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)星增添了一抹獨屬炎黃子孫的浪漫。
▲ 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。
當時,國際上還沒有專門針對植被進行探測的衛(wèi)星,對于衛(wèi)星研制團隊來說,他們面臨的是一個全新的挑戰(zhàn)。為了精準了解林業(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?!?/p>
衛(wèi)星正式批復(fù)立項是5年前,從一紙規(guī)劃開始進入研制階段,衛(wèi)星研制團隊先后攻克了熱控、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)
實現(xiàn)“碳中和”,就如同大自然的一場“碳源”與“碳匯”的數(shù)字運算,最終期待實現(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和激光雷達,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),獲得更為詳細可靠的地表三維空間結(jié)構(gòu)信息。
“原來一臺相機從頭頂經(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主任設(shè)計師賈福娟打了個比方。
▲ 衛(wèi)星多光譜相機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)星研制團隊還需要對森林的垂直結(jié)構(gòu)進行探測。由于光學(xué)遙感對森林的垂直結(jié)構(gòu)進行探測具有一定局限性,于是激光雷達主動探測技術(shù)出現(xiàn)了。
五院508所多波束激光雷達主任設(shè)計師孫立對其原理進行了解釋:當激光從雷達照射到森林時,光束首先到達樹頂,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,實現(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
追捕葉綠素熒光 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,當達到某個飽和點之后,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,葉綠素熒光高精度制圖也是衛(wèi)星支撐高精度碳匯監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)?!毙l(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熒光,反應(yīng)植被光合作用強弱,進而定量化監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)中碳吸收能力。
想要捕捉葉綠素熒光并沒有想象中那么簡單,其光譜范圍狹窄,只有納米級寬度,在混沌的自然光中,探尋它就相當于在一望無邊的圖書里尋找一紙密文。
衛(wèi)星研制團隊創(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熒光。
▲ 衛(wèi)星超光譜探測儀葉綠素熒光捕捉示意圖五院508所超光譜探測儀主任設(shè)計師王偉剛說:“這相當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、多角度多光譜相機、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。
“難度確實大。”曹海翊坦言,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,將遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成地面語言,并對衛(wèi)星實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)不斷反演和迭代。
▲ 研制團隊衛(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,將正式投入運行,約兩個月的時間完成一個回歸周期,實現(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,陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星除了能夠為應(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、葉綠素熒光的高精度定量遙感測量,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。