陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星句芒號及其應用

文|王小燕 呂爭 李俊杰 龔亞麗 陳衛(wèi)榮 林軍

中國資源衛(wèi)星應用中心

一、引言

2020年9月，中國首次向世界提出“雙碳”目標，力爭于2030 年前二氧化碳（CO2）排放達到峰值，2060 年前實現(xiàn)碳中和。為精準評估我國陸地碳匯對實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標的貢獻，擴大生態(tài)系統(tǒng)調查與監(jiān)測的范圍，提升陸地碳匯的評估精度，量化各類措施對生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力的影響，“碳監(jiān)測”衛(wèi)星應運而生。

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星（句芒號）作為《國家民用空間基礎設施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025年）》中的首批科研星之一，于2022 年8 月4 日發(fā)射，它是我國首顆森林碳匯主被動聯(lián)合觀測的遙感衛(wèi)星，能夠以主被動相結合的測量方式探測陸地生態(tài)系統(tǒng)植被生物量、大氣氣溶膠、植被葉綠素熒光等要素。它可以支撐大氣環(huán)境和氣候變化監(jiān)測、高程控制點獲取、災害監(jiān)測評估、農情遙感監(jiān)測、陸地生態(tài)系統(tǒng)生產力評估、碳監(jiān)測、生態(tài)和資源調查監(jiān)測等工作。句芒號地面系統(tǒng)通過在軌測試評審，目前處于應用測試階段。

相較于國內外已有的生態(tài)和大氣監(jiān)測衛(wèi)星，句芒號配置了包括多波束激光雷達、多角度多光譜相機等更加全面、更加多樣化的成像載荷，它采用主被動相結合的遙感手段能充分滿足我國對森林、草原、農田等多要素遙感信息的監(jiān)測應用需求，將在生態(tài)資源監(jiān)測、碳儲量評估等方面發(fā)揮其巨大力量。

二、句芒號衛(wèi)星主要性能

句芒號衛(wèi)星運行于高度為506km、傾角97.4°的太陽同步軌道，搭載了多波束激光雷達、多角度多光譜相機、超光譜探測儀、多角度偏振成像儀等多臺載荷（表1），將在森林冠層高度監(jiān)測、森林類型分類、葉綠素熒光分布、氣溶膠光學厚度監(jiān)測、林火監(jiān)測等方面產生廣泛的應用價值。

表1 句芒號衛(wèi)星載荷主要參數(shù)

1．多波束激光雷達

多波束激光雷達主要用于監(jiān)測森林冠層高度和結構。當激光垂直照射到森林時，一部分激光會被樹冠反射回去，另一部分激光則沿著縫隙向下穿透，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。這樣就能得到樹冠、枝葉、地面的回波，可以根據多個回波的時間差計算出樹木各層的高度（圖1）。

圖1 激光雷達測高示意圖

句芒號衛(wèi)星的多波束激光雷達可以通過其5個40Hz 的激光波束連續(xù)向地面發(fā)射間距達百米級的光斑，獲取大范圍的森林垂直數(shù)據信息，可應用于大區(qū)域大尺度森林高度參數(shù)定量反演，例如森林測高、森林生物量估算等。另外在大氣監(jiān)測領域，句芒號的大氣激光雷達還可以有效探測大氣中云和氣溶膠的垂直分層結構,對大氣環(huán)境監(jiān)測具有獨特優(yōu)勢。

2．多角度多光譜相機

多角度多光譜相機配置了前、正、后共5 個不同角度的相機，能對森林進行立體成像。一臺垂直角度觀測的相機從樹木上方經過時，只能看到樹冠表面。如果從不同的拍攝角度觀測，就能看到樹木前后左右等多個側面信息，這樣就能更全面地監(jiān)測到森林的疏密分布、健康、長勢情況。

句芒號衛(wèi)星的多角度多光譜相機是我國首個五角度可見光探測相機。在對植被的觀測中，可以分別從垂直0°、±19°、±41°5 個方向獲取同一地面景物的多光譜圖像數(shù)據，獲得更為詳細可靠的地表三維空間結構信息，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（圖2）。

