陆地生态系统碳监测卫星句芒号及其应用

文|王小燕 吕争 李俊杰 龚亚丽 陈卫荣 林军

中国资源卫星应用中心

一、引言

2020年9月，中国首次向世界提出“双碳”目标，力争于2030 年前二氧化碳（CO2）排放达到峰值，2060 年前实现碳中和。为精准评估我国陆地碳汇对实现“碳达峰、碳中和”目标的贡献，扩大生态系统调查与监测的范围，提升陆地碳汇的评估精度，量化各类措施对生态系统碳汇潜力的影响，“碳监测”卫星应运而生。

陆地生态系统碳监测卫星（句芒号）作为《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025年）》中的首批科研星之一，于2022 年8 月4 日发射，它是我国首颗森林碳汇主被动联合观测的遥感卫星，能够以主被动相结合的测量方式探测陆地生态系统植被生物量、大气气溶胶、植被叶绿素荧光等要素。它可以支撑大气环境和气候变化监测、高程控制点获取、灾害监测评估、农情遥感监测、陆地生态系统生产力评估、碳监测、生态和资源调查监测等工作。句芒号地面系统通过在轨测试评审，目前处于应用测试阶段。

相较于国内外已有的生态和大气监测卫星，句芒号配置了包括多波束激光雷达、多角度多光谱相机等更加全面、更加多样化的成像载荷，它采用主被动相结合的遥感手段能充分满足我国对森林、草原、农田等多要素遥感信息的监测应用需求，将在生态资源监测、碳储量评估等方面发挥其巨大力量。

二、句芒号卫星主要性能

句芒号卫星运行于高度为506km、倾角97.4°的太阳同步轨道，搭载了多波束激光雷达、多角度多光谱相机、超光谱探测仪、多角度偏振成像仪等多台载荷（表1），将在森林冠层高度监测、森林类型分类、叶绿素荧光分布、气溶胶光学厚度监测、林火监测等方面产生广泛的应用价值。

表1 句芒号卫星载荷主要参数

1．多波束激光雷达

多波束激光雷达主要用于监测森林冠层高度和结构。当激光垂直照射到森林时，一部分激光会被树冠反射回去，另一部分激光则沿着缝隙向下穿透，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。这样就能得到树冠、枝叶、地面的回波，可以根据多个回波的时间差计算出树木各层的高度（图1）。

图1 激光雷达测高示意图

句芒号卫星的多波束激光雷达可以通过其5个40Hz 的激光波束连续向地面发射间距达百米级的光斑，获取大范围的森林垂直数据信息，可应用于大区域大尺度森林高度参数定量反演，例如森林测高、森林生物量估算等。另外在大气监测领域，句芒号的大气激光雷达还可以有效探测大气中云和气溶胶的垂直分层结构,对大气环境监测具有独特优势。

2．多角度多光谱相机

多角度多光谱相机配置了前、正、后共5 个不同角度的相机，能对森林进行立体成像。一台垂直角度观测的相机从树木上方经过时，只能看到树冠表面。如果从不同的拍摄角度观测，就能看到树木前后左右等多个侧面信息，这样就能更全面地监测到森林的疏密分布、健康、长势情况。

句芒号卫星的多角度多光谱相机是我国首个五角度可见光探测相机。在对植被的观测中，可以分别从垂直0°、±19°、±41°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，绘制一幅“立体”植被分布图，精准覆盖观测区域的一草一木（图2）。

图2 多角度多光谱相机对地观测示意图

3．超光谱探测仪

超光谱探测仪可获取太阳诱导植物叶绿素荧光（SIF）光谱信息，可用于监测植被光合作用。植物靠光合作用呼吸，而叶绿素是这一过程中的关键影响因素，植物在光合作用过程中其叶绿素会发出一种微弱的电磁辐射，称之为叶绿素荧光。叶绿素荧光的能量非常小，但它能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。为了能监测到这种微弱的能量信号，句芒号卫星搭载了具备高光谱分辨率、高信噪比的超光谱探测仪，它采用光栅分光原理将光谱分辨率提升了100 倍，相当于把载荷光谱范围内光的颜色分成1100 个渐变的色彩，这样就能够更有效地寻找躲藏在某个渐变色角落里的叶绿素荧光，从而满足森林与作物植被生产力评估的需求（图3）。

图3 超光谱探测仪叶绿素荧光捕捉示意图

4．多角度偏振成像仪

多角度偏振成像仪用于大气气溶胶和云的光学及微物理参数探测。它测量包括气溶胶光学厚度、单次散射反照率、云顶高度、云相态等在内的大气参数。

句芒号卫星的多角度偏振成像仪采用超广角光学系统加面阵CCD 实现成像，并通过不同轨道位置的多次成像，获得同一谱段的多角度信息，支持最多35 个角度监测大气PM2.5 含量，获取大气横向PM2.5 含量信息。同时，配合句芒号的大气激光雷达，可用于获取大气纵向PM2.5 含量信息。一横一纵，就可获取大气数据立体信息，确保大气校正更精准。

三、应用场景

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，它将在森林生态系统碳监测、森林资源调查监测、实现“碳中和”目标等方面发挥重要作用。

实现“碳中和”，“碳汇”是重要途径之一，然而监测碳汇这种宏观且复杂的生态指标往往需要大量的人力物力，陆碳卫星凭借其多个“超能力”载荷可以提供全面、准确、精细的森林资源信息，为森林碳汇监测提供数据支持。其应用场景包括森林结构参数反演、森林生物量监测和森林碳汇估算等。

