生態“天眼” 遙遠守護

馮剛

近日，我國在太原衛星發射中心用長征四號丙運載火箭，成功將高分五號02星發射升空。衛星順利進入預定軌道，發射任務獲得圓滿成功。

據國家航天局相關人員介紹，這是生態環境部牽頭研制建設的首顆具備大氣和陸表環境綜合觀測能力的業務衛星。

這顆衛星將全面提升我國大氣、水體、陸地的高光譜觀測能力，滿足我國在環境綜合監測等方面的迫切需求，為大氣環境監測、水環境監測、生態環境監測以及環境監管等環境保護主體業務提供國產高光譜數據保障。

高分五號02星也是我國生態環境“衛星家族”的第6位成員，它也將和其他5名“兄弟姐妹”一起，為我國的生態環境保護事業貢獻力量。

多項載荷 功能強大

環境衛星是我國繼氣象、海洋、資源衛星系列之后發射的又一個新型民用衛星系列，其影像數據經過處理后可以產生與Landsat TM圖像大致相同的效果。隨著我國衛星傳感器技術的不斷改進，衛星影像的質量將逐步提高，這將促進該影像在生態監測、災害監測中的廣泛應用，從而推動我國遙感應用事業的快速發展。

我國民用衛星可分為四大體系——分別是氣象衛星、資源衛星、海洋衛星和環境衛星。相比于其他系列，環境衛星雖起步較晚，但發展較快。

自2008年環境一號A、B星成功發射，到2012年環境一號C星發射上天，標志著我國的環境監測有了“天眼”相助。隨后，2020年9月，環境二號A、B星一箭雙星發射成功，加上剛剛發射的高光譜觀測衛星，生態環境“衛星家族”如今已有6位“家庭成員”在軌服役。

據專家介紹，高光譜遙感是當前遙感技術的前沿領域。地球上不同的元素及其化合物都有獨特的光譜特征，是識別和分析不同物體特征的一種重要“身份證”。

相比光學成像衛星只能看到物質的形狀、尺寸等信息，高光譜衛星具備的光譜成像技術，可使光譜與圖像結合為一體，探測各類物質的具體成分。

高光譜觀測衛星采用上海航天技術研究院成熟的SAST3000衛星平臺，運行于太陽同步軌道上。衛星共裝載了7臺探測儀器，覆蓋了從紫外到長波紅外譜段，融合了成像技術和高光譜探測技術，可實現空間信息、光譜信息和輻射信息的綜合觀測。

憑借4000余個高光譜遙感探測通道，高光譜觀測衛星將實現從幾何形狀、彩色感知到光譜信息的拓展，為我國遙感觀測開啟新的視角。

早在1998年，國家相關部門便意識到為實現對我國生態破壞、環境污染進行大范圍、全天候、全天時動態監測，全面反映生態環境質量變化的過程和對趨勢進行預測，必須要發展我國自己的環境衛星系統。因而原環境保護部（現生態環境部）與國家減災委員會共同提出“環境與災害監測預報小衛星星座系統”建設方案，2002年原國防科工委正式將“環境與災害監測預報小衛星星座”命名為“環境一號衛星”（代號HJ-1），并列入民用航天“十五”計劃和《中國航天白皮書》民用衛星發展重點。

環境一號衛星系統建設的主要任務是利用我國自主小衛星星座，形成對我國生態環境和災害遙感監測的能力，為我國環境保護與防災減災提供遙感信息與技術支撐，全面提高我國環境和災害信息的獲取、處理和應用的水平。

2021年9月11日，中國科學院空天信息創新研究院中國遙感衛星地面站成功接收了高光譜觀測衛星首次傳回的數據。先后兩次接收任務時長分別為10分15秒和8分24秒，數據容量共計117GB，所有數據均處理正常。

衛星家族 齊心協力

據生態環境部衛星環境應用中心衛星發展研究所所長游代安介紹，衛星的功能與其所搭載的探測儀器有著密切關系。比如環境二號A、B星，主要搭載了16米光學相機、紅外相機、高光譜成像儀和大氣校正儀，主要用于中、大尺度的地表生態環境、水生態環境和大氣環境等遙感監測。

