揭秘陆地生态系统碳监测卫星三台“神器”

2022-08-04 16:10:07 新京报 

2022年8月4日11时08分,由航天科技(000901)集团五院遥感卫星总体部抓总研制的陆地生态系统碳监测卫星(以下简称“碳星”),在太原卫星发射中心由长征四号乙运载火箭成功发射。在碳星发射前,我国传统的碳汇测量主要依靠人工对森林植被进行抽样监测,碳星的应用将改变这一现状,标志着我国碳汇监测进入天基遥感时代。

记者从航天科技集团五院获悉,空间碳汇监测是“双碳”目标的关键工作之一,此次成功上天入轨的碳星还携带着由航天科技集团五院508所研制的三件“神器”。据了解,这三件“神器”将在日后的“碳汇”量化监测和全球“碳家底”摸排中发挥至关重要的作用。

神器1

追捕叶绿素荧光的奇幻之眼

叶绿素荧光的探测直接关系大尺度的植被光合作用动态监测,叶绿素荧光于绿植中无处不在,其光谱范围狭窄,只有纳米级宽度。此外,其能量在植被反射能量中又非常微弱,只有1/50的量级。

为了追捕叶绿素荧光,航天科技集团五院508所研制了超光谱探测仪。该探测仪具备高光谱分辨率、高信噪比、高稳定性等技能优势。

超光谱叶绿素荧光探测仪。航天科技集团五院供图

据航天科技集团五院介绍,在高光谱分辨率方面,这只“眼睛”的光谱采样率为0.1nm,能够把670nm至780nm之间浑沌在一起的光按次序分成1100份细光,也就是把这段浑沌光的颜色分成1100个渐变的色彩,这样就能够更有效地寻找躲藏在某个渐变色角落里的叶绿素荧光。

在高信噪比方面,这只“眼睛”的信噪比很强大,叶绿素荧光能量比其背景能量小50倍,这只“眼睛”却能够把比背景能量小200倍的东西一览无余,因此,即便是在微亮的晨曦,或是昏暗的傍晚,也能够对叶绿素荧光进行无死角探测。

同时这台超光谱探测仪还具有高动态范围和高稳定性的探测优势。它不仅能在强光里运作,其自身还携带了高品质的星上定标装置,在轨利用特性永恒的太阳能(000591)量不断地进行光谱和辐射定标,进行稳定精准探测。

神器2

扫射森林的天外奇妙之尺

激光雷达作为一种主动遥感技术,除了能获得距离信息,还能获得物体本身的一些特性,而这些信息就隐藏在激光的波形信号里。

当激光从雷达照射到森林时,光束首先到达树顶,一部分激光被树冠反射回去,另一部分激光则沿着缝隙向下穿透,再被树木中间的树叶、枝干反射回去,最后一部分激光到达地面,被地面反射。这样,就能得到树冠、中部、地面的回波,科研人员根据冠层和地面回波的时间差,就可以计算树高。

航天科技集团五院介绍,要在500公里的卫星轨道上实现这一目标,非常困难。首先,由于卫星轨道太高,大部分的激光能量都在路上耗散了。其次,激光发射和接收系统还必须精确地对准地面同一个目标,在500公里之外偏差不能超过55米,这样才能保证反射回来的光被接收到。并且要求整个激光雷达在经历了火箭发射段的振动、太空失重、入轨后冷热交变的太空环境后,指向不能发生改变。

航天科技集团五院508所多波束激光雷达研制团队,攻克了大功率高频激光器、超高灵敏度微弱信号探测、高精度收发光学系统设计装配等关键技术,解决相关难题。

据了解,陆地生态系统碳监测卫星是我国首个以林业探测为主任务的卫星,也是我国首个以激光雷达为主载荷,进行对地观测的卫星。多波束激光雷达也创新性地采用了主被动一体化的方式进行探测,首次将负责主动探测的激光雷达和被动探测的遥感相机集成到一台载荷上。

激光雷达可以获得森林的垂直高度信息,但它的探测方式是打点,无法回避光斑之间间距较大的遗憾。而遥感相机可以获取大范围地面图像,研制团队将点探测与面探测有机结合起来,从而获得大范围森林信息,最终巧妙达到1+1>2的效果。

另外,为了提高探测效率,多波束激光雷达的波束数量和重复频率大幅提升。相较我国目前在轨的激光雷达,该星多波束激光雷达为5波束40Hz,每秒可获得200个地面光斑信息,光斑间距低至180米,探测效率提升33倍。

