文|王小燕 呂爭(zhēng) 李俊杰 龔亞麗 陳衛(wèi)榮 林軍

中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心

一、引言

2020年9月，中國(guó)首次向世界提出“雙碳”目標(biāo)，力爭(zhēng)于2030 年前二氧化碳（CO2）排放達(dá)到峰值，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。為精準(zhǔn)評(píng)估我國(guó)陸地碳匯對(duì)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的貢獻(xiàn)，擴(kuò)大生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查與監(jiān)測(cè)的范圍，提升陸地碳匯的評(píng)估精度，量化各類措施對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力的影響，“碳監(jiān)測(cè)”衛(wèi)星應(yīng)運(yùn)而生。

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星（句芒號(hào)）作為《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)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(guó)首顆森林碳匯主被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)的遙感衛(wèi)星，能夠以主被動(dòng)相結(jié)合的測(cè)量方式探測(cè)陸地生態(tài)系統(tǒng)植被生物量、大氣氣溶膠、植被葉綠素?zé)晒獾纫?。它可以支撐大氣環(huán)境和氣候變化監(jiān)測(cè)、高程控制點(diǎn)獲取、災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估、農(nóng)情遙感監(jiān)測(cè)、陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力評(píng)估、碳監(jiān)測(cè)、生態(tài)和資源調(diào)查監(jiān)測(cè)等工作。句芒號(hào)地面系統(tǒng)通過(guò)在軌測(cè)試評(píng)審，目前處于應(yīng)用測(cè)試階段。

相較于國(guó)內(nèi)外已有的生態(tài)和大氣監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，句芒號(hào)配置了包括多波束激光雷達(dá)、多角度多光譜相機(jī)等更加全面、更加多樣化的成像載荷，它采用主被動(dòng)相結(jié)合的遙感手段能充分滿足我國(guó)對(duì)森林、草原、農(nóng)田等多要素遙感信息的監(jiān)測(cè)應(yīng)用需求，將在生態(tài)資源監(jiān)測(cè)、碳儲(chǔ)量評(píng)估等方面發(fā)揮其巨大力量。

二、句芒號(hào)衛(wèi)星主要性能

句芒號(hào)衛(wèi)星運(yùn)行于高度為506km、傾角97.4°的太陽(yáng)同步軌道，搭載了多波束激光雷達(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多臺(tái)載荷（表1），將在森林冠層高度監(jiān)測(cè)、森林類型分類、葉綠素?zé)晒夥植肌馊苣z光學(xué)厚度監(jiān)測(cè)、林火監(jiān)測(cè)等方面產(chǎn)生廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

表1 句芒號(hào)衛(wèi)星載荷主要參數(shù)

1．多波束激光雷達(dá)

多波束激光雷達(dá)主要用于監(jiān)測(cè)森林冠層高度和結(jié)構(gòu)。當(dāng)激光垂直照射到森林時(shí)，一部分激光會(huì)被樹(shù)冠反射回去，另一部分激光則沿著縫隙向下穿透，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。這樣就能得到樹(shù)冠、枝葉、地面的回波，可以根據(jù)多個(gè)回波的時(shí)間差計(jì)算出樹(shù)木各層的高度（圖1）。

圖1 激光雷達(dá)測(cè)高示意圖

句芒號(hào)衛(wèi)星的多波束激光雷達(dá)可以通過(guò)其5個(gè)40Hz 的激光波束連續(xù)向地面發(fā)射間距達(dá)百米級(jí)的光斑，獲取大范圍的森林垂直數(shù)據(jù)信息，可應(yīng)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(cè)高、森林生物量估算等。另外在大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，句芒號(hào)的大氣激光雷達(dá)還可以有效探測(cè)大氣中云和氣溶膠的垂直分層結(jié)構(gòu),對(duì)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

2．多角度多光譜相機(jī)

多角度多光譜相機(jī)配置了前、正、后共5 個(gè)不同角度的相機(jī)，能對(duì)森林進(jìn)行立體成像。一臺(tái)垂直角度觀測(cè)的相機(jī)從樹(shù)木上方經(jīng)過(guò)時(shí)，只能看到樹(shù)冠表面。如果從不同的拍攝角度觀測(cè)，就能看到樹(shù)木前后左右等多個(gè)側(cè)面信息，這樣就能更全面地監(jiān)測(cè)到森林的疏密分布、健康、長(zhǎng)勢(shì)情況。

