通讯频道

建设智慧社会 推动社会进步

2020年08月11日 17:21:01 星期二

​“句芒号”升空 我国碳汇监测进入天基遥感时代

石家庄新闻网 时间:2022-08-04 14:37:52 来源:人民网

人民网北京8月4日电 (记者赵竹青)8月4日11时08分,我国在太原卫星发射中心采用长征四号乙运载火箭,成功发射首颗陆地生态系统碳监测卫星“句(gōu)芒号”。

陆地生态系统碳监测卫星是世界首颗森林碳汇主被动联合观测的遥感卫星,能够实现对森林植被生物量、气溶胶分布、叶绿素荧光的高精度定量遥感测量。

据该卫星抓总研制单位航天科技集团五院遥感卫星总体部有关专家介绍,我国传统的碳汇测量主要依靠人工对森林植被进行抽样监测,“句芒号”的应用将改变这一现状,标志着我国碳汇监测进入天基遥感时代。

“跨界”应用,天基碳汇监测方案横空出世

据介绍,森林碳汇监测需要有高精度的植被数据作为支撑,为了达到这一要求,研制团队大胆“跨界”,创新性地将天基测绘“激光雷达+光学相机”为代表的主被动联合观测手段应用到森林监测中。

获取高精度的植被高度和面积信息是森林碳汇监测的关键,对应到卫星设计上,即对激光雷达和多光谱相机提出了高要求。

为了让卫星一步到位具备高精度森林碳汇监测能力,卫星研制团队基于现有技术基础,从性能提升、配置方式、总体设计上作出创新突破,以“激光雷达波束翻倍、重频提升逾30倍,配置5个多光谱相机进行5角度综合观测”的方案,最终满足了森林碳汇监测的需求。

这种主被动联合观测模式,不仅充分发挥了激光雷达和多光谱相机的优势,同时还能利用激光校准多光谱相机精度,堪称是天基森林碳汇监测的绝佳方案。

创新攻关,练就碳汇监测“多面手”

植被高度、植被面积、叶绿素荧光和大气PM2.5含量是计算森林碳汇能力的核心数据。

作为森林碳汇监测的“专业星”,该星配置了多波束激光雷达、多角度多光谱相机、超光谱探测仪、多角度偏振成像仪等4种载荷支持获取以上数据,其先进的技术还能确保数据“准、全、细、精”。

植被测高结果“准”。陆地生态系统碳监测卫星利用多波束激光雷达进行植被测高其实是一个抽样测量的过程,通过计算激光到树冠以及地面的时间差计算树木的高度,而卫星一次测量发射出激光的光束数量、发射频次则决定测量精度。为最大程度提升植被测高的数据精度,研制团队通过数据反演、仿真分析、应用测试等实现1秒发射测量激光200次的能力,并对激光雷达所需的卫星环境和硬件配置进行适应性设计,克服散热等难题,最终实现测点间隔由公里级跨越至百米级,植被测高精度大幅提升。

获取植被面积“全”。为了准确还原森林茂密程度,研制团队大胆创新、巧思破解,为卫星设计安装了5个多光谱相机,实现对地5角度立体观测。同时,为了避免植被阴、阳面光线影响,研制团队创新性提出月球定标方法,确保5角度成像光谱响应一致。实现这些能力后,5角度多光谱相机即能帮助卫星绘制一幅“立体”植被分布图,精准覆盖观测区域的一草一木。

叶绿素荧光探测“细”。叶绿素是植被光合作用的关键影响因素,叶绿素荧光高精度制图便是“句芒号”支撑高精度碳汇监测的重要环节。但叶绿素荧光的能量非常小,仅有约0.5%~2%以荧光的形式发射出来,为提升叶绿素光谱探测精细程度,科研人员为该星设计配置了超光谱探测仪,创新性使用了光栅分光原理,将光谱分辨率较传统提升了10倍,实现国际首次0.3nm精细探测,能够探测到人眼所看不到的太阳光细微的明暗变化。

大气校正数据“精”。为了去除大气对监测数据的影响,研制团队将大气校正做到了极致。首先,研制团队为其专门配置了偏振成像仪,支持35个角度监测大气PM2.5含量,获取大气横向PM2.5含量信息。秉承精益求精的精神,研制团队还增配了大气激光雷达,用于获取大气纵向PM2.5含量信息。一横一纵就将数据结果由二维变成了三维立体信息,确保大气校正更精准。

智能设计,打造空中“扫地机器人”

陆地生态系统碳监测卫星载荷多、模式多,但其操控十分便捷,是一颗具备全自主任务规划能力的“智能星”。

森林碳汇监测是陆地生态系统碳监测卫星的主要任务,除此之外,还可广泛应用于环保、测绘、气象、农业、减灾等领域,支撑作物评估、植物病虫害监测、灾害应急成像等工作。因此,卫星任务繁多,工作模式极其复杂,按照载荷工作模式组合计算多达47种。

研制团队考虑要让卫星支持更多应用的同时,还要考虑卫星易用、好操控。传统的卫星指令操控模式显然行不通,为此研制团队从硬件上保证各种载荷数据独立传递,从软件上让卫星“智能化”,根据设定的边界条件参数实现自主辨别海洋、陆地、光照条件,并以此自动规划“最佳探测任务”流程,实现完全的自主任务规划。

在这种设计下,除了特殊或突发的任务外,“句芒号”无需用户“操心”,就能如同智能扫地机器人一样,一键开机,扫哪里、怎么扫、一气呵成。

作为实现“双碳”目标、助力全球生态管理的重要载体,陆地生态系统碳监测卫星将致力于实现全球生物量及其变化情况的综合监测,为推进全球气候治理进程贡献中国力量。

编辑: 赵玉恒