大气环境监测卫星在生态环境行业应用分析

滕佳华，高吉喜，游代安，刘思含，张苗苗，谢宇浩，李亚龙，徐宁宁，檀 畅

（1.生态环境部卫星环境应用中心，北京 100094；2.国家环境保护卫星遥感实验室，北京 100094；3.上海卫星工程研究所，上海 201109）

0 引言

随着社会经济发展，我国乃至全球空气质量不断恶化，形势严峻，大气环境遥感监测需求非常迫切［1-2］。卫星遥感具备获取大范围、均匀分布、长期连续的生态环境监测数据［1］。目前，国内主要使用的国外卫星数据难以提供稳定、连续的数据保障，而国内气象、海洋、陆地等系列卫星由于缺乏相应探测手段，高精度、定量化大气环境遥感监测能力有限。因此，我国亟须发展具备国际先进的主动激光、多光谱、偏振、高光谱等综合手段观测卫星，实现对全球大气环境大范围、连续、动态、高精度的监测。

近年来，随着国家空间基础设施不断完善，我国生态环境卫星体系初步建立，主要包括环境减灾小卫星星座、高光谱观测系列、大气环境监测系列。环境减灾小卫星于2008 年发射，专门用于中国环境和灾害监测，由2008 年发射的两颗光学卫星（HJ-1A、HJ-1B）及2012 年发射的一颗雷达卫星（HJ-1C）组成。HJ-1A/B 星后续星HJ-2A/B［5］已于2020 年9 月27 日成功发射。高光谱观测系列的高分五号卫星（GF-5）［6］、高光谱观测卫星（GF-5（02））［7］、高光谱综合观测卫星（GF-5（01A））分别于2018 年2 月9 日、2021 年9 月7 日、2022 年12 月9日成功发射，其探测谱段涵盖了从紫外到长波红外的光学波段，实现了高光谱、全谱段、偏振等多种手段数据融合，可实现对污染气体、温室气体、细颗粒物等大气环境要素，以及水环境与生态环境要素的监测，具有体制新、定量精度高、探测手段多等特点，是中国高光谱遥感能力的重要标志［8-9］。大气环境监测系列包含大气环境监测（DQ-1）卫星及高精度温室气体监测（DQ-2）卫星。DQ-1 卫星于2022年4 月16 日成功发射，国际首次采用主动激光结合被动高光谱、多光谱、偏振手段，实现对大气细颗粒物、污染气体、温室气体、云和气溶胶等探测要素大范围、连续、全天时综合监测。DQ-2 卫星在DQ-1卫星探测能力的基础上，拓展了温室气体、污染气体探测能力，在国际上首次采用主被动结合实现高精度、宽覆盖大气温室气体探测，同时针对污染气体的近地面探测需求，增加了临边探测模式和红外高光谱探测手段，进行紫外红外联合探测污染气体反演。

大气环境监测卫星的成功发射标志着我国在大气遥感领域达到国际领先水平。作为我国首颗主动激光卫星，卫星在轨业务化运行后，将为PM2.5和臭氧协同控制提供数据支撑，服务于“碳达峰与碳中和”国家战略，助力打赢“蓝天、碧水、净土”三大保卫战。本文重点介绍了DQ-1 卫星方案和特点，详细阐述了载荷配置，分析了其在生态环境行业的遥感应用能力，并结合卫星的在轨测试情况对卫星的应用前景进行了展望。

1 卫星方案及特点概述

大气环境监测卫星是空基规划实施建设的一颗科研卫星，主要面向生态环境保护［13］等重大应用需求，兼顾气象、农业农村等行业业务需求。卫星设计运行在标称高度705 km，升交点地方时为13：30 的太阳同步轨道，配置大气探测激光雷达（Aerosol and Carbon dioxide Detection Lidar，ACDL）、多角度偏振成像仪（Directional Polarization Camera，DPC）、高精度偏振扫描仪（Particulate Observing Scanning Polarization，POSP）、紫外高光谱大气成分探测仪（Environmental Trace Ggases Monitoring Instrument，EMI）及宽幅成像光谱仪（Wide Swath Imager，WSI）5 台遥感仪器，具备主动激光、多光谱、偏振、高光谱等综合探测能力。卫星构型如图1 所示。