圖2 多角度多光譜相機對地觀測示意圖

3．超光譜探測儀

超光譜探測儀可獲取太陽誘導植物葉綠素熒光（SIF）光譜信息，可用于監(jiān)測植被光合作用。植物靠光合作用呼吸，而葉綠素是這一過程中的關鍵影響因素，植物在光合作用過程中其葉綠素會發(fā)出一種微弱的電磁輻射，稱之為葉綠素熒光。葉綠素熒光的能量非常小，但它能反應植被光合作用強弱，進而定量化監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)中碳吸收能力。為了能監(jiān)測到這種微弱的能量信號，句芒號衛(wèi)星搭載了具備高光譜分辨率、高信噪比的超光譜探測儀，它采用光柵分光原理將光譜分辨率提升了100 倍，相當于把載荷光譜范圍內光的顏色分成1100 個漸變的色彩，這樣就能夠更有效地尋找躲藏在某個漸變色角落里的葉綠素熒光，從而滿足森林與作物植被生產力評估的需求（圖3）。

圖3 超光譜探測儀葉綠素熒光捕捉示意圖

4．多角度偏振成像儀

多角度偏振成像儀用于大氣氣溶膠和云的光學及微物理參數(shù)探測。它測量包括氣溶膠光學厚度、單次散射反照率、云頂高度、云相態(tài)等在內的大氣參數(shù)。

句芒號衛(wèi)星的多角度偏振成像儀采用超廣角光學系統(tǒng)加面陣CCD 實現(xiàn)成像，并通過不同軌道位置的多次成像，獲得同一譜段的多角度信息，支持最多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。同時，配合句芒號的大氣激光雷達，可用于獲取大氣縱向PM2.5 含量信息。一橫一縱，就可獲取大氣數(shù)據立體信息，確保大氣校正更精準。

三、應用場景

句芒號衛(wèi)星是國家民用空間基礎設施中長期發(fā)展規(guī)劃中的科研衛(wèi)星，它將在森林生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測、森林資源調查監(jiān)測、實現(xiàn)“碳中和”目標等方面發(fā)揮重要作用。

實現(xiàn)“碳中和”，“碳匯”是重要途徑之一，然而監(jiān)測碳匯這種宏觀且復雜的生態(tài)指標往往需要大量的人力物力，陸碳衛(wèi)星憑借其多個“超能力”載荷可以提供全面、準確、精細的森林資源信息，為森林碳匯監(jiān)測提供數(shù)據支持。其應用場景包括森林結構參數(shù)反演、森林生物量監(jiān)測和森林碳匯估算等。

1．森林結構參數(shù)反演

森林結構參數(shù)是指森林冠層高度、森林郁閉度等反映森林結構特征的數(shù)據。這些數(shù)據可以反映森林的生態(tài)功能和碳循環(huán)過程，對于森林資源管理和全球變化研究具有重要意義。

（1）森林冠層高度反演

森林冠層高度是度量森林結構變化的重要參數(shù)，對森林生物量和森林碳儲量研究具有重要作用。目前國內外關于森林冠層高度遙感反演的研究主要是基于機載和星載激光雷達數(shù)據和微波遙感數(shù)據等，激光雷達通過記錄激光脈沖從發(fā)射到返回傳感器的時間延遲計算測距機與目標地物之間的距離，提供足印點高度信息，如國際空間站全球生態(tài)系統(tǒng)動力學探測激光雷達（GEDI）監(jiān)測了全球的森林相對高度。

句芒號衛(wèi)星的多波束植被激光雷達可獲取森林冠層表面的激光回波信息，應用于測量植被樹高。然而，由于激光雷達離散條帶狀觀測的不連續(xù)性，只能反演局部光斑樹高，因此可以借助多角度多光譜相機從不同角度觀測森林的視差來提取高度結構信息，從而獲取區(qū)域內的數(shù)字表面模型（DSM），為激光雷達觀測的稀疏性提供完整的面狀地物立體信息，反演區(qū)域森林冠層高度（圖4）。

圖4 多角度多光譜數(shù)據生成初始DSM

（2）森林郁閉度反演

森林郁閉度是指森林中喬木樹冠遮蔽地面的程度，是一種把森林茂密程度表示出來的定量指標。郁閉度是森林資源調查中的一個重要因子, 它能反映森林結構和森林環(huán)境，是森林蓄積量和森林生物量估測的重要影響因素之一。

