森林碳匯主被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星是世界首顆森林碳匯主被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)的遙感衛(wèi)星，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)森林植被生物量、氣溶膠分布、葉綠素?zé)晒獾母呔榷窟b感測(cè)量。碳星的發(fā)射和應(yīng)用，將改變依靠人工對(duì)森林植被進(jìn)行抽樣監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)碳匯測(cè)量現(xiàn)狀，標(biāo)志著我國(guó)碳匯監(jiān)測(cè)進(jìn)入天基遙感時(shí)代。

森林碳匯監(jiān)測(cè)需要有高精度的植被數(shù)據(jù)作為支撐，植被高度、植被面積、葉綠素?zé)晒夂痛髿釶M2.5含量是計(jì)算森林碳匯能力的核心數(shù)據(jù)。研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將天基測(cè)繪“激光雷達(dá)+光學(xué)相機(jī)”為代表的主被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)手段應(yīng)用到森林監(jiān)測(cè)中，配置了多波束激光雷達(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4種載荷，確保數(shù)據(jù)獲取“準(zhǔn)、全、細(xì)、精”。

森林碳匯監(jiān)測(cè)“專業(yè)星”

植被測(cè)高結(jié)果“準(zhǔn)”。碳星利用多波束激光雷達(dá)進(jìn)行植被測(cè)高是一個(gè)抽樣測(cè)量的過(guò)程，通過(guò)計(jì)算激光到樹冠以及地面的時(shí)間差計(jì)算樹木的高度，而衛(wèi)星一次測(cè)量發(fā)射出激光的光束數(shù)量、發(fā)射頻次則決定測(cè)量精度。為最大程度提升植被測(cè)高的數(shù)據(jù)精度，研制團(tuán)隊(duì)通過(guò)數(shù)據(jù)反演、仿真分析、應(yīng)用測(cè)試等實(shí)現(xiàn)1秒發(fā)射測(cè)量激光200次的能力，并對(duì)激光雷達(dá)所需的衛(wèi)星環(huán)境和硬件配置進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，克服散熱等難題，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)間隔由公里級(jí)跨越至百米級(jí)，植被測(cè)高精度大幅提升。

獲取植被面積“全”。為了準(zhǔn)確還原森林茂密程度，研制團(tuán)隊(duì)大膽創(chuàng)新、巧思破解，為衛(wèi)星設(shè)計(jì)安裝了5個(gè)多光譜相機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地5角度立體觀測(cè)。同時(shí)，為了避免植被陰、陽(yáng)面光線影響，研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出月球定標(biāo)方法，確保5角度成像光譜響應(yīng)一致。實(shí)現(xiàn)這些能力后，5角度多光譜相機(jī)能幫助碳星繪制一幅“立體”植被分布圖，精準(zhǔn)覆蓋觀測(cè)區(qū)域的一草一木。

葉綠素?zé)晒馓綔y(cè)“細(xì)”。葉綠素是植被光合作用的關(guān)鍵影響因素，葉綠素?zé)晒飧呔戎茍D便是碳星支撐高精度碳匯監(jiān)測(cè)的重要環(huán)節(jié)。但葉綠素?zé)晒獾哪芰糠浅Ｐ。瑑H有約0.5%~2%以熒光的形式發(fā)射出來(lái)，為提升葉綠素光譜探測(cè)精細(xì)程度，科研人員為碳星設(shè)計(jì)配置了超光譜探測(cè)儀，創(chuàng)新性使用了光柵分光原理，將光譜分辨率提升了10倍，實(shí)現(xiàn)國(guó)際首次0.3nm精細(xì)探測(cè)，能夠探測(cè)到人眼所看不到的太陽(yáng)光細(xì)微的明暗變化。

大氣校正數(shù)據(jù)“精”。為了去除大氣對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響，研制團(tuán)隊(duì)將大氣校正做到了極致。首先，研制團(tuán)隊(duì)為碳星專門配置了偏振成像儀，支持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。秉承精益求精的精神，研制團(tuán)隊(duì)還增配了大氣激光雷達(dá)，用于獲取大氣縱向PM2.5含量信息。一橫一縱將數(shù)據(jù)結(jié)果由二維變成了三維立體信息，確保大氣校正更精準(zhǔn)。

全自主任務(wù)規(guī)劃能力“智能星”

森林碳匯監(jiān)測(cè)是碳星的主要任務(wù)，除此之外，還可廣泛應(yīng)用于環(huán)保、測(cè)繪、氣象、農(nóng)業(yè)、減災(zāi)等領(lǐng)域，支撐作物評(píng)估、植物病蟲害監(jiān)測(cè)、災(zāi)害應(yīng)急成像等工作。任務(wù)繁多，工作模式極其復(fù)雜，按照載荷工作模式組合計(jì)算多達(dá)47種。

為了讓衛(wèi)星支持更多應(yīng)用，同時(shí)操控便捷，研制團(tuán)隊(duì)從硬件上保證各種載荷數(shù)據(jù)獨(dú)立傳遞，從軟件上讓衛(wèi)星“智能化”，根據(jù)設(shè)定的邊界條件參數(shù)實(shí)現(xiàn)自主辨別海洋、陸地、光照條件，并以此自動(dòng)規(guī)劃“最佳探測(cè)任務(wù)”流程，實(shí)現(xiàn)完全的自主任務(wù)規(guī)劃。在這種設(shè)計(jì)下，除了特殊或突發(fā)的任務(wù)外，碳星無(wú)需用戶“操心”，如同智能掃地機(jī)器人，一鍵開機(jī)，一氣呵成。