图1 DQ-1 卫星构型Fig.1 Configuration diagram of DQ-1 satellite

ACDL 采用1 572 nm 路径差分吸收方法测量大气CO2柱线浓度，采用532 nm 高光谱探测和偏振技术，以及1 064 nm 散射测量气溶胶和云的廓线。仪器采用指向控制镜实现收发光轴匹配，通过1 m的反射式望远镜接收5 通道激光在气溶胶或地面的回波信号，同时联合视轴监视模监视激光雷达发射激光指向、星敏参考光指向以及望远镜参考光轴指向，最终实现发射激光指向绝对测量，并给出收发光轴匹配调节的角度调整参考数据。

DPC 采用超广角成像系统获取±50°视场面视场辐射信息，通过滤光检偏组件转动切换光谱波段和偏振检测方向，结合CCD 探测器分时获取8 个光谱、3 个偏振通道的多光谱偏振信息。通过卫星飞行及滤光检偏组件转动可实现对同一目标不少于15 个视场的探测。DPC 获取的多角度多光谱偏振辐射数据，结合基于偏振信息的大气特性反演模型，可以提供全球大气气溶胶和云特性产品，同时为DQ-1 卫星其他载荷提供大气校正数据。

POSP 采用分孔径偏振探测方案，通过反射镜扫描、分色片分色和不同类型的双元（2 个单元集成）探测器获取从紫外到短波红外共9 个波段的偏振辐射数据，具备在轨偏振定标、太阳漫反射板定标等定标功能，可获取高精度偏振探测数据。POSP 利用短波红外通道实现地表偏振去耦合，提高大气偏振探测精度；使用紫外偏振探测通道数据进行气溶胶垂直分布参数的反演，为整层大气的颗粒物浓度向近地表层订正提供数据。POSP 与DPC联合探测，可获取大气气溶胶的高精度偏振探测数据，提供大范围的气溶胶常规监测数据及细颗粒物反演基础输入数据。

EMI 采用偏轴球面望远镜设计实现114°穿轨视场推扫观测，结合4 通道凸面光栅OFFNER 成像光谱仪，获取约2 600 km 幅宽紫外到可见波段（240～710 nm）的高光谱辐射信息，光谱分辨率可达0.3～0.5 nm，采样石英/铝漫反板可实现在轨辐射及光谱定标，并可通过内置光源监测探测器响应变化。

WSI 利用多元旋转扫描实现大幅宽可见至长波红外（0.415～12.500 μm）地表和大气多光谱信息获取，共21 个通道，空间分辨率75 m（全色通道）、150 m（真彩色通道）、300 m（红外分裂窗）和其他通道600 m，观测幅宽大于2 300 km，具备每天1 次的全球覆盖能力。可实现大气气溶胶厚度、细颗粒物、秸秆焚烧、雾霾分布监测，同时为其他污染监测仪器提供云检测、陆地检测等辅助数据。

通过大气环境监测卫星的研制，卫星突破了多项关键技术，其性能指标要求达到国际同类卫星的先进水平，主要具有以下特点：

1）国际首次采用双体制激光、具有CO2和细颗粒物高光谱探测能力的星载大气激光雷达，CO2柱浓度测量精度优于1×10-6；

2）国际首次采用双偏振融合的探测方式，国内首次采用偏振在轨定标，偏振测量精度优于0.5%；

3）国内首次采用无控制点激光光轴自标定技术，光轴指向测量精度优于0.008°；

4）国际上设计寿命最长的主动激光探测卫星。

该卫星载荷与国外同类卫星主要指标对比情况见表1。

表1 大气环境监测卫星与国外同类卫星主要指标的对比情况Tab.1 Comparison of the main specifications between DQ-1 satellite and similar foreign satellites

