大氣環境監測衛星在生態環境行業應用分析

滕佳華，高吉喜，游代安，劉思含，張苗苗，謝宇浩，李亞龍，徐寧寧，檀 暢

（1.生態環境部衛星環境應用中心，北京 100094；2.國家環境保護衛星遙感實驗室，北京 100094；3.上海衛星工程研究所，上海 201109）

0 引言

隨著社會經濟發展，我國乃至全球空氣質量不斷惡化，形勢嚴峻，大氣環境遙感監測需求非常迫切［1-2］。衛星遙感具備獲取大范圍、均勻分布、長期連續的生態環境監測數據［1］。目前，國內主要使用的國外衛星數據難以提供穩定、連續的數據保障，而國內氣象、海洋、陸地等系列衛星由于缺乏相應探測手段，高精度、定量化大氣環境遙感監測能力有限。因此，我國亟須發展具備國際先進的主動激光、多光譜、偏振、高光譜等綜合手段觀測衛星，實現對全球大氣環境大范圍、連續、動態、高精度的監測。

近年來，隨著國家空間基礎設施不斷完善，我國生態環境衛星體系初步建立，主要包括環境減災小衛星星座、高光譜觀測系列、大氣環境監測系列。環境減災小衛星于2008 年發射，專門用于中國環境和災害監測，由2008 年發射的兩顆光學衛星（HJ-1A、HJ-1B）及2012 年發射的一顆雷達衛星（HJ-1C）組成。HJ-1A/B 星后續星HJ-2A/B［5］已于2020 年9 月27 日成功發射。高光譜觀測系列的高分五號衛星（GF-5）［6］、高光譜觀測衛星（GF-5（02））［7］、高光譜綜合觀測衛星（GF-5（01A））分別于2018 年2 月9 日、2021 年9 月7 日、2022 年12 月9日成功發射，其探測譜段涵蓋了從紫外到長波紅外的光學波段，實現了高光譜、全譜段、偏振等多種手段數據融合，可實現對污染氣體、溫室氣體、細顆粒物等大氣環境要素，以及水環境與生態環境要素的監測，具有體制新、定量精度高、探測手段多等特點，是中國高光譜遙感能力的重要標志［8-9］。大氣環境監測系列包含大氣環境監測（DQ-1）衛星及高精度溫室氣體監測（DQ-2）衛星。DQ-1 衛星于2022年4 月16 日成功發射，國際首次采用主動激光結合被動高光譜、多光譜、偏振手段，實現對大氣細顆粒物、污染氣體、溫室氣體、云和氣溶膠等探測要素大范圍、連續、全天時綜合監測。DQ-2 衛星在DQ-1衛星探測能力的基礎上，拓展了溫室氣體、污染氣體探測能力，在國際上首次采用主被動結合實現高精度、寬覆蓋大氣溫室氣體探測，同時針對污染氣體的近地面探測需求，增加了臨邊探測模式和紅外高光譜探測手段，進行紫外紅外聯合探測污染氣體反演。

大氣環境監測衛星的成功發射標志著我國在大氣遙感領域達到國際領先水平。作為我國首顆主動激光衛星，衛星在軌業務化運行后，將為PM2.5和臭氧協同控制提供數據支撐，服務于“碳達峰與碳中和”國家戰略，助力打贏“藍天、碧水、凈土”三大保衛戰。本文重點介紹了DQ-1 衛星方案和特點，詳細闡述了載荷配置，分析了其在生態環境行業的遙感應用能力，并結合衛星的在軌測試情況對衛星的應用前景進行了展望。

1 衛星方案及特點概述

大氣環境監測衛星是空基規劃實施建設的一顆科研衛星，主要面向生態環境保護［13］等重大應用需求，兼顧氣象、農業農村等行業業務需求。衛星設計運行在標稱高度705 km，升交點地方時為13：30 的太陽同步軌道，配置大氣探測激光雷達（Aerosol and Carbon dioxide Detection Lidar，ACDL）、多角度偏振成像儀（Directional Polarization Camera，DPC）、高精度偏振掃描儀（Particulate Observing Scanning Polarization，POSP）、紫外高光譜大氣成分探測儀（Environmental Trace Ggases Monitoring Instrument，EMI）及寬幅成像光譜儀（Wide Swath Imager，WSI）5 臺遙感儀器，具備主動激光、多光譜、偏振、高光譜等綜合探測能力。衛星構型如圖1 所示。

