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“句芒號”升空 我國碳匯監(jiān)測進入天基遙感時代

   2022-08-05 人民網

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核心提示:人民網北京8月4日電 (記者趙竹青)8月4日11時08分,我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心采用長征四號乙運載火箭,成功

人民網北京8月4日電 (記者趙竹青)8月4日11時08分,我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心采用長征四號乙運載火箭,成功發(fā)射首顆陸地生態(tài)系統碳監(jiān)測衛(wèi)星“句(gōu)芒號”。

陸地生態(tài)系統碳監(jiān)測衛(wèi)星是世界首顆森林碳匯主被動聯合觀測的遙感衛(wèi)星,能夠實現對森林植被生物量、氣溶膠分布、葉綠素熒光的高精度定量遙感測量。

據該衛(wèi)星抓總研制單位航天科技集團五院遙感衛(wèi)星總體部有關專家介紹,我國傳統的碳匯測量主要依靠人工對森林植被進行抽樣監(jiān)測,“句芒號”的應用將改變這一現狀,標志著我國碳匯監(jiān)測進入天基遙感時代。

“跨界”應用,天基碳匯監(jiān)測方案橫空出世

據介紹,森林碳匯監(jiān)測需要有高精度的植被數據作為支撐,為了達到這一要求,研制團隊大膽“跨界”,創(chuàng)新性地將天基測繪“激光雷達+光學相機”為代表的主被動聯合觀測手段應用到森林監(jiān)測中。

獲取高精度的植被高度和面積信息是森林碳匯監(jiān)測的關鍵,對應到衛(wèi)星設計上,即對激光雷達和多光譜相機提出了高要求。

為了讓衛(wèi)星一步到位具備高精度森林碳匯監(jiān)測能力,衛(wèi)星研制團隊基于現有技術基礎,從性能提升、配置方式、總體設計上作出創(chuàng)新突破,以“激光雷達波束翻倍、重頻提升逾30倍,配置5個多光譜相機進行5角度綜合觀測”的方案,最終滿足了森林碳匯監(jiān)測的需求。

這種主被動聯合觀測模式,不僅充分發(fā)揮了激光雷達和多光譜相機的優(yōu)勢,同時還能利用激光校準多光譜相機精度,堪稱是天基森林碳匯監(jiān)測的絕佳方案。

創(chuàng)新攻關,練就碳匯監(jiān)測“多面手”

植被高度、植被面積、葉綠素熒光和大氣PM2.5含量是計算森林碳匯能力的核心數據。

作為森林碳匯監(jiān)測的“專業(yè)星”,該星配置了多波束激光雷達、多角度多光譜相機、超光譜探測儀、多角度偏振成像儀等4種載荷支持獲取以上數據,其先進的技術還能確保數據“準、全、細、精”。

植被測高結果“準”。陸地生態(tài)系統碳監(jiān)測衛(wèi)星利用多波束激光雷達進行植被測高其實是一個抽樣測量的過程,通過計算激光到樹冠以及地面的時間差計算樹木的高度,而衛(wèi)星一次測量發(fā)射出激光的光束數量、發(fā)射頻次則決定測量精度。為最大程度提升植被測高的數據精度,研制團隊通過數據反演、仿真分析、應用測試等實現1秒發(fā)射測量激光200次的能力,并對激光雷達所需的衛(wèi)星環(huán)境和硬件配置進行適應性設計,克服散熱等難題,最終實現測點間隔由公里級跨越至百米級,植被測高精度大幅提升。

獲取植被面積“全”。為了準確還原森林茂密程度,研制團隊大膽創(chuàng)新、巧思破解,為衛(wèi)星設計安裝了5個多光譜相機,實現對地5角度立體觀測。同時,為了避免植被陰、陽面光線影響,研制團隊創(chuàng)新性提出月球定標方法,確保5角度成像光譜響應一致。實現這些能力后,5角度多光譜相機即能幫助衛(wèi)星繪制一幅“立體”植被分布圖,精準覆蓋觀測區(qū)域的一草一木。

葉綠素熒光探測“細”。葉綠素是植被光合作用的關鍵影響因素,葉綠素熒光高精度制圖便是“句芒號”支撐高精度碳匯監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)。但葉綠素熒光的能量非常小,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精細程度,科研人員為該星設計配置了超光譜探測儀,創(chuàng)新性使用了光柵分光原理,將光譜分辨率較傳統提升了10倍,實現國際首次0.3nm精細探測,能夠探測到人眼所看不到的太陽光細微的明暗變化。

大氣校正數據“精”。為了去除大氣對監(jiān)測數據的影響,研制團隊將大氣校正做到了極致。首先,研制團隊為其專門配置了偏振成像儀,支持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。秉承精益求精的精神,研制團隊還增配了大氣激光雷達,用于獲取大氣縱向PM2.5含量信息。一橫一縱就將數據結果由二維變成了三維立體信息,確保大氣校正更精準。

智能設計,打造空中“掃地機器人”

陸地生態(tài)系統碳監(jiān)測衛(wèi)星載荷多、模式多,但其操控十分便捷,是一顆具備全自主任務規(guī)劃能力的“智能星”。

森林碳匯監(jiān)測是陸地生態(tài)系統碳監(jiān)測衛(wèi)星的主要任務,除此之外,還可廣泛應用于環(huán)保、測繪、氣象、農業(yè)、減災等領域,支撐作物評估、植物病蟲害監(jiān)測、災害應急成像等工作。因此,衛(wèi)星任務繁多,工作模式極其復雜,按照載荷工作模式組合計算多達47種。

研制團隊考慮要讓衛(wèi)星支持更多應用的同時,還要考慮衛(wèi)星易用、好操控。傳統的衛(wèi)星指令操控模式顯然行不通,為此研制團隊從硬件上保證各種載荷數據獨立傳遞,從軟件上讓衛(wèi)星“智能化”,根據設定的邊界條件參數實現自主辨別海洋、陸地、光照條件,并以此自動規(guī)劃“最佳探測任務”流程,實現完全的自主任務規(guī)劃。

在這種設計下,除了特殊或突發(fā)的任務外,“句芒號”無需用戶“操心”,就能如同智能掃地機器人一樣,一鍵開機,掃哪里、怎么掃、一氣呵成。

作為實現“雙碳”目標、助力全球生態(tài)管理的重要載體,陸地生態(tài)系統碳監(jiān)測衛(wèi)星將致力于實現全球生物量及其變化情況的綜合監(jiān)測,為推進全球氣候治理進程貢獻中國力量。



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