2 生态环境行业应用分析

卫星遥感技术已在生态环境保护工作中发挥了不可或缺的作用，有力支撑了环境督查、环境管理、环境执法等重要工作。基于我国环境保护工作中主要污染物减排、污染防治、生态保护等业务需要，环保业务的遥感应用需求主要包括大气环境遥感监测、水环境遥感监测、生态环境遥感监测等遥感监测业务应用需求。

针对大气环境遥感监测，为推进区域大气污染联防联控，实施多种污染物综合控制，改善重点区域和城市空气质量，需要卫星遥感提供大范围、连续性、定量化的大气成分信息，对大气颗粒物、污染气体和温室气体等的含量及时空分布进行有效监测。

大气颗粒物探测方面［10］，DQ-1 卫星双偏振载荷配置490、670、865 nm 的多谱段偏振探测通道，分别获取对小粒子、中粒子和大粒子敏感的气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）。为了对沙尘气溶胶和粗粒子颗粒物进行探测，POSP 进一步配置1 610 nm 偏振探测谱段，同时利用短波红外通道实现地表偏振去耦合，提高大气偏振探测精度，使用紫外偏振探测通道数据进行气溶胶垂直分布参数的反演，为整层大气的颗粒物浓度向近地表层订正提供数据。ACDL 利用双波长、高光谱、偏振探测体制获取气溶胶垂直廓线信息。设置532 和1 064 nm 通道，获取双波长的总后向散射信号；设置532 nm 通道为偏振通道，获取垂直后向散射信号；设置532 nm 高光谱探测通道，获取瑞利散射信号。DQ-1 卫星通过ACDL 的主动探测方式，全天时获取大气颗粒物分布垂直廓线及分类信息，通过主被动结合的方式，实现全天时的气溶胶混合层高度探测，并通过数据融合的方法提高大覆盖范围内紫外偏振气溶胶混合层高度（气溶胶标高）的探测精度，为细颗粒物多角度偏振反演提供近地表订正及精度校正数据。

高精度CO2探测方面［11］，ACDL 配置1 572 nm通道获取全球全天时CO2吸收谱带差分吸收信号，同时通过532 和1 064 nm 通道反演的气溶胶类型及垂直廓线信息及地表高程信息，提升1 572 nm 通道CO2浓度的反演精度。针对大气探测激光雷达对地表类型及特性的观测需求，WSI 配置800 nm 的全色通道（空间分辨率75 m），与激光雷达配合使用。

污染气体监测方面［12］，重点获取NO2、O3、SO2、HCHO 等要素。EMI 载荷采用差分吸收光谱探测技术，在紫外-可见谱段（240～710 nm）内实现0.3～0.6 nm 的光谱分辨率，0.05 nm 的在轨光谱定标。紫外高光谱大气成分探测仪的视场为114°，以实现24 h 内全球覆盖；空间分辨率优于24 km（穿轨方向）×13 km（沿轨方向），以满足区域尺度的大气污染气体的高精度监测。

针对水环境遥感监测［14］，主要是利用WSI开展大型水体水华，叶绿素a、悬浮物、透明度、富营养化程度的水体水质以及水表温度等遥感监测业务应用。宽幅成像光谱仪光谱范围覆盖了0.415～12.500 μm，具有21 个光谱通道，其中配置的443、490、681 nm 观测通道以及中波红外通道（3.9 μm）和长波红外分裂窗通道（10.8 和12.0 μm），空间分辨率为600 m，可有效针对水体水色、水质、海水、海冰温排水及温升等开展监测，实现近海、大江、内陆湖泊、核电站温排水的大范围、长时间、动态、中等尺度定量监测。

针对自然生态遥感监测［15］，主要是利用DQ-1 卫星搭载的WSI，开展土地覆盖分类、植被覆盖度（FVC）、植被冠层水分、主要生态系统参数（叶面积指数、地表温度）等遥感监测业务应用。WSI 配置的490、681、753 nm 观测通道，空间分辨率600 m，可有效针对陆表自然生态开展大范围、连续、动态监测。