圖1 DQ-1 衛星構型Fig.1 Configuration diagram of DQ-1 satellite

ACDL 采用1 572 nm 路徑差分吸收方法測量大氣CO2柱線濃度，采用532 nm 高光譜探測和偏振技術，以及1 064 nm 散射測量氣溶膠和云的廓線。儀器采用指向控制鏡實現收發光軸匹配，通過1 m的反射式望遠鏡接收5 通道激光在氣溶膠或地面的回波信號，同時聯合視軸監視模監視激光雷達發射激光指向、星敏參考光指向以及望遠鏡參考光軸指向，最終實現發射激光指向絕對測量，并給出收發光軸匹配調節的角度調整參考數據。

DPC 采用超廣角成像系統獲取±50°視場面視場輻射信息，通過濾光檢偏組件轉動切換光譜波段和偏振檢測方向，結合CCD 探測器分時獲取8 個光譜、3 個偏振通道的多光譜偏振信息。通過衛星飛行及濾光檢偏組件轉動可實現對同一目標不少于15 個視場的探測。DPC 獲取的多角度多光譜偏振輻射數據，結合基于偏振信息的大氣特性反演模型，可以提供全球大氣氣溶膠和云特性產品，同時為DQ-1 衛星其他載荷提供大氣校正數據。

POSP 采用分孔徑偏振探測方案，通過反射鏡掃描、分色片分色和不同類型的雙元（2 個單元集成）探測器獲取從紫外到短波紅外共9 個波段的偏振輻射數據，具備在軌偏振定標、太陽漫反射板定標等定標功能，可獲取高精度偏振探測數據。POSP 利用短波紅外通道實現地表偏振去耦合，提高大氣偏振探測精度；使用紫外偏振探測通道數據進行氣溶膠垂直分布參數的反演，為整層大氣的顆粒物濃度向近地表層訂正提供數據。POSP 與DPC聯合探測，可獲取大氣氣溶膠的高精度偏振探測數據，提供大范圍的氣溶膠常規監測數據及細顆粒物反演基礎輸入數據。

EMI 采用偏軸球面望遠鏡設計實現114°穿軌視場推掃觀測，結合4 通道凸面光柵OFFNER 成像光譜儀，獲取約2 600 km 幅寬紫外到可見波段（240～710 nm）的高光譜輻射信息，光譜分辨率可達0.3～0.5 nm，采樣石英/鋁漫反板可實現在軌輻射及光譜定標，并可通過內置光源監測探測器響應變化。

WSI 利用多元旋轉掃描實現大幅寬可見至長波紅外（0.415～12.500 μm）地表和大氣多光譜信息獲取，共21 個通道，空間分辨率75 m（全色通道）、150 m（真彩色通道）、300 m（紅外分裂窗）和其他通道600 m，觀測幅寬大于2 300 km，具備每天1 次的全球覆蓋能力。可實現大氣氣溶膠厚度、細顆粒物、秸稈焚燒、霧霾分布監測，同時為其他污染監測儀器提供云檢測、陸地檢測等輔助數據。

通過大氣環境監測衛星的研制，衛星突破了多項關鍵技術，其性能指標要求達到國際同類衛星的先進水平，主要具有以下特點：

1）國際首次采用雙體制激光、具有CO2和細顆粒物高光譜探測能力的星載大氣激光雷達，CO2柱濃度測量精度優于1×10-6；

2）國際首次采用雙偏振融合的探測方式，國內首次采用偏振在軌定標，偏振測量精度優于0.5%；

3）國內首次采用無控制點激光光軸自標定技術，光軸指向測量精度優于0.008°；

4）國際上設計壽命最長的主動激光探測衛星。

該衛星載荷與國外同類衛星主要指標對比情況見表1。

表1 大氣環境監測衛星與國外同類衛星主要指標的對比情況Tab.1 Comparison of the main specifications between DQ-1 satellite and similar foreign satellites

