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pk10冠亚和40倍公式:高分五号:“天眼”监测环境污染

来源:光明日报 作者:陈海波 2018-05-10 09:29:47
内容摘要: 5月9日凌晨2时28分,我国高分专项规划的唯一一颗陆地环境高光谱观测卫星高分五号在太原卫星发射中心成功发射。高分五号卫星飞向太空,意味着让人类赖以生存的大气、水、土壤、植被等将被更清晰地观测,助力生态环境保护。

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高分五号卫星效果图 中国航天科技集团有限公司八院供图

  5月9日凌晨2时28分,我国高分专项规划的唯一一颗陆地环境高光谱观测卫星高分五号在太原卫星发射中心成功发射。高分五号卫星飞向太空,意味着让人类赖以生存的大气、水、土壤、植被等将被更清晰地观测,助力生态环境保护。

  作为“高分”家族的一员,高分五号将和此前已发射的四颗高分卫星一同担负起建设高分辨率对地观测系统的使命。但与此前不同的是,这是一颗高光谱观测卫星,观测谱段覆盖紫外至长波红外,在国际上首次实现对大气、水体和陆地进行综合的高光谱观测。

  “高分五号成功发射,对于我们突破对国外高光谱遥感数据的依赖,缓解我国生态环境监测对高光谱遥感数据的急需状态将发挥重要作用。”高分专项应用系统副总师、生态环境部卫星环境应用中心主任王桥说。

  1.突破瓶颈 减少对国外数据的依赖

  要保护我们的环境,必须随时“监视”生态环境的变化,即进行生态环境监测。如果只是自己的“一亩三分地”,凭借一双肉眼或者一些地面设备就可以实现监测。但如果是数百万平方公里的土地和浩渺的天空、无垠的海洋,及其更为复杂的物质和生物,地面上的“眼睛”是远远不够的。这时候,卫星遥感的作用开始显现。卫星遥感监测具有宏观、快速、准确等特点,近年来作为生态环境动态变化监测的有效手段,得到了越来越多的应用。

  “但我们目前遇到一个瓶颈,卫星遥感数据源远远不能满足应用需求。”高分专项应用系统副总师、生态环境部卫星环境应用中心主任王桥说,对于大范围、定量化、同步观测要求较高的生态环境遥感监测,现有卫星数据在数据覆盖能力、高分辨率等方面与现实需要还有很大距离,严重制约了卫星遥感技术在生态环境保护工作中的应用。而且导致了我国对国外高光谱遥感数据的依赖。

  目前,我国还没有真正意义上的环境专用卫星。自2010年高分专项立项以来,我国一直致力于提升自主获取高分辨率观测数据的能力。经过8年努力,高分专项全部7型卫星中已有4型成功发射并稳定运行。其中,高分一号实现了中高分辨率与大幅宽相结合的观测能力;高分二号标志着我国民用遥感卫星跨入亚米级分辨率时代;高分三号是我国首颗1米分辨率C频段多极化合成孔径雷达成像卫星;高分四号是世界首颗地球静止轨道高分辨率成像遥感卫星。它们在高空间分辨率、高时间分辨率等方面极大提升了观测能力。

  据高分专项工程总设计师、国防科工局重大专项工程中心主任童旭东介绍,高分五号是高分专项规划的唯一一颗陆地环境高光谱观测卫星,也是我国光谱分辨率最高的卫星,分辨率达到0.5纳米,相当于一张A4纸的万分之一,它是形成我国“高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率”目标的重要组成部分,是实现高光谱分辨率对地观测能力的重要标志。

  让高旭东自豪和欣慰的是,高分五号对提高我国卫星高光谱数据的自给率、减少我国对国外高光谱卫星数据的依赖,具有非常重要的意义。

  2.精度更高 不再“看图说话”

  何为光谱分辨率?

  地球上不同的元素及其化合物都有自己独特的光谱特征,光谱因此被视为辨别物质的“指纹”,是用以识别和分析不同物体特征的一种重要“身份证”。光谱分辨率指探测光谱辐射能量的最小波长间隔,分辨率高的话可以提高识别目标物质的能力,分辨率太低则会丢失光谱信息,影响正确识别目标物质。

  “高光谱有细分,即识别地表物质(地物)的能力。光谱的分辨率越高,对物质的识别能力就越强。高分五号的光谱分辨率达到0.5纳米,使我们可以很好地来区分不同地物的特征、提取不同的污染物。”王桥说。

  以前,我国遥感卫星主要在可见光范围内做观测,获取的是可见光部分反馈的信息,通过遥感数据的几何特征来区分地物,王桥形象地称之为“看图说话”。“这种方式能看出大气污染或水污染,但要看清污染要素或物质具体是什么,光靠‘看图说话’是不行的,因为用可见光和肉眼看不到这些信息,需要用到光谱信息。”他说。

  高分五号的优势在于,其光谱分辨率达到0.5纳米,观测范围从可见光扩展到紫外、红外、短波、长波红外,观测能力大大提高,区分不同地物、不同污染物甚至不同污染程度的能力大大提高。

  王桥举了一个例子:以前遥感卫星在进行水体监测时,没有高光谱手段,很难区分水体里的水草和水华,卫星遥感里给出的反馈是一类物质,这就是光谱分辨率太低的局限。分辨率提高后,有了区分的能力,可以通过遥感数据把不同物质种类提取出来,更好地探测和研究污染情况。

  此外,高分五号还是我国定量化性能最高的卫星。它装载有太阳漫反射板等7类星上定标器,绝对辐射定标精度优于5%,相对辐射定标精度优于3%。“高五发射后,可以支持我们做定量反演、定量提取,使精细监测成为可能。”童旭东说。

  3.填补空白 探测大气污染更专业

  高分五号高光谱手段的实现,建立在其配置了6种先进载荷地基础上。它搭载了4个大气环境探测和2个水体陆地探测载荷,可获取从紫外到长波红外谱段的高光谱分辨率遥感数据,实现对大气和陆表的综合观测。

  据介绍,高分五号配置了可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气主要温室气体检测仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪等6种先进载荷。“这是国内首颗同时具有多光谱、高光谱、偏振、多角度、掩星、耀斑等多种观测手段的光学遥感卫星,可实现多种观测数据融合应用。”童旭东说。

  作为国内探测手段最多的光学遥感卫星,高分五号可实现对内陆水体、陆表生态环境、蚀变矿物、岩矿类别以及大气污染气体、温室气体等进行综合探测,为我国环境监测、资源勘查、气候变化、农作物监测与估产、防灾减灾等提供高质量的高光谱数据。比如,在水体生态环境监测上,可以监测城市黑臭水体等污染情况;在陆表生态环境监测上,可以对自然保护区里人类活动干扰情况、生物多样性保护优先区里动植物生境变化实施动态遥感监测。

  这其中,对大气污染物的监测尤其值得一提。此前我国发射的高分一号等卫星,虽然也能观测大气污染情况。“但它们是普适性的,没有针对大气污染物做专门设计,不够专业化。”王桥介绍,高分五号更加专业化,六个载荷中四个为大气环境监测仪,具备大幅宽、高光谱及偏振探测能力,使二氧化氮、二氧化硫等污染气体和二氧化碳、甲烷等温室气体高精度遥感探测成为可能,在大气污染监测方面带来极大突破。

  “高分五号的发射,将填补国产卫星无法有效探测区域大气污染气体的空白,对于动态监测我国大气污染状况、进行大气污染防治具有重要意义。”王桥说。        

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