下面将分别在大气环境监测、水环境监测、自然生态监测等3 个方面，结合在轨测试的情况对大气环境监测卫星的应用能力进行介绍。

2.1 大气环境监测

1） 温室气体监测。

DQ-1 卫星观测的白天和夜晚的CO2全球分布情况如图2 所示。可以看到，全球CO2浓度存在明显的白天和夜晚差异。大气探测激光雷达具有全天时观测能力，国际首次获得全球夜晚二氧化碳柱浓度（XCO2）数据，可为落实降碳减污协同增效和开展全球碳排放遥感监测提供有效数据支撑。

图2 DQ-1 卫星全球CO2柱总量产品Fig.2 Global CO2 column total product of DQ-1 satellite

2） 细颗粒物监测。

ACDL 测量垂直分布的气溶胶消光系数和散射系数，同时得到高精度的边界层厚度、云顶高度或云垂直分布信息，以及云和特殊气溶胶退偏信息。气溶胶和云的垂直分布信息，用于天气预报和气候模型，改进模型反演精度；气溶胶消光系数剖面，结合其他地面辅助数据，实现高精度反演地面PM2.5浓度分布；气溶胶边界层厚度作为校正数据，与被动的多角度气溶胶偏振观测仪结合，可以提高利用被动传感器反演地面PM2.5浓度的精度；退偏信息可用于对特定云光学特性（如卷云中冰晶和水云）以及气溶胶进行区分。

DQ-1 卫星ACDL 采用高光谱探测技术反演的数据产品如图3 所示。图3（a）为气溶胶和云后向散射系数，图3（b）为退偏比，图3（c）为消光系数，图3（d）为激光雷达比的垂直廓线分布。通过使用主动高光谱技术，极大地提高了数据产品反演的精度，而不用像传统的激光雷达如CALIPSO 需要假定激光雷达比数据进行散射系数、消光系数的反演。大气探测激光雷达获取的全球不同高度的气溶胶光学厚度产品如图4 所示。不同于被动载荷，大气探测激光雷达可通过主动探测方法获得不同层高的气溶胶全球分布数据，提供目前稀缺的气溶胶高精度三维分布信息，有效支撑全球气溶胶扩散-传播等相关研究的开展。

图3 DQ-1 卫星云和气溶胶垂直廓线产品Fig.3 Cloud and aerosol vertical profile products of DQ-1 satellite

续图3 DQ-1 卫星云和气溶胶垂直廓线产品Continued fig.3 Cloud and aerosol vertical profile products of DQ-1 satellite

图4 DQ-1 卫星全球不同高度气溶胶光学厚度产品（2022-6-1—2022-8-4）Fig.4 Global AOD products of DQ-1 satellite with different heights（2022-6-1-2022-8-4）

DQ-1 卫星POSP 获取的全球气溶胶光学厚度月均全球分布及地基验证结果如图5 所示，全球气溶胶光学厚度产品如图5（a）所示，清晰显示了亚洲西部、非洲中部、南美洲北部等区域气溶胶光学厚度高值区，主要为干旱沙漠或人类活动密集区域，而8 月份中国境内除新疆地区外，其他区域的气溶胶光学厚度较低，显示了空气质量改善成效。AOD的地基验证散点图如图5（b）所示，由与AERONET地基匹配站点的统计对比可知，基于POSP 反演得到的气溶胶光学厚度精度优于EE=0.05±15%×AOD，与地基结果具有较好的一致性。

图5 DQ-1 卫星全球550 nm 处气溶胶光学厚度产品及地基验证结果（2022 年8 月）Fig.5 Global AOD products and ground-based validation results of DQ-1 satellite at 550 nm in August 2022

