句（gōu）芒飞天，看人间绿水青山——我国首颗陆地生态系统碳监测卫星发射 !
这位神话中的木神、春神将在未来的日子里，遥瞰着祖国的绿水青山，为“碳达峰、碳中和”目标实现贡献自己的力量。
▲“句芒号”点火起飞（郑逃逃 摄）
句（gōu）芒，是中国古代民间神话中的木神、春神、东方之神，主管树木发芽生长，与祝融齐名，象征对自然环境的敬畏与责任。
▲陆地生态系统碳监测卫星模拟图
本次发射的陆地生态系统碳监测卫星被命名为“句芒”，既体现了中国古代人的浪漫与追求，又体现了现代人对国家“双碳”目标的深刻理解与支持。
卫星发射前，我们（国家航天局新闻宣传中心）与国家林业和草原局宣传中心、中国空间技术研究院等单位联合组织发起了陆地生态系统碳监测卫星征名活动。“句芒”“青绿”“寻木”“烛龙”“神农”……每一个网友投稿的名称和其背后的释义都饱含大家对绿色生态环境的渴望和对中华传统文化的喜爱。最终“句芒”从近五千个投稿中脱颖而出。
作为我国首颗陆地生态系统碳监测卫星，“句芒号”升空也带着自己的KPI哦！
▲“句芒号”直冲云霄（郑逃逃 摄）
“句芒号”卫星是国家民用空间基础设施中长期发展规划中的科研卫星，运行于高度为506公里、倾角97.4度的太阳同步轨道。通过激光、多角度、多光谱、超光谱、偏振等综合遥感手段，实现植被生物量、大气气溶胶、植被叶绿素荧光等要素的探测和测量，将广泛应用于陆地生态系统碳监测、陆地生态和资源调查监测、国家重大生态工程监测评价、大气环境监测和气候变化中气溶胶作用研究等工作，还将服务高程控制点获取、灾害监测评估、农情遥感监测等需求，显著提高我国陆地遥感定量化水平。
2012年，党的十八大首次提出建设美丽中国的概念，强调把生态文明建设放在突出地位，中国航天科技集团有限公司五院开始思考一个问题：卫星遥感服务能发挥什么作用？他们大胆提出一个设想：研制一颗观测绿水青山的卫星。
当时，国际上还没有专门针对植被进行探测的卫星，对于卫星研制团队来说，他们面临的是一个全新的挑战。为了精准了解林业遥感需求，他们四处求学，研究林业知识。卫星总设计师曹海翊给出了肯定的回答：“我们可以用天基遥感的手段解决这个问题。”
卫星正式批复立项是5年前，从一纸规划开始进入研制阶段，卫星研制团队先后攻克了热控、载荷控制、数据传输等技术难关。
▲ 陆地生态系统碳监测卫星工作示意图
实现“碳中和”，就如同大自然的一场“碳源”与“碳汇”的数字运算，最终期待实现“收支相抵”。要对碳收支的账户做到心中有数，首先就要对森林资源一探究竟。
获取高精度的植被高度和面积信息是关键。对应到卫星设计上，其搭载的多角度多光谱相机和激光雷达，可以通过获得森林的地面图像和高度信息，较好地测量出植被的蓄积量和生物量，反映生态系统碳储量。
卫星副总设计师张新伟介绍，一般的遥感应用通常采取垂直对地观测的方式，但如果能够增加观测角度，就可以获得同一地表物体的不同反射率信息，从而提高森林结构参数的识别精度和反演准确度。这颗陆地生态系统碳监测卫星搭载的多角度多光谱相机就可以从5个方向获取同一地面景物的多光谱图像数据，获得更为详细可靠的地表三维空间结构信息。
“原来一台相机从头顶经过，垂直观测，只能看到人的头顶。现在拍摄角度多了，不仅能看到头顶，还能看到面部、后脑勺、前胸后背等多方面、多维度的信息。”五院508所多角度多光谱相机主任设计师贾福娟打了个比方。
▲ 卫星多光谱相机5角度对地观测示意图
基础参考的信息量增加了，这样不仅能看清楚森林冠顶，还能看清它的侧面，可以轻而易举得到植被的疏密分布、种类、健康、长势甚至病虫害情况。
为了更全面地测出植被的蓄积量，卫星研制团队还需要对森林的垂直结构进行探测。由于光学遥感对森林的垂直结构进行探测具有一定局限性，于是激光雷达主动探测技术出现了。