句芒號(hào)衛(wèi)星的多角度多光譜相機(jī)是我國(guó)首個(gè)五角度可見(jiàn)光探測(cè)相機(jī)。在對(duì)植被的觀測(cè)中，可以分別從垂直0°、±19°、±41°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，繪制一幅“立體”植被分布圖，精準(zhǔn)覆蓋觀測(cè)區(qū)域的一草一木（圖2）。

圖2 多角度多光譜相機(jī)對(duì)地觀測(cè)示意圖

3．超光譜探測(cè)儀

超光譜探測(cè)儀可獲取太陽(yáng)誘導(dǎo)植物葉綠素?zé)晒猓⊿IF）光譜信息，可用于監(jiān)測(cè)植被光合作用。植物靠光合作用呼吸，而葉綠素是這一過(guò)程中的關(guān)鍵影響因素，植物在光合作用過(guò)程中其葉綠素會(huì)發(fā)出一種微弱的電磁輻射，稱之為葉綠素?zé)晒?。葉綠素?zé)晒獾哪芰糠浅Ｐ。芊磻?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。為了能監(jiān)測(cè)到這種微弱的能量信號(hào)，句芒號(hào)衛(wèi)星搭載了具備高光譜分辨率、高信噪比的超光譜探測(cè)儀，它采用光柵分光原理將光譜分辨率提升了100 倍，相當(dāng)于把載荷光譜范圍內(nèi)光的顏色分成1100 個(gè)漸變的色彩，這樣就能夠更有效地尋找躲藏在某個(gè)漸變色角落里的葉綠素?zé)晒猓瑥亩鴿M足森林與作物植被生產(chǎn)力評(píng)估的需求（圖3）。

圖3 超光譜探測(cè)儀葉綠素?zé)晒獠蹲绞疽鈭D

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(xué)及微物理參數(shù)探測(cè)。它測(cè)量包括氣溶膠光學(xué)厚度、單次散射反照率、云頂高度、云相態(tài)等在內(nèi)的大氣參數(shù)。

句芒號(hào)衛(wèi)星的多角度偏振成像儀采用超廣角光學(xué)系統(tǒng)加面陣CCD 實(shí)現(xiàn)成像，并通過(guò)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(gè)角度監(jiān)測(cè)大氣PM2.5 含量，獲取大氣橫向PM2.5 含量信息。同時(shí)，配合句芒號(hào)的大氣激光雷達(dá)，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(jù)立體信息，確保大氣校正更精準(zhǔn)。

三、應(yīng)用場(chǎng)景

句芒號(hào)衛(wèi)星是國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)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(cè)、森林資源調(diào)查監(jiān)測(cè)、實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)等方面發(fā)揮重要作用。

實(shí)現(xiàn)“碳中和”，“碳匯”是重要途徑之一，然而監(jiān)測(cè)碳匯這種宏觀且復(fù)雜的生態(tài)指標(biāo)往往需要大量的人力物力，陸碳衛(wèi)星憑借其多個(gè)“超能力”載荷可以提供全面、準(zhǔn)確、精細(xì)的森林資源信息，為森林碳匯監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。其應(yīng)用場(chǎng)景包括森林結(jié)構(gòu)參數(shù)反演、森林生物量監(jiān)測(cè)和森林碳匯估算等。

1．森林結(jié)構(gòu)參數(shù)反演

森林結(jié)構(gòu)參數(shù)是指森林冠層高度、森林郁閉度等反映森林結(jié)構(gòu)特征的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以反映森林的生態(tài)功能和碳循環(huán)過(guò)程，對(duì)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(jié)構(gòu)變化的重要參數(shù)，對(duì)森林生物量和森林碳儲(chǔ)量研究具有重要作用。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于森林冠層高度遙感反演的研究主要是基于機(jī)載和星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和微波遙感數(shù)據(jù)等，激光雷達(dá)通過(guò)記錄激光脈沖從發(fā)射到返回傳感器的時(shí)間延遲計(jì)算測(cè)距機(jī)與目標(biāo)地物之間的距離，提供足印點(diǎn)高度信息，如國(guó)際空間站全球生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)探測(cè)激光雷達(dá)（GEDI）監(jiān)測(cè)了全球的森林相對(duì)高度。

