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:解密“高分五号”卫星:环境保护再添“天眼”

2018-05-15 08:26:57 来源:人民日报 作者:冯华 编辑:曾映雪

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  中国航天近期又有一次引人瞩目的发射。5月9日2时28分,我国在太原卫星发射中心用长征四号丙运载火箭成功发射高分五号卫星。这是世界首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星,也是我国光谱分辨率最高的卫星。高分五号卫星的成功发射,是我国实现高光谱分辨率对地观测能力的重要标志,将满足环境综合监测等方面的迫切需求,对掌握高光谱遥感信息资源自主权,助力建设美丽中国具有重要意义。

  高分五号卫星的本领为何这么强?卫星上搭载了哪些“神器”,又能发挥什么作用?

  高分五号卫星将填补国产卫星无法有效探测区域大气污染气体的空白

  高分五号是一颗什么样的卫星?

  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说,高分五号是高分专项(高分辨率对地观测系统重大专项)规划的唯一一颗陆地环境高光谱观测卫星,是世界上首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星,也是我国高分专项中一颗重要的技术试验星。

  专家介绍,高光谱遥感是当前遥感技术的前沿领域。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的“身份证”。而高分五号卫星与此前发射的高分一号、二号、四号卫星有所不同。光学成像只能看到物质的形状、尺寸等,高分五号卫星具备的光谱成像技术,可使光谱与图像结合为一体,探测物质的具体成分。

  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表示,目前我国在大气污染防治、水污染防治、生态环境监管、中央环保督察、环境污染和生态破坏事件应急处置等日常工作中,已经越来越离不开遥感监测的支撑。但对于大范围、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和重访能力、空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率等方面都存在很大差距,严重制约了卫星遥感技术在生态环境保护工作中的应用。

  据了解,高分五号卫星是以生态环境部为牵头用户、自然资源部和中国气象局等为主要用户的环境专用卫星,具有高光谱、大范围、定量化探测等特点,面向生态环境监测搭载的多个大气探测载荷具备大幅宽、高光谱及偏振探测能力,使二氧化氮和二氧化硫等污染气体、二氧化碳和甲烷等温室气体高精度遥感探测成为可能。

  因此,高分五号卫星将填补国产卫星无法有效探测区域大气污染气体的空白,通过对大气污染气体、温室气体、气溶胶等物理要素的监测,动态反映我国大气污染状况。同时,高分五号卫星还可以对内陆水体、陆表生态环境、蚀变矿物、岩矿类别进行探测,为我国环境监测、资源勘查、防灾减灾等行业,提供高质量、高可靠性的高光谱数据。

  装载的陆地观测载荷和大气类观测载荷让高分五号卫星拥有了“火眼金睛”

  高分五号搭载了哪些“神器”?

  从2012年12月立项,到今年5月发射,高分五号的研制历时65个月。卫星设计寿命8年,装载2台全新研制的陆地观测载荷和4台全新研制的大气类观测载荷。这6大载荷“神器”让高分五号卫星拥有了“火眼金睛”。

  王桥说,以大气痕量气体差分吸收光谱仪为例,它具有从紫外到可见波段获取高光谱数据的能力,光谱分辨率高达0.5纳米,可用于6种以上大气痕量气体成分分布和变化的定量反演,支持空气质量变化监测、各种排放过程对大气组成成分和全球气候变化的影响分析。

  “再如最新研制的两个水体陆地探测仪——可见短波红外高光谱相机和全谱段光谱成像仪,这两个载荷为我们实现高精度、定量化的水体和陆地生态环境要素监测提供先进的技术手段。”王桥说,这两个载荷在水环境监测方面,可用于水体污染物监测、饮用水源地环境风险监测、城市黑臭水体监测、近岸海域水环境监测等;在陆地生态环境监测方面可用于地表精细分类、开发、建设、生产活动引起的生态破坏和生态影响监测、生态系统状况及动态变化监测、中央环保督察及环境专项执法检查技术支持等。

  童旭东介绍,高分五号卫星的谱段范围宽,可实现紫外至长波红外谱段的高光谱观测,是国际上首次实现对大气和陆地进行综合观测的全谱段高光谱卫星。此外也是国内光谱分辨率最高的卫星,实现了对氮氧化合物、二氧化硫等痕量气体的高光谱监测,光谱分辨率为0.3—0.5纳米。

  高分五号还是国内探测手段最多的光学遥感卫星,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,工作模式多达26种,可以实现多种观测数据融合应用。

  此外,高分五号卫星定标精度高,星上载荷光谱定标精度达0.008波数,为国内卫星之最。就像一把尺子是否准确需要标校一样,高精度定标是高光谱卫星定量化应用的基础,是卫星探测信息准确不失真的重要保证。

  高分五号所在的“高分家族”,可以说个个都有绝活

  高分五号所在的“高分家族”什么样?还有哪些“高分兄弟”?

  童旭东说,高分专项是国家16个重大科技专项之一,于2010年批准启动实施。经过8年的努力,我国已成功发射高分一号至五号卫星,今年还将发射高分六号卫星。

  如果用一句话来介绍这些“高分兄弟”的话,可以说个个都有绝活。

  高分一号实现了中高分辨率与大幅宽相结合的观测能力。高分一号卫星视野广阔,一眼下去覆盖800公里,4天即可完整观测地球一遍,航天科研人员称其是“大幅宽成像”。

  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。它可以用“目光锐利”来形容,如果说地球上的小轿车在高分一号卫星的眼中还只是一个黑点的话,那么,高分二号卫星已经能分辨出小轿车是两厢还是三厢了。

  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,最大的特点就是具备全天时、全天候的成像能力,不管白天或黑夜、晴空或雷雨多云,随时都能对地成像,尤其适合应用于防灾减灾。

  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。它不像高分一号卫星和高分二号卫星那样在600—700公里的近地轨道环绕地球“奔跑”,而是站在距地36000公里的地球同步轨道上相对静止地驻留凝望,可以对某一目标区域持续进行观测。

  今年将要发射的高分六号卫星,是我国首颗设置红边谱段的多光谱遥感卫星。

  高分专项的实施大幅度提升了我国民用遥感卫星技术水平,低轨卫星空间分辨率由实施前最高2.1米提高到0.8米,地球同步遥感卫星分辨率由千米级提高到50米,低轨遥感卫星设计寿命由3年大幅提高到8年。

  “高分家族”的卫星,从太阳同步轨道到地球同步轨道,从可见光到微波,从普查到详查,初步构成了我国自主高分辨率对地观测系统并形成体系能力。

  在卫星数据应用方面,高分专项突破了数据遥感政策、共性关键技术、数据与资源共享、服务创业平台等方面的管理技术瓶颈。目前,高分卫星数据已在20余个行业、30个省(自治区、直辖市)得到广泛应用,在很大程度上实现了对国外同类型卫星数据的替代。

  这些卫星数据有力支撑了各级政府治理能力和治理体系现代化,在军民融合发展战略、“一带一路”倡议、精准扶贫中发挥了重要作用。(冯 华)

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