2 生態環境行業應用分析

衛星遙感技術已在生態環境保護工作中發揮了不可或缺的作用，有力支撐了環境督查、環境管理、環境執法等重要工作。基于我國環境保護工作中主要污染物減排、污染防治、生態保護等業務需要，環保業務的遙感應用需求主要包括大氣環境遙感監測、水環境遙感監測、生態環境遙感監測等遙感監測業務應用需求。

針對大氣環境遙感監測，為推進區域大氣污染聯防聯控，實施多種污染物綜合控制，改善重點區域和城市空氣質量，需要衛星遙感提供大范圍、連續性、定量化的大氣成分信息，對大氣顆粒物、污染氣體和溫室氣體等的含量及時空分布進行有效監測。

大氣顆粒物探測方面［10］，DQ-1 衛星雙偏振載荷配置490、670、865 nm 的多譜段偏振探測通道，分別獲取對小粒子、中粒子和大粒子敏感的氣溶膠光學厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）。為了對沙塵氣溶膠和粗粒子顆粒物進行探測，POSP 進一步配置1 610 nm 偏振探測譜段，同時利用短波紅外通道實現地表偏振去耦合，提高大氣偏振探測精度，使用紫外偏振探測通道數據進行氣溶膠垂直分布參數的反演，為整層大氣的顆粒物濃度向近地表層訂正提供數據。ACDL 利用雙波長、高光譜、偏振探測體制獲取氣溶膠垂直廓線信息。設置532 和1 064 nm 通道，獲取雙波長的總后向散射信號；設置532 nm 通道為偏振通道，獲取垂直后向散射信號；設置532 nm 高光譜探測通道，獲取瑞利散射信號。DQ-1 衛星通過ACDL 的主動探測方式，全天時獲取大氣顆粒物分布垂直廓線及分類信息，通過主被動結合的方式，實現全天時的氣溶膠混合層高度探測，并通過數據融合的方法提高大覆蓋范圍內紫外偏振氣溶膠混合層高度（氣溶膠標高）的探測精度，為細顆粒物多角度偏振反演提供近地表訂正及精度校正數據。

高精度CO2探測方面［11］，ACDL 配置1 572 nm通道獲取全球全天時CO2吸收譜帶差分吸收信號，同時通過532 和1 064 nm 通道反演的氣溶膠類型及垂直廓線信息及地表高程信息，提升1 572 nm 通道CO2濃度的反演精度。針對大氣探測激光雷達對地表類型及特性的觀測需求，WSI 配置800 nm 的全色通道（空間分辨率75 m），與激光雷達配合使用。

污染氣體監測方面［12］，重點獲取NO2、O3、SO2、HCHO 等要素。EMI 載荷采用差分吸收光譜探測技術，在紫外-可見譜段（240～710 nm）內實現0.3～0.6 nm 的光譜分辨率，0.05 nm 的在軌光譜定標。紫外高光譜大氣成分探測儀的視場為114°，以實現24 h 內全球覆蓋；空間分辨率優于24 km（穿軌方向）×13 km（沿軌方向），以滿足區域尺度的大氣污染氣體的高精度監測。

針對水環境遙感監測［14］，主要是利用WSI開展大型水體水華，葉綠素a、懸浮物、透明度、富營養化程度的水體水質以及水表溫度等遙感監測業務應用。寬幅成像光譜儀光譜范圍覆蓋了0.415～12.500 μm，具有21 個光譜通道，其中配置的443、490、681 nm 觀測通道以及中波紅外通道（3.9 μm）和長波紅外分裂窗通道（10.8 和12.0 μm），空間分辨率為600 m，可有效針對水體水色、水質、海水、海冰溫排水及溫升等開展監測，實現近海、大江、內陸湖泊、核電站溫排水的大范圍、長時間、動態、中等尺度定量監測。

針對自然生態遙感監測［15］，主要是利用DQ-1 衛星搭載的WSI，開展土地覆蓋分類、植被覆蓋度（FVC）、植被冠層水分、主要生態系統參數（葉面積指數、地表溫度）等遙感監測業務應用。WSI 配置的490、681、753 nm 觀測通道，空間分辨率600 m，可有效針對陸表自然生態開展大范圍、連續、動態監測。