最新發射成功的高光譜觀測衛星搭載的7臺探測儀器中，包括可見短波紅外高光譜相機、全譜段光譜成像儀、大氣主要溫室氣體監測儀、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀等，可同時實現高光譜、全譜段、多角度、偏振等多種觀測數據的融合應用，支撐顆粒物、氣態污染物、溫室氣體等大氣環境要素遙感監測，以及生態系統評估、生物多樣性監測、水生態環境監測等生態環境重點工作。

“簡單來說，此次發射的衛星會看得更清晰，功能更強大，時間、空間范圍覆蓋更廣，觀測數據也更準確。”游代安說，無論是秸稈焚燒、違規排放，還是地表破壞、海面溢油等環境問題，都逃不過衛星的火眼金睛。

有人也會發出這樣的疑問，既然已經有了5顆生態環境衛星，那此次發射的衛星意義何在，會不會功能重復呢？

游代安解釋說，每顆衛星肩負的主任務都各不相同。比如，高光譜觀測衛星搭載的5臺探測儀器是用于大氣環境監測的，兩臺陸地觀測載荷可用于生態系統精細化分類、水質參數反演、熱污染源探測等。而之前發射的環境二號A、B星在高光譜和紅外空間分辨率上，會略低于新的高光譜觀測衛星，它們會被更多應用于大范圍的自然生態、水生態環境監測等。

“衛星不怕多，在軌越多一方面可實現組網運行，大幅提升數據獲取和覆蓋能力，提高重訪性能，另一方面不同衛星也可以起到互補的作用。”游代安說。

生態環境部衛星環境應用中心衛星工程首席專家劉思含對此也解釋說：“一顆衛星或多顆同類型衛星不能監測所有的環境問題，往往需要協同多顆衛星，通過多要素、多手段、多尺度、多相位的多星多載荷協同應用，支撐實現‘高精度、全方位、短同期’的生態環境遙感監測，構建天地一體化生態環境立體監測體系。這是生態環境部對衛星遙感監測提出的整體規劃。”

比如中分辨率大幅寬的衛星數據適合開展大范圍快速巡查，發現疑似生態環境問題后，再利用高分辨率衛星進行精細化探測。

通過多星的協同使用，可以提高衛星遙感在生態環境監管方面主動發現問題的能力，支撐生態環境遙感監測從過去以事后查證為主向事后查證與主動發現并重轉變，提高多源衛星的綜合應用效能，助力深入打好污染防治攻堅戰，這也是新時期生態環境管理對衛星遙感應用提出的新要求。

國際領先 服務未來

雖然衛星的功能十分強大，但有人不免也產生這樣的擔心：這些“天眼”距離我們如此遙遠，能將地面上的物體全部分辨清晰嗎？

對此，劉思含解釋說，衛星數據其實是通過衛星上的數傳天線，將數據傳輸到衛星地面接收站的數據接收系統，再到數據預處理系統，經輻射處理、幾何校正等處理流程后，生成1-2級初級數據產品，最后再傳輸給應用系統，用于生產高級專題和應用產品。因而清晰度完全不用擔心。

生態環境部衛星環境應用中心衛星發展研究所工程師滕佳華也表示：地球上不同的元素及其化合物都有自己獨特的光譜特征，光譜因此被視為辨別物質的“指紋”，是用來分析不同物體特征重要的“身份證”。高光譜相機，能夠更精細地探測地表物體的光譜特性，識別物體的特征。

不僅如此，高光譜觀測衛星上搭載的全譜段光譜成像儀，其空間分辨率為40米，達到了國際民用衛星的最高程度，可以更好地支撐核電廠溫排水、城市熱污染監管等生態環境保護工作。

另外，劉思含還強調，在顆粒物探測方面，高分五號02衛星搭載的大氣氣溶膠多角度偏振探測儀和高精度偏振掃描儀兩臺載荷，在國際上首次通過“偏振交火”的方式進行聯合觀測，實現了全球大氣氣溶膠和云的光學及微物理參數探測及近地表顆粒物（PM2.5和PM10）的定量化監測。

“大氣氣溶膠多角度偏振探測儀是目前國際上譜段最多、觀測角度最多、偏振探測能力最強的氣溶膠偏振探測載荷。這也意味著，利用高光譜衛星，不僅能清晰地看到全中國的情況，全世界的溫室氣體濃度和分布也都能盡在掌握。有了這些數據，我們就可以更好地了解掌握全球大氣環境，助力碳達峰碳中和目標早日實現。”