探究竟。

獲取高精度的植被高度和面積信息是關(guān)鍵。對應(yīng)到衛(wèi)星設(shè)計上，其搭載的多角度多光譜相機(jī)和激光雷達(dá)，可以通過獲得森林的地面圖像和高度信息，較好地測量出植被的蓄積量和生物量，反映生態(tài)系統(tǒng)碳儲量。

衛(wèi)星副總設(shè)計師張新偉介紹，一般的遙感應(yīng)用通常采取垂直對地觀測的方式，但如果能夠增加觀測角度，就可以獲得同一地表物體的不同反射率信息，從而提高森林結(jié)構(gòu)參數(shù)的識別精度和反演準(zhǔn)確度。這顆陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星搭載的多角度多光譜相機(jī)就可以從5個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。

“原來一臺相機(jī)從頭頂經(jīng)過，垂直觀測，只能看到人的頭頂?，F(xiàn)在拍攝角度多了，不僅能看到頭頂，還能看到面部、后腦勺、前胸后背等多方面、多維度的信息。”五院508所多角度多光譜相機(jī)主任設(shè)計師賈福娟打了個比方。

▲ 衛(wèi)星多光譜相機(jī)5角度對地觀測示意圖基礎(chǔ)參考的信息量增加了，這樣不僅能看清楚森林冠頂，還能看清它的側(cè)面，可以輕而易舉得到植被的疏密分布、種類、健康、長勢甚至病蟲害情況。

為了更全面地測出植被的蓄積量，衛(wèi)星研制團(tuán)隊還需要對森林的垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測。由于光學(xué)遙感對森林的垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測具有一定局限性，于是激光雷達(dá)主動探測技術(shù)出現(xiàn)了。

五院508所多波束激光雷達(dá)主任設(shè)計師孫立對其原理進(jìn)行了解釋：當(dāng)激光從雷達(dá)照射到森林時，光束首先到達(dá)樹頂，一部分激光被樹冠反射回去，另一部分激光則沿著縫隙穿透向下，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。這樣就可以得到樹冠、中部、地面的回波。根據(jù)回波的時間差計算樹高，根據(jù)能量比值判斷樹種，甚至可以知道樹木長勢如何。

▲ 衛(wèi)星激光雷達(dá)測量高示意圖

衛(wèi)星觀測過程中也會受到大氣懸浮粒子的干擾，而多角度偏振成像儀和大氣激光雷達(dá)可以有效解決這一問題。它們可以測量云、大氣顆粒物等輔助信息，為衛(wèi)星精確監(jiān)測森林碳儲量剔除干擾因素，確保大氣校正更精準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)森林植被生物量的高精度定量遙感測量。

▲ 衛(wèi)星大氣PM2.5監(jiān)測示意圖

追捕葉綠素?zé)晒?在浩瀚書海里尋找一紙密文

森林對于固碳發(fā)揮著重要作用，能夠吸收同時期我國年均人為碳排放量的45%。但是森林會一直吸收二氧化碳嗎？如果森林所能吸收的二氧化碳量是有限的，當(dāng)達(dá)到某個飽和點(diǎn)之后，它們還能繼續(xù)幫助人類延緩氣候變暖嗎？

為了具備高精度森林碳匯監(jiān)測能力，衛(wèi)星高精度獲取植被信息只是第一步，接下來還要看看植被的生產(chǎn)力如何，也就是植被的碳吸收程度。

“植物靠光合作用‘呼吸’，葉綠素是這一過程中的關(guān)鍵影響因素，葉綠素?zé)晒飧呔戎茍D也是衛(wèi)星支撐高精度碳匯監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)。”衛(wèi)星總體副主任設(shè)計師毛一嵐介紹，衛(wèi)星上搭載的超光譜探測儀，可以捕捉植被的葉綠素?zé)晒?，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。

