文/鄧雨楠

8月4日，世界首顆森林碳匯主被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)遙感衛(wèi)星——陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)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(guó)古代神話中的木神與春神，讓衛(wèi)星增添了一抹獨(dú)屬炎黃子孫的浪漫。

2012年，黨的十八大首次提出建設(shè)美麗中國(guó)的概念，強(qiáng)調(diào)把生態(tài)文明建設(shè)放在突出地位，中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司五院開(kāi)始思考一個(gè)問(wèn)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(gè)設(shè)想：研制一顆觀測(cè)綠水青山的衛(wèi)星。

當(dāng)時(shí)，國(guó)際上還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)植被進(jìn)行探測(cè)的衛(wèi)星，對(duì)于衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，他們面臨的是一個(gè)全新的挑戰(zhàn)。為了精準(zhǔn)了解林業(yè)遙感需求，他們四處求學(xué)，研究林業(yè)知識(shí)。衛(wèi)星總設(shè)計(jì)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(gè)問(wèn)題?！?/p>

衛(wèi)星正式批復(fù)立項(xiàng)是5年前，從一紙規(guī)劃開(kāi)始進(jìn)入研制階段，衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)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)。

▲ 長(zhǎng)征四號(hào)乙火箭發(fā)射句芒號(hào)衛(wèi)星

摸清森林資源，掌握“碳收支賬戶”

實(shí)現(xiàn)“碳中和”，就如同大自然的一場(chǎng)“碳源”與“碳匯”的數(shù)字運(yùn)算，最終期待實(shí)現(xiàn)“收支相抵”。要對(duì)“碳收支賬戶”做到心中有數(shù)，首先就要對(duì)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(duì)應(yīng)到衛(wèi)星設(shè)計(jì)上，其搭載的多角度多光譜相機(jī)和激光雷達(dá)，可以通過(guò)獲得森林的地面圖像和高度信息，較好地測(cè)量出植被的蓄積量和生物量，反映生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量。

衛(wèi)星副總設(shè)計(jì)師張新偉介紹，一般的遙感應(yīng)用通常采取垂直對(duì)地觀測(cè)的方式，但如果能夠增加觀測(cè)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(shí)別精度和反演準(zhǔn)確度。這顆陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星搭載的多角度多光譜相機(jī)就可以從5個(gè)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(xì)可靠的地表三維空間結(jié)構(gòu)信息。

“原來(lái)一臺(tái)相機(jī)從頭頂經(jīng)過(guò)，垂直觀測(cè)，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?！蔽逶?08所多角度多光譜相機(jī)主任設(shè)計(jì)師賈福娟打了個(gè)比方。

▲ 句芒號(hào)衛(wèi)星激光雷達(dá)作業(yè)示意圖

▲ 句芒號(hào)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)森林示意圖

▲ 從太空中看句芒號(hào)衛(wèi)星工作

▲ 句芒號(hào)衛(wèi)星超光譜探測(cè)儀葉綠素?zé)晒獠蹲绞疽鈭D

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(lèi)、健康、長(zhǎng)勢(shì)甚至病蟲(chóng)害情況。

為了更全面地測(cè)出植被的蓄積量，衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)還需要對(duì)森林的垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)。由于光學(xué)遙感對(duì)森林的垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)具有一定局限性，于是激光雷達(dá)主動(dòng)探測(cè)技術(shù)出現(xiàn)了。

五院508所多波束激光雷達(dá)主任設(shè)計(jì)師孫立對(duì)其原理進(jìn)行了解釋?zhuān)寒?dāng)激光從雷達(dá)照射到森林時(shí)，光束首先到達(dá)樹(shù)頂，一部分激光被樹(shù)冠反射回去，另一部分激光則沿著縫隙穿透向下，再被樹(shù)木中間的樹(shù)葉、枝干反射回去，最后一部分激光到達(dá)地面，被地面反射。這樣就可以得到樹(shù)冠、中部、地面的回波。根據(jù)回波的時(shí)間差計(jì)算樹(shù)高，根據(jù)能量比值判斷樹(shù)種，甚至可以知道樹(shù)木長(zhǎng)勢(shì)如何。

衛(wèi)星觀測(cè)過(guò)程中也會(huì)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(dá)可以有效解決這一問(wèn)題。它們可以測(cè)量云、大氣顆粒物等輔助信息，為衛(wèi)星精確監(jiān)測(cè)森林碳儲(chǔ)量剔除干擾因素，確保大氣校正更精準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)森林植被生物量的高精度定量遙感測(cè)量。

“追捕”葉綠素?zé)晒猓捌婊锰煅邸庇薪^活

森林對(duì)于固碳發(fā)揮著重要作用，能夠吸收同時(shí)期我國(guó)年均人為碳排放量的45%。但是森林會(huì)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(dāng)達(dá)到某個(gè)飽和點(diǎn)之后，它們還能繼續(xù)幫助人類(lèi)延緩氣候變暖嗎？

為了具備高精度森林碳匯監(jiān)測(cè)能力，衛(wèi)星高精度獲取植被信息只是第一步，接下來(lái)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(guò)程中的關(guān)鍵影響因素，葉綠素?zé)晒飧呔戎茍D也是衛(wèi)星支撐高精度碳匯監(jiān)測(cè)的重要環(huán)節(jié)?！毙l(wèi)星總體副主任設(shè)計(jì)師毛一嵐介紹，衛(wèi)星上搭載的超光譜探測(cè)儀，可以捕捉植被的葉綠素?zé)晒猓磻?yīng)植被光合作用強(qiáng)弱，進(jìn)而定量化監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)中碳吸收能力。

▲ 近看句芒號(hào)衛(wèi)星

▲ 側(cè)視句芒號(hào)衛(wèi)星

▲ 衛(wèi)星搭載的多角度偏振成像儀

捕捉葉綠素?zé)晒獠](méi)有想象中那么簡(jiǎn)單，其光譜范圍狹窄，只有納米級(jí)寬度，在混沌的自然光中，探尋它就相當(dāng)于在一望無(wú)邊的圖書(shū)里尋找一紙密文。

衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)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納米至780納米這一段混濁在一起的光分成1100個(gè)漸變色彩，有效地尋找躲藏在某個(gè)漸變色角落里的葉綠素?zé)晒狻?/p>

五院508所超光譜探測(cè)儀主任設(shè)計(jì)師王偉剛說(shuō)：“這相當(dāng)于地球上空多了一顆奇幻的眼睛，告訴我們?cè)谏衩孛缞J的大森林里正在進(jìn)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，碳中和進(jìn)行到哪種程度……”

推算全球碳匯，應(yīng)對(duì)氣候變化

“陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星需要通過(guò)多波束激光雷達(dá)、多角度多光譜相機(jī)、超光譜探測(cè)儀、多角度偏振成像儀等4個(gè)載荷來(lái)完成綜合觀測(cè)任務(wù)?！毙l(wèi)星總體主任設(shè)計(jì)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(jì)算，多達(dá)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(shí)大。”曹海翊坦言，為了能夠定量監(jiān)測(cè)森林植被狀態(tài)，滿足碳匯監(jiān)測(cè)需求，研制團(tuán)隊(duì)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，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(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這一過(guò)程要結(jié)合林業(yè)部門(mén)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，將遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成地面語(yǔ)言，并對(duì)衛(wèi)星實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)不斷反演和迭代。

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(cè)試后，將正式投入運(yùn)行，約兩個(gè)月的時(shí)間完成一個(gè)回歸周期，實(shí)現(xiàn)全球范圍的有效覆蓋。

▲ 長(zhǎng)四乙火箭