光明日報：高分五號發(fā)射成功 “天眼”監(jiān)測環(huán)境污染

高分五號衛(wèi)星效果圖 中國航天科技集團有限公司八院供圖

    5月9日凌晨2時28分，我國高分專項規(guī)劃的唯一一顆陸地環(huán)境高光譜觀測衛(wèi)星高分五號在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。高分五號衛(wèi)星飛向太空，意味著讓人類賴以生存的大氣、水、土壤、植被等將被更清晰地觀測，助力生態(tài)環(huán)境保護。

    作為“高分”家族的一員，高分五號將和此前已發(fā)射的四顆高分衛(wèi)星一同擔(dān)負起建設(shè)高分辨率對地觀測系統(tǒng)的使命。但與此前不同的是，這是一顆高光譜觀測衛(wèi)星，觀測譜段覆蓋紫外至長波紅外，在國際上首次實現(xiàn)對大氣、水體和陸地進行綜合的高光譜觀測。

   “高分五號成功發(fā)射，對于我們突破對國外高光譜遙感數(shù)據(jù)的依賴，緩解我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測對高光譜遙感數(shù)據(jù)的急需狀態(tài)將發(fā)揮重要作用。”高分專項應(yīng)用系統(tǒng)副總師、生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心主任王橋說。

1.突破瓶頸 減少對國外數(shù)據(jù)的依賴 

    要保護我們的環(huán)境，必須隨時“監(jiān)視”生態(tài)環(huán)境的變化，即進行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測。如果只是自己的“一畝三分地”，憑借一雙肉眼或者一些地面設(shè)備就可以實現(xiàn)監(jiān)測。但如果是數(shù)百萬平方公里的土地和浩渺的天空、無垠的海洋，及其更為復(fù)雜的物質(zhì)和生物，地面上的“眼睛”是遠遠不夠的。這時候，衛(wèi)星遙感的作用開始顯現(xiàn)。衛(wèi)星遙感監(jiān)測具有宏觀、快速、準確等特點，近年來作為生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化監(jiān)測的有效手段，得到了越來越多的應(yīng)用。

   “但我們目前遇到一個瓶頸，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源遠遠不能滿足應(yīng)用需求。”高分專項應(yīng)用系統(tǒng)副總師、生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心主任王橋說，對于大范圍、定量化、同步觀測要求較高的生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測，現(xiàn)有衛(wèi)星數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)覆蓋能力、高分辨率等方面與現(xiàn)實需要還有很大距離，嚴重制約了衛(wèi)星遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境保護工作中的應(yīng)用。而且導(dǎo)致了我國對國外高光譜遙感數(shù)據(jù)的依賴。

    目前，我國還沒有真正意義上的環(huán)境專用衛(wèi)星。自2010年高分專項立項以來，我國一直致力于提升自主獲取高分辨率觀測數(shù)據(jù)的能力。經(jīng)過8年努力，高分專項全部7型衛(wèi)星中已有4型成功發(fā)射并穩(wěn)定運行。其中，高分一號實現(xiàn)了中高分辨率與大幅寬相結(jié)合的觀測能力；高分二號標志著我國民用遙感衛(wèi)星跨入亞米級分辨率時代；高分三號是我國首顆1米分辨率C頻段多極化合成孔徑雷達成像衛(wèi)星；高分四號是世界首顆地球靜止軌道高分辨率成像遙感衛(wèi)星。它們在高空間分辨率、高時間分辨率等方面極大提升了觀測能力。

    據(jù)高分專項工程總設(shè)計師、國防科工局重大專項工程中心主任童旭東介紹，高分五號是高分專項規(guī)劃的唯一一顆陸地環(huán)境高光譜觀測衛(wèi)星，也是我國光譜分辨率最高的衛(wèi)星，分辨率達到0.5納米，相當于一張A4紙的萬分之一，它是形成我國“高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率”目標的重要組成部分，是實現(xiàn)高光譜分辨率對地觀測能力的重要標志。

    讓高旭東自豪和欣慰的是，高分五號對提高我國衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)的自給率、減少我國對國外高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的依賴，具有非常重要的意義。

2.精度更高 不再“看圖說話” 