激光雷達數(shù)據對森林進行測量時，發(fā)射的激光脈沖穿過大氣層后會先到森林冠頂，其中部分被反射回來后繼續(xù)向下傳播，遇到枝葉繼續(xù)反射，最終部分激光透過葉片縫隙到達地面。森林郁閉度越大，植被冠層反射能量越多，因此利用激光雷達回波能量與總能量之間的比值可以用于估測森林郁閉度。然而目前星載激光雷達光斑點在空間分布上不連續(xù)，無法達到區(qū)域無縫覆蓋，因此同樣需要整合多角度多光譜數(shù)據的優(yōu)勢，以提高森林郁閉度的估測精度，進而實現(xiàn)空間區(qū)域內森林郁閉度的連續(xù)制圖。

2．森林地上生物量監(jiān)測

森林地上生物量是指森林中所有地上有機物質的總量，包括樹木、灌木、草本植物、苔蘚等。森林生物量是森林生態(tài)系統(tǒng)長期生產與代謝過程中積累的結果，是森林生態(tài)系統(tǒng)運轉的能量基礎和物質來源。由于遙感影像的反射率光譜可以體現(xiàn)出植被葉綠素含量和生長狀況的差異性，因此，實測森林生物量可以與影像波段反射率或衍生的光譜特征之間建立數(shù)學關系模型，進而估算區(qū)域尺度的森林生物量。

已有研究中，一般基于多光譜和高光譜光學遙感數(shù)據反演森林地上生物量。但基于光學遙感數(shù)據的森林地上生物量估算方法易在平面上產生信息飽和問題，激光雷達數(shù)據和多角度多光譜數(shù)據具有穿透力強和能測量高度信息的特點，可有效克服信息飽和問題，在森林結構參數(shù)和森林生物量反演中應用廣泛。目前美國國家航空航天局（NASA）的ICESat-2 衛(wèi)星所搭載的ATLAS 測高雷達和國際空間站的GEDI 激光雷達數(shù)據提供了全球范圍冠層覆蓋、冠層高度信息，被廣泛應用于區(qū)域和全球尺度的森林生物量反演研究中。句芒號衛(wèi)星的激光雷達、多角度多光譜和超光譜探測儀在森林結構參數(shù)和森林生物量的反演中有不同的優(yōu)勢，融合這些多源的遙感數(shù)據進行相關研究有利于提升森林生物量反演模型精度（圖5）。

圖5 句芒號超光譜探測儀葉綠素熒光（SIF）反演

3．森林碳匯估算

森林碳匯是指森林里的植物能夠把空氣中的二氧化碳通過光合作用吸收并轉化為有機物儲存起來，從而減少空氣中二氧化碳的量，它與碳源的過程相反，共同形成碳循環(huán)。森林碳匯與森林生物量有著密切的關系，上文中提到的生物量通俗的說就是指單位面積內森林植物的重量，而碳儲量是指單位面積內森林植物中儲存的碳的量，因此一般可以通過生物量大致推算出森林碳匯（圖6）。

圖6 生物量與碳循環(huán)示意圖

目前大量研究表明，利用遙感技術建立森林生物量和遙感指數(shù)之間的關系模型，可以評估森林吸收和儲存二氧化碳的能力。句芒號衛(wèi)星在森林碳匯估算中可以發(fā)揮其數(shù)據源優(yōu)勢，將激光雷達、多角度多光譜和超光譜數(shù)據結合起來，再根據地面采集的生物量和固碳量的樣方數(shù)據建立算法模型，對目標區(qū)域進行森林碳匯的空間分布和動態(tài)變化的估算。圖7 為碳匯估算示意圖，如圖所示，首先通過激光雷達獲取森林冠層高度信息，通過多光譜成像儀和高分辨率遙感數(shù)據提取植被類型和植被面積信息，對這些信息進行處理分析，可估算出地表植被的生物量，最后將生物量乘以含碳系數(shù)，獲得地表植被的固碳量，完成碳匯的評估。

圖7 碳匯估算示意圖

四、結束語

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星作為《國家民用空間基礎設施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025 年）》中的首批科研星之一，肩負著森林生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測、陸地生態(tài)和森林資源調查監(jiān)測、大氣環(huán)境監(jiān)測等重任。它可獲取我國森林碳匯的多源遙感信息，提高碳匯計量的效率和精度，轉變傳統(tǒng)的人工碳匯計量手段，為我國“碳達峰、碳中和”目標的實現(xiàn)提供重要支撐，助力我國對森林、草原、濕地等的統(tǒng)計監(jiān)測核算能力建設。