激光雷达和多光谱相机。航天科技集团五院供图

神器3

三维立体瞰森林的多目精灵

一般的遥感应用通常采取垂直对地观测的方式,随着太阳高度角及观测角度的变化,常常使得所观测的同一地表物体因其反射、辐射信息的很大差异而获得不同的反馈信息,从而降低了对目标物的识别精度和对其参数反演的准确度。

多角度多光谱相机是我国首个五角度可见光探测相机。在对植被的观测中,可以分别从垂直0度、正负19度、正负41度5个方向获取同一地面景物的多光谱图像数据,获得更为详细可靠的地表三维空间结构信息。

据航天科技集团五院介绍,原来一台相机从人的头顶经过,垂直观测,只能看到人的头顶。现在拍摄角度多了,不仅能看到人的头顶,还能看到其面部、后脑勺、前胸后背等多方面、多维度的信息。据了解,该卫星增加了基础参考信息量,不仅能看清森林冠顶,还能看清它的侧面,这样就能知道森林的疏密分布、健康、长势甚至病虫害情况。

同时,这五个角度在观测光谱的选择上“暗藏玄机”,设计上它还能“看”出森林的健康情况,进而推算其固碳能力。由于森林叶绿素含量、冠层结构不同,植被叶片在红边波段的反射率会发生突变,将达到一个明显陡峭的斜坡。

据介绍,业界认为,品质好的植被其反射率大幅度上升,因此其斜坡斜率越大说明植被越健康。正是利用这个特点,科研人员设计时将其中两台大角度观测相机全色谱段改换为红边谱段,而其余的小角度观测相机仍采用了传统可见光波段设置,这样能更加全面准确地用于观测植物氮素含量、叶绿素含量、病虫害、生物量估算等。

值得注意的是,其“体态”非常轻盈,单台不超过20公斤。

多角度多光谱相机(其中的两台相机)。航天科技集团五院供图

■ 延伸

成功搭载了交通四号卫星和闵行少年星2颗小卫星

记者从国家航天局获悉,8月4日11时08分,我国在太原卫星发射中心采用长征四号乙运载火箭,成功发射首颗陆地生态系统碳监测卫星“句(gōu)芒号”。该卫星将在碳储量监测、生态资源详查、国家重大生态工程监测评价等方向提供遥感监测服务,为“美丽中国”发挥遥感力量。

“句芒号”卫星是国家民用空间基础设施中长期发展规划中的科研卫星,运行于高度为506公里、倾角97.4度的太阳同步轨道。通过激光、多角度、多光谱、超光谱、偏振等综合遥感手段,实现植被生物量、大气气溶胶、植被叶绿素荧光等要素的探测和测量,将广泛应用于陆地生态系统碳监测、陆地生态和资源调查监测、国家重大生态工程监测评价、大气环境监测和气候变化中气溶胶作用研究等工作,还将服务高程控制点获取、灾害监测评估、农情遥感监测等需求。

本次任务还成功搭载了交通四号卫星和闵行少年星2颗小卫星。据了解,交通四号卫星是由中国交通通信信息中心和北京和德宇航技术有限公司共同研制的第三颗VDES试验卫星,整星重量约40kg,该星入轨后,主要开展VDES(VHF Data Exchange System,甚高频数据交换系统)载荷、遥感载荷的功能及性能测试,并与和德宇航已经在轨运行的其他七颗卫星开展物联网系统通信体制、协议试验验证。

此外,该星主要提供全球海上船只定位、运行状态检测以及船与船、岸与船和星与船之间的窄带数据双向通信服务,在未来水上应急、安全监管、主权维护等方面发挥重要作用,同时,作为全球新一代海洋通信系统,星基VDES系统将为我国交通强国、海洋强国战略以及国家信息安全提供重要保障。

记者从航天科技集团八院了解到,另外一颗卫星命名为闵行少年星(零碳小先锋),由上海市闵行区教育局、上海航天空间技术有限公司及相关企业基于科普教育和科学试验联合研制。

该卫星上装载的高光谱温室气体成像仪源于学生创意,成于航天专家研发,意味着青少年亲身参与的“巡天探地”方案步入实践应用阶段。卫星通过一段时间的在轨运行,会把孩子们送给太空的礼物、歌唱祖国等音视频,通过特定的形式从太空中传输下来,有利于系统性地组织测控模拟、测控演练、卫星应用等一系列航天科普活动。

新京报记者 张建林

编辑 樊一婧 校对 陈荻雁

(责任编辑:冀文超 )
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