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解密“高分五號”衛星:環境保護再添“天眼”
發布時間:2018-05-16

  中國航天近期又有一次引人矚目的發射。5月9日2時28分,我國在太原衛星發射中心用長征四號丙運載火箭成功發射高分五號衛星。這是世界首顆實現對大氣和陸地綜合觀測的全譜段高光譜衛星,也是我國光譜分辨率最高的衛星。高分五號衛星的成功發射,是我國實現高光譜分辨率對地觀測能力的重要標志,將滿足環境綜合監測等方面的迫切需求,對掌握高光譜遙感信息資源自主權,助力建設美麗中國具有重要意義。


  高分五號衛星的本領為何這么強?衛星上搭載了哪些“神器”,又能發揮什么作用?


  高分五號衛星將填補國產衛星無法有效探測區域大氣污染氣體的空白


  高分五號是一顆什么樣的衛星?


  高分專項工程總設計師、國防科工局重大專項工程中心主任童旭東說,高分五號是高分專項(高分辨率對地觀測系統重大專項)規劃的唯一一顆陸地環境高光譜觀測衛星,是世界上首顆實現對大氣和陸地綜合觀測的全譜段高光譜衛星,也是我國高分專項中一顆重要的技術試驗星。


  專家介紹,高光譜遙感是當前遙感技術的前沿領域。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的“指紋”,是用以識別和分析不同物體特征的一種重要的“身份證”。而高分五號衛星與此前發射的高分一號、二號、四號衛星有所不同。光學成像只能看到物質的形狀、尺寸等,高分五號衛星具備的光譜成像技術,可使光譜與圖像結合為一體,探測物質的具體成分。


  高分專項應用系統副總師、生態環境部衛星環境應用中心主任王橋表示,目前我國在大氣污染防治、水污染防治、生態環境監管、中央環保督察、環境污染和生態破壞事件應急處置等日常工作中,已經越來越離不開遙感監測的支撐。但對于大范圍、定量化、同步觀測要求較高的生態環境遙感監測,現有衛星數據在數據覆蓋和重訪能力、空間分辨率、時間分辨率、光譜分辨率等方面都存在很大差距,嚴重制約了衛星遙感技術在生態環境保護工作中的應用。


  據了解,高分五號衛星是以生態環境部為牽頭用戶、自然資源部和中國氣象局等為主要用戶的環境專用衛星,具有高光譜、大范圍、定量化探測等特點,面向生態環境監測搭載的多個大氣探測載荷具備大幅寬、高光譜及偏振探測能力,使二氧化氮和二氧化硫等污染氣體、二氧化碳和甲烷等溫室氣體高精度遙感探測成為可能。


  因此,高分五號衛星將填補國產衛星無法有效探測區域大氣污染氣體的空白,通過對大氣污染氣體、溫室氣體、氣溶膠等物理要素的監測,動態反映我國大氣污染狀況。同時,高分五號衛星還可以對內陸水體、陸表生態環境、蝕變礦物、巖礦類別進行探測,為我國環境監測、資源勘查、防災減災等行業,提供高質量、高可靠性的高光譜數據。


  裝載的陸地觀測載荷和大氣類觀測載荷讓高分五號衛星擁有了“火眼金睛”


  高分五號搭載了哪些“神器”?


  從2012年12月立項,到今年5月發射,高分五號的研制歷時65個月。衛星設計壽命8年,裝載2臺全新研制的陸地觀測載荷和4臺全新研制的大氣類觀測載荷。這6大載荷“神器”讓高分五號衛星擁有了“火眼金睛”。


  王橋說,以大氣痕量氣體差分吸收光譜儀為例,它具有從紫外到可見波段獲取高光譜數據的能力,光譜分辨率高達0.5納米,可用于6種以上大氣痕量氣體成分分布和變化的定量反演,支持空氣質量變化監測、各種排放過程對大氣組成成分和全球氣候變化的影響分析。