1．森林结构参数反演

森林结构参数是指森林冠层高度、森林郁闭度等反映森林结构特征的数据。这些数据可以反映森林的生态功能和碳循环过程，对于森林资源管理和全球变化研究具有重要意义。

（1）森林冠层高度反演

森林冠层高度是度量森林结构变化的重要参数，对森林生物量和森林碳储量研究具有重要作用。目前国内外关于森林冠层高度遥感反演的研究主要是基于机载和星载激光雷达数据和微波遥感数据等，激光雷达通过记录激光脉冲从发射到返回传感器的时间延迟计算测距机与目标地物之间的距离，提供足印点高度信息，如国际空间站全球生态系统动力学探测激光雷达（GEDI）监测了全球的森林相对高度。

句芒号卫星的多波束植被激光雷达可获取森林冠层表面的激光回波信息，应用于测量植被树高。然而，由于激光雷达离散条带状观测的不连续性，只能反演局部光斑树高，因此可以借助多角度多光谱相机从不同角度观测森林的视差来提取高度结构信息，从而获取区域内的数字表面模型（DSM），为激光雷达观测的稀疏性提供完整的面状地物立体信息，反演区域森林冠层高度（图4）。

图4 多角度多光谱数据生成初始DSM

（2）森林郁闭度反演

森林郁闭度是指森林中乔木树冠遮蔽地面的程度，是一种把森林茂密程度表示出来的定量指标。郁闭度是森林资源调查中的一个重要因子, 它能反映森林结构和森林环境，是森林蓄积量和森林生物量估测的重要影响因素之一。

激光雷达数据对森林进行测量时，发射的激光脉冲穿过大气层后会先到森林冠顶，其中部分被反射回来后继续向下传播，遇到枝叶继续反射，最终部分激光透过叶片缝隙到达地面。森林郁闭度越大，植被冠层反射能量越多，因此利用激光雷达回波能量与总能量之间的比值可以用于估测森林郁闭度。然而目前星载激光雷达光斑点在空间分布上不连续，无法达到区域无缝覆盖，因此同样需要整合多角度多光谱数据的优势，以提高森林郁闭度的估测精度，进而实现空间区域内森林郁闭度的连续制图。

2．森林地上生物量监测

森林地上生物量是指森林中所有地上有机物质的总量，包括树木、灌木、草本植物、苔藓等。森林生物量是森林生态系统长期生产与代谢过程中积累的结果，是森林生态系统运转的能量基础和物质来源。由于遥感影像的反射率光谱可以体现出植被叶绿素含量和生长状况的差异性，因此，实测森林生物量可以与影像波段反射率或衍生的光谱特征之间建立数学关系模型，进而估算区域尺度的森林生物量。

已有研究中，一般基于多光谱和高光谱光学遥感数据反演森林地上生物量。但基于光学遥感数据的森林地上生物量估算方法易在平面上产生信息饱和问题，激光雷达数据和多角度多光谱数据具有穿透力强和能测量高度信息的特点，可有效克服信息饱和问题，在森林结构参数和森林生物量反演中应用广泛。目前美国国家航空航天局（NASA）的ICESat-2 卫星所搭载的ATLAS 测高雷达和国际空间站的GEDI 激光雷达数据提供了全球范围冠层覆盖、冠层高度信息，被广泛应用于区域和全球尺度的森林生物量反演研究中。句芒号卫星的激光雷达、多角度多光谱和超光谱探测仪在森林结构参数和森林生物量的反演中有不同的优势，融合这些多源的遥感数据进行相关研究有利于提升森林生物量反演模型精度（图5）。

图5 句芒号超光谱探测仪叶绿素荧光（SIF）反演

3．森林碳汇估算

森林碳汇是指森林里的植物能够把空气中的二氧化碳通过光合作用吸收并转化为有机物储存起来，从而减少空气中二氧化碳的量，它与碳源的过程相反，共同形成碳循环。森林碳汇与森林生物量有着密切的关系，上文中提到的生物量通俗的说就是指单位面积内森林植物的重量，而碳储量是指单位面积内森林植物中储存的碳的量，因此一般可以通过生物量大致推算出森林碳汇（图6）。

图6 生物量与碳循环示意图

目前大量研究表明，利用遥感技术建立森林生物量和遥感指数之间的关系模型，可以评估森林吸收和储存二氧化碳的能力。句芒号卫星在森林碳汇估算中可以发挥其数据源优势，将激光雷达、多角度多光谱和超光谱数据结合起来，再根据地面采集的生物量和固碳量的样方数据建立算法模型，对目标区域进行森林碳汇的空间分布和动态变化的估算。图7 为碳汇估算示意图，如图所示，首先通过激光雷达获取森林冠层高度信息，通过多光谱成像仪和高分辨率遥感数据提取植被类型和植被面积信息，对这些信息进行处理分析，可估算出地表植被的生物量，最后将生物量乘以含碳系数，获得地表植被的固碳量，完成碳汇的评估。

图7 碳汇估算示意图

四、结束语

陆地生态系统碳监测卫星作为《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025 年）》中的首批科研星之一，肩负着森林生态系统碳监测、陆地生态和森林资源调查监测、大气环境监测等重任。它可获取我国森林碳汇的多源遥感信息，提高碳汇计量的效率和精度，转变传统的人工碳汇计量手段，为我国“碳达峰、碳中和”目标的实现提供重要支撑，助力我国对森林、草原、湿地等的统计监测核算能力建设。