“碳星”來了！

　　2022年8月4日，由航天科技集團(tuán)五院遙感衛(wèi)星總體部抓總研制的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星“句芒號”（以下簡稱“碳星”），在太原衛(wèi)星發(fā)射中心由長征四號乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射。

 

　　作為世界首顆森林碳匯主被動聯(lián)合觀測的遙感衛(wèi)星，“碳星”能夠?qū)崿F(xiàn)對森林植被生物量、氣溶膠分布、葉綠素?zé)晒獾母呔榷窟b感測量。在“碳星”發(fā)射前，我國傳統(tǒng)的碳匯測量主要依靠人工抽樣監(jiān)測森林植被，而“碳星”的應(yīng)用標(biāo)志著我國碳匯監(jiān)測進(jìn)入天基遙感時代。

 

　　將天基測繪手段用于森林監(jiān)測

 

　　監(jiān)測森林碳匯需要有高精度的植被數(shù)據(jù)作為支撐。為了實(shí)現(xiàn)這一要求，研制團(tuán)隊(duì)大膽“跨界”，創(chuàng)新性地將天基測繪中以“激光雷達(dá)+光學(xué)相機(jī)”為代表的主被動聯(lián)合觀測手段應(yīng)用于森林監(jiān)測。

 

　　獲取高精度的植被高度和面積信息是森林碳匯監(jiān)測的關(guān)鍵，對應(yīng)到衛(wèi)星設(shè)計(jì)上，這就對激光雷達(dá)和多光譜相機(jī)提出了更高要求。據(jù)航天科技集團(tuán)五院遙感衛(wèi)星總體部衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師曹海翊介紹，為了讓“碳星”一步到位，具備高精度森林碳匯監(jiān)測能力，研制團(tuán)隊(duì)基于現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，從多方面進(jìn)行創(chuàng)新突破，以“激光雷達(dá)波束翻倍，重頻提升逾30倍，配置5個多光譜相機(jī)進(jìn)行5角度綜合觀測”的方案，最終滿足了森林碳匯監(jiān)測的相關(guān)需求。“這種主被動聯(lián)合觀測模式，不僅充分發(fā)揮了激光雷達(dá)和多光譜相機(jī)的優(yōu)勢，也很好地利用了激光校準(zhǔn)多光譜相機(jī)精度，可謂基于天基遙感手段監(jiān)測森林碳匯的絕佳方案。”曹海翊表示。

 

　　打造森林碳匯監(jiān)測的專業(yè)星

 

　　植被高度、植被面積、葉綠素?zé)晒夂痛髿釶M2.5含量是計(jì)算森林碳匯能力的核心數(shù)據(jù)。作為森林碳匯監(jiān)測的專業(yè)星，“碳星”配置了多波束激光雷達(dá)、多角度多光譜相機(jī)、超光譜探測儀、多角度偏振成像儀4種載荷支持，以確保所獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)“準(zhǔn)、全、細(xì)、精”。

 

　　先說植被測高結(jié)果“準(zhǔn)”。“‘碳星’利用多波束激光雷達(dá)對植被測高，通過計(jì)算激光到樹冠以及地面的時間差計(jì)算樹木的高度，而衛(wèi)星一次測量發(fā)射出激光的光束數(shù)量、發(fā)射頻次則決定測量精度。”據(jù)航天科技集團(tuán)五院遙感衛(wèi)星總體部衛(wèi)星副總設(shè)計(jì)師張新偉介紹，為最大程度提升植被測高的數(shù)據(jù)精度，研制團(tuán)隊(duì)通過數(shù)據(jù)反演、仿真分析、應(yīng)用測試等，1秒鐘發(fā)射200次測量激光，并對激光雷達(dá)所需的衛(wèi)星環(huán)境和硬件配置進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，克服散熱等難題，最終實(shí)現(xiàn)測點(diǎn)間隔由公里級跨越至百米級，使得植被測高精度大幅提升。

 

　　再說獲取植被面積“全”。為了準(zhǔn)確還原森林的茂密程度，研制團(tuán)隊(duì)巧思破解，為“碳星”設(shè)計(jì)安裝了5個多光譜相機(jī)，實(shí)現(xiàn)對地5角度立體觀測。同時，為了避免植被陰、陽面光線對觀測的影響，研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出月球定標(biāo)方法，確保5角度成像光譜響應(yīng)一致。“有了這些能力，5角度多光譜相機(jī)就能幫助‘碳星’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。”張新偉強(qiáng)調(diào)。

 

　　再說葉綠素?zé)晒馓綔y“細(xì)”。葉綠素?zé)晒飧呔戎茍D是“碳星”支撐高精度碳匯監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)，但葉綠素?zé)晒獾哪芰糠浅Ｐ?，僅有約0.5%～2%以熒光的形式發(fā)射出來。“為提升葉綠素光譜探測的精細(xì)程度，我們?yōu)?lsquo;碳星’設(shè)計(jì)、配置超光譜探測儀，創(chuàng)新性使用光柵分光原理，將光譜分辨率提升10倍，在國際上首次實(shí)現(xiàn)0.3納米的精細(xì)探測，甚至能夠探測到人眼看不到的太陽光細(xì)微明暗變化。”張新偉介紹。

 

　　最后說大氣校正數(shù)據(jù)“精”。為去除大氣對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，研制團(tuán)隊(duì)為“碳星”專門配置了偏振成像儀，可支持從35個角度監(jiān)測大氣PM2.5含量，獲取大氣橫向PM2.5含量信息。此外，還增配了大氣激光雷達(dá)，用于獲取大氣縱向PM2.5含量信息。如此一橫一縱，就將數(shù)據(jù)由二維結(jié)果變成三維立體信息，確保大氣校正更精準(zhǔn)。

 

　　智能設(shè)計(jì)讓用戶更省心

 

　　碳星雖然載荷多、模式多，但操控起來方便快捷，是一顆具備全自主任務(wù)規(guī)劃能力的“智能星”。

 

　　除了森林碳匯監(jiān)測，“碳星”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。因此，“碳星”的載荷工作模式組合計(jì)算多達(dá)47種。既要支持更多應(yīng)用，又要易用、好操控，傳統(tǒng)的衛(wèi)星指令操控模式顯然行不通。怎么辦？除了從硬件上保證各種載荷數(shù)據(jù)獨(dú)立傳遞外，研制團(tuán)隊(duì)還從軟件上讓衛(wèi)星更加智能化——根據(jù)設(shè)定的邊界條件參數(shù)自主辨別海洋、陸地、光照條件，自動規(guī)劃最佳探測任務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)完全的自主任務(wù)規(guī)劃。“經(jīng)此設(shè)計(jì)，除了特殊或突發(fā)任務(wù)外，‘碳星’根本無須用戶操心，就如同智能掃地機(jī)器人一樣，一鍵開機(jī)，智能化工作。”曹海翊比喻道。

 

光明日報記者 張蕾 光明日報通訊員 張?zhí)m蘭 劉錦洋 王琬涵