    何為光譜分辨率？

    地球上不同的元素及其化合物都有自己獨特的光譜特征，光譜因此被視為辨別物質(zhì)的“指紋”，是用以識別和分析不同物體特征的一種重要“身份證”。光譜分辨率指探測光譜輻射能量的最小波長間隔，分辨率高的話可以提高識別目標物質(zhì)的能力，分辨率太低則會丟失光譜信息，影響正確識別目標物質(zhì)。

   “高光譜有細分，即識別地表物質(zhì)（地物）的能力。光譜的分辨率越高，對物質(zhì)的識別能力就越強。高分五號的光譜分辨率達到0.5納米，使我們可以很好地來區(qū)分不同地物的特征、提取不同的污染物。”王橋說。

    以前，我國遙感衛(wèi)星主要在可見光范圍內(nèi)做觀測，獲取的是可見光部分反饋的信息，通過遙感數(shù)據(jù)的幾何特征來區(qū)分地物，王橋形象地稱之為“看圖說話”。“這種方式能看出大氣污染或水污染，但要看清污染要素或物質(zhì)具體是什么，光靠‘看圖說話’是不行的，因為用可見光和肉眼看不到這些信息，需要用到光譜信息。”他說。

    高分五號的優(yōu)勢在于，其光譜分辨率達到0.5納米，觀測范圍從可見光擴展到紫外、紅外、短波、長波紅外，觀測能力大大提高，區(qū)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。

    王橋舉了一個例子：以前遙感衛(wèi)星在進行水體監(jiān)測時，沒有高光譜手段，很難區(qū)分水體里的水草和水華，衛(wèi)星遙感里給出的反饋是一類物質(zhì)，這就是光譜分辨率太低的局限。分辨率提高后，有了區(qū)分的能力，可以通過遙感數(shù)據(jù)把不同物質(zhì)種類提取出來，更好地探測和研究污染情況。

    此外，高分五號還是我國定量化性能最高的衛(wèi)星。它裝載有太陽漫反射板等7類星上定標器，絕對輻射定標精度優(yōu)于5%，相對輻射定標精度優(yōu)于3%。“高五發(fā)射后，可以支持我們做定量反演、定量提取，使精細監(jiān)測成為可能。”童旭東說。

3.填補空白 探測大氣污染更專業(yè) 

    高分五號高光譜手段的實現(xiàn)，建立在其配置了6種先進載荷地基礎(chǔ)上。它搭載了4個大氣環(huán)境探測和2個水體陸地探測載荷，可獲取從紫外到長波紅外譜段的高光譜分辨率遙感數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對大氣和陸表的綜合觀測。

    據(jù)介紹，高分五號配置了可見短波紅外高光譜相機、全譜段光譜成像儀、大氣主要溫室氣體檢測儀、大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測儀等6種先進載荷。“這是國內(nèi)首顆同時具有多光譜、高光譜、偏振、多角度、掩星、耀斑等多種觀測手段的光學(xué)遙感衛(wèi)星，可實現(xiàn)多種觀測數(shù)據(jù)融合應(yīng)用。”童旭東說。

    作為國內(nèi)探測手段最多的光學(xué)遙感衛(wèi)星，高分五號可實現(xiàn)對內(nèi)陸水體、陸表生態(tài)環(huán)境、蝕變礦物、巖礦類別以及大氣污染氣體、溫室氣體等進行綜合探測，為我國環(huán)境監(jiān)測、資源勘查、氣候變化、農(nóng)作物監(jiān)測與估產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)等提供高質(zhì)量的高光譜數(shù)據(jù)。比如，在水體生態(tài)環(huán)境監(jiān)測上，可以監(jiān)測城市黑臭水體等污染情況；在陸表生態(tài)環(huán)境監(jiān)測上，可以對自然保護區(qū)里人類活動干擾情況、生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)里動植物生境變化實施動態(tài)遙感監(jiān)測。

    這其中，對大氣污染物的監(jiān)測尤其值得一提。此前我國發(fā)射的高分一號等衛(wèi)星，雖然也能觀測大氣污染情況。“但它們是普適性的，沒有針對大氣污染物做專門設(shè)計，不夠?qū)I(yè)化。”王橋介紹，高分五號更加專業(yè)化，六個載荷中四個為大氣環(huán)境監(jiān)測儀，具備大幅寬、高光譜及偏振探測能力，使二氧化氮、二氧化硫等污染氣體和二氧化碳、甲烷等溫室氣體高精度遙感探測成為可能，在大氣污染監(jiān)測方面帶來極大突破。