下面將分別在大氣環境監測、水環境監測、自然生態監測等3 個方面，結合在軌測試的情況對大氣環境監測衛星的應用能力進行介紹。

2.1 大氣環境監測

1） 溫室氣體監測。

DQ-1 衛星觀測的白天和夜晚的CO2全球分布情況如圖2 所示。可以看到，全球CO2濃度存在明顯的白天和夜晚差異。大氣探測激光雷達具有全天時觀測能力，國際首次獲得全球夜晚二氧化碳柱濃度（XCO2）數據，可為落實降碳減污協同增效和開展全球碳排放遙感監測提供有效數據支撐。

圖2 DQ-1 衛星全球CO2柱總量產品Fig.2 Global CO2 column total product of DQ-1 satellite

2） 細顆粒物監測。

ACDL 測量垂直分布的氣溶膠消光系數和散射系數，同時得到高精度的邊界層厚度、云頂高度或云垂直分布信息，以及云和特殊氣溶膠退偏信息。氣溶膠和云的垂直分布信息，用于天氣預報和氣候模型，改進模型反演精度；氣溶膠消光系數剖面，結合其他地面輔助數據，實現高精度反演地面PM2.5濃度分布；氣溶膠邊界層厚度作為校正數據，與被動的多角度氣溶膠偏振觀測儀結合，可以提高利用被動傳感器反演地面PM2.5濃度的精度；退偏信息可用于對特定云光學特性（如卷云中冰晶和水云）以及氣溶膠進行區分。

DQ-1 衛星ACDL 采用高光譜探測技術反演的數據產品如圖3 所示。圖3（a）為氣溶膠和云后向散射系數，圖3（b）為退偏比，圖3（c）為消光系數，圖3（d）為激光雷達比的垂直廓線分布。通過使用主動高光譜技術，極大地提高了數據產品反演的精度，而不用像傳統的激光雷達如CALIPSO 需要假定激光雷達比數據進行散射系數、消光系數的反演。大氣探測激光雷達獲取的全球不同高度的氣溶膠光學厚度產品如圖4 所示。不同于被動載荷，大氣探測激光雷達可通過主動探測方法獲得不同層高的氣溶膠全球分布數據，提供目前稀缺的氣溶膠高精度三維分布信息，有效支撐全球氣溶膠擴散-傳播等相關研究的開展。

圖3 DQ-1 衛星云和氣溶膠垂直廓線產品Fig.3 Cloud and aerosol vertical profile products of DQ-1 satellite

續圖3 DQ-1 衛星云和氣溶膠垂直廓線產品Continued fig.3 Cloud and aerosol vertical profile products of DQ-1 satellite

圖4 DQ-1 衛星全球不同高度氣溶膠光學厚度產品（2022-6-1—2022-8-4）Fig.4 Global AOD products of DQ-1 satellite with different heights（2022-6-1-2022-8-4）

DQ-1 衛星POSP 獲取的全球氣溶膠光學厚度月均全球分布及地基驗證結果如圖5 所示，全球氣溶膠光學厚度產品如圖5（a）所示，清晰顯示了亞洲西部、非洲中部、南美洲北部等區域氣溶膠光學厚度高值區，主要為干旱沙漠或人類活動密集區域，而8 月份中國境內除新疆地區外，其他區域的氣溶膠光學厚度較低，顯示了空氣質量改善成效。AOD的地基驗證散點圖如圖5（b）所示，由與AERONET地基匹配站點的統計對比可知，基于POSP 反演得到的氣溶膠光學厚度精度優于EE=0.05±15%×AOD，與地基結果具有較好的一致性。

圖5 DQ-1 衛星全球550 nm 處氣溶膠光學厚度產品及地基驗證結果（2022 年8 月）Fig.5 Global AOD products and ground-based validation results of DQ-1 satellite at 550 nm in August 2022