  “再如最新研制的兩個水體陸地探測儀——可見短波紅外高光譜相機和全譜段光譜成像儀,這兩個載荷為我們實現高精度、定量化的水體和陸地生態環境要素監測提供先進的技術手段。”王橋說,這兩個載荷在水環境監測方面,可用于水體污染物監測、飲用水源地環境風險監測、城市黑臭水體監測、近岸海域水環境監測等;在陸地生態環境監測方面可用于地表精細分類、開發、建設、生產活動引起的生態破壞和生態影響監測、生態系統狀況及動態變化監測、中央環保督察及環境專項執法檢查技術支持等。


  童旭東介紹,高分五號衛星的譜段范圍寬,可實現紫外至長波紅外譜段的高光譜觀測,是國際上首次實現對大氣和陸地進行綜合觀測的全譜段高光譜衛星。此外也是國內光譜分辨率最高的衛星,實現了對氮氧化合物、二氧化硫等痕量氣體的高光譜監測,光譜分辨率為0.3—0.5納米。


  高分五號還是國內探測手段最多的光學遙感衛星,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,工作模式多達26種,可以實現多種觀測數據融合應用。


  此外,高分五號衛星定標精度高,星上載荷光譜定標精度達0.008波數,為國內衛星之最。就像一把尺子是否準確需要標校一樣,高精度定標是高光譜衛星定量化應用的基礎,是衛星探測信息準確不失真的重要保證。


  高分五號所在的“高分家族”,可以說個個都有絕活


  高分五號所在的“高分家族”什么樣?還有哪些“高分兄弟”?


  童旭東說,高分專項是國家16個重大科技專項之一,于2010年批準啟動實施。經過8年的努力,我國已成功發射高分一號至五號衛星,今年還將發射高分六號衛星。


  如果用一句話來介紹這些“高分兄弟”的話,可以說個個都有絕活。


  高分一號實現了中高分辨率與大幅寬相結合的觀測能力。高分一號衛星視野廣闊,一眼下去覆蓋800公里,4天即可完整觀測地球一遍,航天科研人員稱其是“大幅寬成像”。


  高分二號標志著我國民用遙感衛星跨入亞米級分辨率時代。它可以用“目光銳利”來形容,如果說地球上的小轎車在高分一號衛星的眼中還只是一個黑點的話,那么,高分二號衛星已經能分辨出小轎車是兩廂還是三廂了。


  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星,最大的特點就是具備全天時、全天候的成像能力,不管白天或黑夜、晴空或雷雨多云,隨時都能對地成像,尤其適合應用于防災減災。


  高分四號是世界首顆地球靜止軌道高分辨率成像遙感衛星。它不像高分一號衛星和高分二號衛星那樣在600—700公里的近地軌道環繞地球“奔跑”,而是站在距地36000公里的地球同步軌道上相對靜止地駐留凝望,可以對某一目標區域持續進行觀測。


  今年將要發射的高分六號衛星,是我國首顆設置紅邊譜段的多光譜遙感衛星。


  高分專項的實施大幅度提升了我國民用遙感衛星技術水平,低軌衛星空間分辨率由實施前最高2.1米提高到0.8米,地球同步遙感衛星分辨率由千米級提高到50米,低軌遙感衛星設計壽命由3年大幅提高到8年。


  “高分家族”的衛星,從太陽同步軌道到地球同步軌道,從可見光到微波,從普查到詳查,初步構成了我國自主高分辨率對地觀測系統并形成體系能力。


  在衛星數據應用方面,高分專項突破了數據遙感政策、共性關鍵技術、數據與資源共享、服務創業平臺等方面的管理技術瓶頸。目前,高分衛星數據已在20余個行業、30個省(自治區、直轄市)得到廣泛應用,在很大程度上實現了對國外同類型衛星數據的替代。


  這些衛星數據有力支撐了各級政府治理能力和治理體系現代化,在軍民融合發展戰略、“一帶一路”倡議、精準扶貧中發揮了重要作用。

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