同时利用POSP 和DPC 数据基于PCF 方法反演获得的8 月份月均PM2.5全球分布如图6 所示。图中显示的高值区包括亚洲西部、非洲中部、南美洲北部等区域。经地基验证，卫星遥感反演结果在误差线（EE=15 μm/m3±30%）内的比例高达97%，说明偏振交火反演的PM2.5具有较高的精度。

图6 DQ-1 卫星全球PM2.5产品及地基验证结果（2022 年8 月）Fig.6 Global PM2.5 product and foundation verification results of DQ-1 satellite in August 2022

3） 污染气体监测。

DQ-1 卫星EMI 监测的全球对流层NO2柱浓度分布结果如图7 所示。图中显著高值包括中国东部地区等。EMI 监测的全球对流层O3柱浓度分布结果如图8 所示，清晰地揭示了臭氧全球分布趋势，与Ozonesoude 散点对比，相关性为0.852。EMI 监测的全球对流层HCHO 分布结果如图9 所示，监测结果相比TROPOMI 趋势一致，相关性为0.7。

图7 DQ-1卫星全球对流层NO2 监测结果（2022-5-22—2022-5-29）Fig.7 Global tropospheric NO2 monitoring results of DQ-1 satellite（2022-5-22-2022-5-29）

图8 DQ-1 卫星全球对流层O3监测结果（2022-5-23）Fig.8 Global tropospheric O3 monitoring results of DQ-1 satellite（2022-5-23）

2.2 水环境监测

利用DQ-1 卫星WSI 数据进行太湖蓝藻和水华识别后获取的空间分布产品，如图10 所示。图中可以清楚看到蓝藻水华集中分布在太湖西部，该结果在空间分布上与MODIS 获得的数据产品一致。其中，宽幅成像光谱仪识别面积为350.61 km2，MODIS 识别面积为453.46 km2。平均相对误差（MRE）为22.7%，显示两载荷具有较高的数据一致性。

图10 基于同步MODIS 和WSI 的蓝藻水华识别空间分布Fig.10 Spatial distribution map of cyanobacteria bloom recognition based on the synchronous MODIS and WSI

2.3 自然生态监测

利用DQ-1 卫星WSI 数据地表反射率数据反演获得的张家口市西部区域植被覆盖率产品，如图11所示。通过与GLASS 比对，植被覆盖度反演结果空间分布趋势相对一致，反演植被覆盖度分级统计面积占比相对于参考数据的R²=0.88，具有较好的一致性。

利用DQ-1 卫星WSI 数据进行的山东省齐河县玉米冠层含水量（EWTc）反演产品，如图12 所示。由图中可以看到，南部区域玉米冠层含水量较北部玉米冠层含水量高。该结果与基于MODIS数据反演获得的玉米冠层含水量空间分布趋势一致。

图12 WSI 和MODIS 的玉米冠层含水量反演空间分布图及线性拟合结果Fig.12 Inversion spatial distributions of the maize canopy water content obtained by the WSI and MODIS and the linear fitting results

3 结束语

大气环境监测卫星作为我国空间基础设施规划的大气环境监测领域卫星的重要组成部分，突破了大气探测激光雷达系统、多载荷综合探测效能验证与性能优化、细颗粒物主被动探测集合高精度反演等关键技术，凭借其主动激光、多光谱、偏振、高光谱综合探测的特点，实现对二氧化碳等温室气体、细颗粒物、云和气溶胶、污染气体等要素大范围、高精度综合探测，为大气环境、水环境、自然生态等生态环境行业业务应用及其他行业领域遥感应用提供高定量、高重访、高分辨率遥感数据，为及时开展全球生态环境变化监测提供重要支撑。根据《生态环境卫星工程中长期发展规划》，到2035 年我国将全面建成新一代高低轨组网、多手段综合、能力完善、快速响应、有序衔接的环境综合观测卫星体系，进一步提升卫星应用效能，具有高时空分辨率PM2.5、污染气体、温室气体等大气环境、水环境和陆表环境定量化综合观测能力，满足国家生态环境监管等重大应用需求。