同時利用POSP 和DPC 數據基于PCF 方法反演獲得的8 月份月均PM2.5全球分布如圖6 所示。圖中顯示的高值區包括亞洲西部、非洲中部、南美洲北部等區域。經地基驗證，衛星遙感反演結果在誤差線（EE=15 μm/m3±30%）內的比例高達97%，說明偏振交火反演的PM2.5具有較高的精度。

圖6 DQ-1 衛星全球PM2.5產品及地基驗證結果（2022 年8 月）Fig.6 Global PM2.5 product and foundation verification results of DQ-1 satellite in August 2022

3） 污染氣體監測。

DQ-1 衛星EMI 監測的全球對流層NO2柱濃度分布結果如圖7 所示。圖中顯著高值包括中國東部地區等。EMI 監測的全球對流層O3柱濃度分布結果如圖8 所示，清晰地揭示了臭氧全球分布趨勢，與Ozonesoude 散點對比，相關性為0.852。EMI 監測的全球對流層HCHO 分布結果如圖9 所示，監測結果相比TROPOMI 趨勢一致，相關性為0.7。

圖7 DQ-1衛星全球對流層NO2 監測結果（2022-5-22—2022-5-29）Fig.7 Global tropospheric NO2 monitoring results of DQ-1 satellite（2022-5-22-2022-5-29）

圖8 DQ-1 衛星全球對流層O3監測結果（2022-5-23）Fig.8 Global tropospheric O3 monitoring results of DQ-1 satellite（2022-5-23）

2.2 水環境監測

利用DQ-1 衛星WSI 數據進行太湖藍藻和水華識別后獲取的空間分布產品，如圖10 所示。圖中可以清楚看到藍藻水華集中分布在太湖西部，該結果在空間分布上與MODIS 獲得的數據產品一致。其中，寬幅成像光譜儀識別面積為350.61 km2，MODIS 識別面積為453.46 km2。平均相對誤差（MRE）為22.7%，顯示兩載荷具有較高的數據一致性。

圖10 基于同步MODIS 和WSI 的藍藻水華識別空間分布Fig.10 Spatial distribution map of cyanobacteria bloom recognition based on the synchronous MODIS and WSI

2.3 自然生態監測

利用DQ-1 衛星WSI 數據地表反射率數據反演獲得的張家口市西部區域植被覆蓋率產品，如圖11所示。通過與GLASS 比對，植被覆蓋度反演結果空間分布趨勢相對一致，反演植被覆蓋度分級統計面積占比相對于參考數據的R2=0.88，具有較好的一致性。

利用DQ-1 衛星WSI 數據進行的山東省齊河縣玉米冠層含水量（EWTc）反演產品，如圖12 所示。由圖中可以看到，南部區域玉米冠層含水量較北部玉米冠層含水量高。該結果與基于MODIS數據反演獲得的玉米冠層含水量空間分布趨勢一致。

圖12 WSI 和MODIS 的玉米冠層含水量反演空間分布圖及線性擬合結果Fig.12 Inversion spatial distributions of the maize canopy water content obtained by the WSI and MODIS and the linear fitting results

3 結束語

大氣環境監測衛星作為我國空間基礎設施規劃的大氣環境監測領域衛星的重要組成部分，突破了大氣探測激光雷達系統、多載荷綜合探測效能驗證與性能優化、細顆粒物主被動探測集合高精度反演等關鍵技術，憑借其主動激光、多光譜、偏振、高光譜綜合探測的特點，實現對二氧化碳等溫室氣體、細顆粒物、云和氣溶膠、污染氣體等要素大范圍、高精度綜合探測，為大氣環境、水環境、自然生態等生態環境行業業務應用及其他行業領域遙感應用提供高定量、高重訪、高分辨率遙感數據，為及時開展全球生態環境變化監測提供重要支撐。根據《生態環境衛星工程中長期發展規劃》，到2035 年我國將全面建成新一代高低軌組網、多手段綜合、能力完善、快速響應、有序銜接的環境綜合觀測衛星體系，進一步提升衛星應用效能，具有高時空分辨率PM2.5、污染氣體、溫室氣體等大氣環境、水環境和陸表環境定量化綜合觀測能力，滿足國家生態環境監管等重大應用需求。