中國首顆陸地生態系統碳監測衛星 為碳達峰碳中和提供遙感支撐

香港文匯報訊（記者 劉凝哲 北京報道）國家航天局昨日宣布，8月4日11時08分，中國在太原衛星發射中心採用長征四號乙運載火箭，成功發射首顆陸地生態系統碳監測衛星「句芒號」，其主要任務是監測陸地生態系統能吸收多少二氧化碳，即考察陸地生態系統的碳匯能力，為中國推進碳達峰碳中和提供重要的遙感支撐。

中國傳統的碳匯測量主要依靠人工對森林植被進行抽樣監測，碳星的應用標誌着中國碳匯監測進入天基遙感時代。據中新社報道，「句芒號」衛星是國家民用空間基礎設施中長期發展規劃中的科研衛星，運行於高度為506公里、傾角97.4度的太陽同步軌道。由中國航天科技集團五院遙感衛星總體部抓總研製，是世界首顆森林碳匯主被動聯合觀測的遙感衛星，能實現對森林植被生物量、氣溶膠分布、葉綠素熒光的高精度定量遙感測量。

測量森林的「天外之尺」

據悉，植被高度、植被面積、植被葉綠素熒光和大氣氣溶膠含量是計算森林碳匯能力的核心數據。作為森林碳匯監測的「專業星」，「句芒號」配置了多波束激光雷達、多角度多光譜相機、超光譜探測儀、多角度偏振成像儀等4種載荷支持獲取以上數據。

藉助多波束激光雷達，碳星通過計算激光到樹冠和地面的時間差計算樹木高度，衛星一次測量發射出激光的光束數量、發射頻次則決定測量精度。然而要在數百公里高的衛星軌道上實現精確測量並不容易。

由於衛星軌道較高，大部分的激光能量會耗散在路上，這就要求激光發射系統向地面射出的激光能量必須足够強，激光接收系統足够靈敏，能將微弱的回波信號從太陽光等強噪聲裏提取出來。此外，激光發射和接收系統還必須精確對準地面同一個目標。

對此，多波束激光雷達採用了主被動一體化的方式進行探測，首次將負責主動探測的激光雷達和被動探測的遙感相機集成到一台載荷上。激光雷達通過點探測可獲得森林的垂直高度信息，遙感相機通過面探測獲取大範圍地面圖像。

三維立體「多目」瞰森林

為了準確還原森林茂密程度，研製團隊為衛星設計安裝了5個多光譜相機，實現對地五個角度立體觀測。

在對植被的觀測中，多角度多光譜相機可分別從垂直0度、正負19度、正負41度5個方向獲取同一地面景物的多光譜圖像數據，不僅能看清森林冠頂，還能看清其側面，了解森林的疏密分布、健康、長勢等情況。

此外，這些不同角度的相機還能「看」出森林的健康情況，進而推算其固碳能力。根據健康植被的紅邊波段反射率會大幅上升這一特點，研製團隊將其中兩台大角度觀測相機全色譜段改為紅邊譜段，其餘小角度觀測相機仍採用傳統可見光波段設置，這樣能更加全面準確地觀測植物氮素含量、葉綠素含量、病蟲害、生物量估算等。

追捕葉綠素熒光

葉綠素是植被光合作用的關鍵影響因素，葉綠素熒光的探測直接關係大尺度的植被光合作用動態監測，成為碳匯監測重要環節。

葉綠素熒光的光譜範圍狹窄，僅納米級寬度，在自然光中探尋它，相當於在圖書架裏尋找一紙密文，並且其能量在植被反射能量中也非常微弱。

對此，科研人員為碳星配置了超光譜探測儀，將光譜分辨率較傳統提升10倍，實現國際首次0.3納米精細探測，可探測到人眼無法辨識的細微的太陽光明暗變化。它能將670納米至780納米這段光的顏色展分成1,000多個漸變色彩，更有效地尋找「躲藏」在某個漸變色角落裏的葉綠素熒光。

具備全自主任務規劃能力

抓總研製「句芒號」的航天科技集團五院表示，該星是世界首顆森林碳匯主被動聯合觀測的遙感衛星，能夠實現對森林植被生物量、氣溶膠分布、葉綠素熒光的高精度定量遙感測量。在該星發射前，中國傳統的碳匯測量主要依靠人工對森林植被進行抽樣監測，碳星的應用將改變這一現狀，標誌着中國碳匯監測進入天基遙感時代。

值得一提的是，雖然「句芒號」的載荷多、模式多，但其操控十分便捷，是一顆具備全自主任務規劃能力的「智能星」。除森林碳匯監測的主要任務外，該衛星還可廣泛應用於環保、測繪、氣象、農業、減災等領域，支撐作物評估、植物病蟲害監測、災害應急成像等工作。衛星任務繁多，工作模式極其複雜，按照載荷工作模式組合計算多達47種。研製團隊考慮要讓衛星支持更多應用的同時，還要考慮衛星易用、好操控。傳統的衛星指令操控模式顯然行不通，為此研製團隊從硬件上保證各種載荷數據獨立傳遞，從軟件上讓衛星「智能化」，根據設定的邊界條件參數實現自主辨別海洋、陸地、光照條件，並以此自動規劃「最佳探測任務」流程，實現完全的自主任務規劃。在這種設計下，除了特殊或突發的任務外，「句芒號」無需用戶「操心」，就能如同智能掃地機器人一樣，一鍵開機，掃哪裏、怎麼掃、一氣呵成。