句芒號(hào)衛(wèi)星的多波束植被激光雷達(dá)可獲取森林冠層表面的激光回波信息，應(yīng)用于測(cè)量植被樹(shù)高。然而，由于激光雷達(dá)離散條帶狀觀測(cè)的不連續(xù)性，只能反演局部光斑樹(shù)高，因此可以借助多角度多光譜相機(jī)從不同角度觀測(cè)森林的視差來(lái)提取高度結(jié)構(gòu)信息，從而獲取區(qū)域內(nèi)的數(shù)字表面模型（DSM），為激光雷達(dá)觀測(cè)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(jù)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(shù)冠遮蔽地面的程度，是一種把森林茂密程度表示出來(lái)的定量指標(biāo)。郁閉度是森林資源調(diào)查中的一個(gè)重要因子, 它能反映森林結(jié)構(gòu)和森林環(huán)境，是森林蓄積量和森林生物量估測(cè)的重要影響因素之一。

激光雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)森林進(jìn)行測(cè)量時(shí)，發(fā)射的激光脈沖穿過(guò)大氣層后會(huì)先到森林冠頂，其中部分被反射回來(lái)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(guò)葉片縫隙到達(dá)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(dá)回波能量與總能量之間的比值可以用于估測(cè)森林郁閉度。然而目前星載激光雷達(dá)光斑點(diǎn)在空間分布上不連續(xù)，無(wú)法達(dá)到區(qū)域無(wú)縫覆蓋，因此同樣需要整合多角度多光譜數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，以提高森林郁閉度的估測(cè)精度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空間區(qū)域內(nèi)森林郁閉度的連續(xù)制圖。

2．森林地上生物量監(jiān)測(cè)

森林地上生物量是指森林中所有地上有機(jī)物質(zhì)的總量，包括樹(shù)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(zhǎng)期生產(chǎn)與代謝過(guò)程中積累的結(jié)果，是森林生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的能量基礎(chǔ)和物質(zhì)來(lái)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(zhǎng)狀況的差異性，因此，實(shí)測(cè)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(xué)關(guān)系模型，進(jìn)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(xué)遙感數(shù)據(jù)反演森林地上生物量。但基于光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的森林地上生物量估算方法易在平面上產(chǎn)生信息飽和問(wèn)題，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和多角度多光譜數(shù)據(jù)具有穿透力強(qiáng)和能測(cè)量高度信息的特點(diǎn)，可有效克服信息飽和問(wèn)題，在森林結(jié)構(gòu)參數(shù)和森林生物量反演中應(yīng)用廣泛。目前美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的ICESat-2 衛(wèi)星所搭載的ATLAS 測(cè)高雷達(dá)和國(guó)際空間站的GEDI 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)提供了全球范圍冠層覆蓋、冠層高度信息，被廣泛應(yīng)用于區(qū)域和全球尺度的森林生物量反演研究中。句芒號(hào)衛(wèi)星的激光雷達(dá)、多角度多光譜和超光譜探測(cè)儀在森林結(jié)構(gòu)參數(shù)和森林生物量的反演中有不同的優(yōu)勢(shì)，融合這些多源的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)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(hào)超光譜探測(cè)儀葉綠素?zé)晒猓⊿IF）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(guò)光合作用吸收并轉(zhuǎn)化為有機(jī)物儲(chǔ)存起來(lái)，從而減少空氣中二氧化碳的量，它與碳源的過(guò)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(guān)系，上文中提到的生物量通俗的說(shuō)就是指單位面積內(nèi)森林植物的重量，而碳儲(chǔ)量是指單位面積內(nèi)森林植物中儲(chǔ)存的碳的量，因此一般可以通過(guò)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(shù)建立森林生物量和遙感指數(shù)之間的關(guān)系模型，可以評(píng)估森林吸收和儲(chǔ)存二氧化碳的能力。句芒號(hào)衛(wèi)星在森林碳匯估算中可以發(fā)揮其數(shù)據(jù)源優(yōu)勢(shì)，將激光雷達(dá)、多角度多光譜和超光譜數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，再根據(jù)地面采集的生物量和固碳量的樣方數(shù)據(jù)建立算法模型，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行森林碳匯的空間分布和動(dòng)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(guò)激光雷達(dá)獲取森林冠層高度信息，通過(guò)多光譜成像儀和高分辨率遙感數(shù)據(jù)提取植被類型和植被面積信息，對(duì)這些信息進(jìn)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(píng)估。

圖7 碳匯估算示意圖

四、結(jié)束語(yǔ)

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星作為《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025 年）》中的首批科研星之一，肩負(fù)著森林生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)、陸地生態(tài)和森林資源調(diào)查監(jiān)測(cè)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)等重任。它可獲取我國(guó)森林碳匯的多源遙感信息，提高碳匯計(jì)量的效率和精度，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的人工碳匯計(jì)量手段，為我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供重要支撐，助力我國(guó)對(duì)森林、草原、濕地等的統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)核算能力建設(shè)。