五院508所多波束激光雷达主任设计师孙立对其原理进行了解释：当激光从雷达照射到森林时，光束首先到达树顶，一部分激光被树冠反射回去，另一部分激光则沿着缝隙穿透向下，再被树木中间的树叶、枝干反射回去，最后一部分激光到达地面，被地面反射。这样就可以得到树冠、中部、地面的回波。根据回波的时间差计算树高，根据能量比值判断树种，甚至可以知道树木长势如何。
▲ 卫星激光雷达测量高示意图
卫星观测过程中也会受到大气悬浮粒子的干扰，而多角度偏振成像仪和大气激光雷达可以有效解决这一问题。它们可以测量云、大气颗粒物等辅助信息，为卫星精确监测森林碳储量剔除干扰因素，确保大气校正更精准，实现森林植被生物量的高精度定量遥感测量。
▲ 卫星大气PM2.5监测示意图
森林对于固碳发挥着重要作用，能够吸收同时期我国年均人为碳排放量的45%。但是森林会一直吸收二氧化碳吗？如果森林所能吸收的二氧化碳量是有限的，当达到某个饱和点之后，它们还能继续帮助人类延缓气候变暖吗？
为了具备高精度森林碳汇监测能力，卫星高精度获取植被信息只是第一步，接下来还要看看植被的生产力如何，也就是植被的碳吸收程度。
“植物靠光合作用‘呼吸’，叶绿素是这一过程中的关键影响因素，叶绿素荧光高精度制图也是卫星支撑高精度碳汇监测的重要环节。”卫星总体副主任设计师毛一岚介绍，卫星上搭载的超光谱探测仪，可以捕捉植被的叶绿素荧光，反应植被光合作用强弱，进而定量化监测生态系统中碳吸收能力。
想要捕捉叶绿素荧光并没有想象中那么简单，其光谱范围狭窄，只有纳米级宽度，在混沌的自然光中，探寻它就相当于在一望无边的图书里寻找一纸密文。
卫星研制团队创新性地使用了光栅分光原理，将光谱分辨率提升了10倍，能够把670纳米~780纳米这一段混浊在一起的光分成1100个渐变色彩，有效地寻找躲藏在某个渐变色角落里的叶绿素荧光。
▲ 卫星超光谱探测仪叶绿素荧光捕捉示意图
五院508所超光谱探测仪主任设计师王伟刚说：“这相当于地球上空多了一颗奇幻的眼睛，告诉我们在神秘美奂的大森林里，正在进行着怎样程度的光合作用，有怎样规模的二氧化碳被吸收掉，碳中和行进到哪种程度……”
“陆地生态系统碳监测卫星需要通过多波束激光雷达、多角度多光谱相机、超光谱探测仪、多角度偏振成像仪等4个载荷来完成综合观测任务。”卫星总体主任设计师黄缙介绍。
卫星任务繁多，工作模式也极其复杂。按照载荷工作模式组合计算多达47种，不同载荷的组合可以获得不同数据，满足不同用户的使用需求。
“难度确实大。”曹海翊坦言，为了能够定量监测森林植被状态，满足碳汇监测需求，研制团队不仅要突破有效载荷研制的技术难关，让卫星支持更多应用的同时，还要考虑卫星易用、好操控。其中，卫星数据的处理是一个关键环节。这一过程要结合林业部门相关经验，将遥感卫星数据转化成地面语言，并对卫星实时监测的数据不断反演和迭代。
▲ 研制团队
卫星总指挥王祥透露，卫星在发射成功并完成在轨测试后，将正式投入运行，约两个月的时间完成一个回归周期，实现全球范围的有效覆盖。届时，卫星获取的信息经过解析和处理，会形成不同地区碳排放报告，量化评估全国甚至全球固碳成效，显著提升我国应对气候变化重大战略、积极参与全球治理的能力。
其实，陆地生态系统碳监测卫星除了能够为应对气候变化提供新动力以外，在林业碳汇交易方面也发挥重要作用。如今各国的碳排量互相制约，那么卫星会为测算碳汇或进行碳汇交易带来什么帮助呢？
王祥指出，它能够实现对全球森林植被生物量、气溶胶分布、叶绿素荧光的高精度定量遥感测量，可以更好地推算出全球的碳汇状态，为碳汇交易提供有效的数据支持。
除了森林碳汇监测之外，陆地生态系统碳监测卫星还可广泛应用于环保、测绘、气象、农业、减灾等领域，支撑作物评估、植物病虫害监测、灾害应急成像等工作。
“要用好这颗星，后续还需要做好3件事。”王祥说，一是增加卫星的数量和探测手段；二是通过与地面系统的合作，提高数据的精准性；三是加大数据共享，在国际合作方面发挥出更大的作用。
来源：中国航天报