想要捕捉葉綠素?zé)晒獠]有想象中那么簡單，其光譜范圍狹窄，只有納米級寬度，在混沌的自然光中，探尋它就相當(dāng)于在一望無邊的圖書里尋找一紙密文。

衛(wèi)星研制團(tuán)隊創(chuàng)新性地使用了光柵分光原理，將光譜分辨率提升了10倍，能夠把670納米~780納米這一段混濁在一起的光分成1100個漸變色彩，有效地尋找躲藏在某個漸變色角落里的葉綠素?zé)晒狻?/p>

▲ 衛(wèi)星超光譜探測儀葉綠素?zé)晒獠蹲绞疽鈭D五院508所超光譜探測儀主任設(shè)計師王偉剛說：“這相當(dāng)于地球上空多了一顆奇幻的眼睛，告訴我們在神秘美奐的大森林里，正在進(jìn)行著怎樣程度的光合作用，有怎樣規(guī)模的二氧化碳被吸收掉，碳中和行進(jìn)到哪種程度……”

推算全球碳匯 應(yīng)對氣候變化參與全球治理

“陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星需要通過多波束激光雷達(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4個載荷來完成綜合觀測任務(wù)?！毙l(wèi)星總體主任設(shè)計師黃縉介紹。

衛(wèi)星任務(wù)繁多，工作模式也極其復(fù)雜。按照載荷工作模式組合計算多達(dá)47種，不同載荷的組合可以獲得不同數(shù)據(jù)，滿足不同用戶的使用需求。

“難度確實(shí)大?！辈芎ｑ刺寡?，為了能夠定量監(jiān)測森林植被狀態(tài)，滿足碳匯監(jiān)測需求，研制團(tuán)隊不僅要突破有效載荷研制的技術(shù)難關(guān)，讓衛(wèi)星支持更多應(yīng)用的同時，還要考慮衛(wèi)星易用、好操控。其中，衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這一過程要結(jié)合林業(yè)部門相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，將遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成地面語言，并對衛(wèi)星實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)不斷反演和迭代。

▲ 研制團(tuán)隊衛(wèi)星總指揮王祥透露，衛(wèi)星在發(fā)射成功并完成在軌測試后，將正式投入運(yùn)行，約兩個月的時間完成一個回歸周期，實(shí)現(xiàn)全球范圍的有效覆蓋。屆時，衛(wèi)星獲取的信息經(jīng)過解析和處理，會形成不同地區(qū)碳排放報告，量化評估全國甚至全球固碳成效，顯著提升我國應(yīng)對氣候變化重大戰(zhàn)略、積極參與全球治理的能力。

其實(shí)，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星除了能夠?yàn)閼?yīng)對氣候變化提供新動力以外，在林業(yè)碳匯交易方面也發(fā)揮重要作用。如今各國的碳排量互相制約，那么衛(wèi)星會為測算碳匯或進(jìn)行碳匯交易帶來什么幫助呢？

王祥指出，它能夠?qū)崿F(xiàn)對全球森林植被生物量、氣溶膠分布、葉綠素?zé)晒獾母呔榷窟b感測量，可以更好地推算出全球的碳匯狀態(tài)，為碳匯交易提供有效的數(shù)據(jù)支持。

除了森林碳匯監(jiān)測之外，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星還可廣泛應(yīng)用于環(huán)保、測繪、氣象、農(nóng)業(yè)、減災(zāi)等領(lǐng)域，支撐作物評估、植物病蟲害監(jiān)測、災(zāi)害應(yīng)急成像等工作。

“要用好這顆星，后續(xù)還需要做好3件事?！蓖跸檎f，一是增加衛(wèi)星的數(shù)量和探測手段；二是通過與地面系統(tǒng)的合作，提高數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性；三是加大數(shù)據(jù)共享，在國際合作方面發(fā)揮出更大的作用。

標(biāo)簽： 葉綠素?zé)晒?/span> 激光雷達(dá) 陸地生態(tài)系統(tǒng)