趙少華　毛學軍　吳艷婷　劉思含　王　飛

(環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應用中心/國家環(huán)境保護衛(wèi)星遙感重點實驗室，北京　100094)

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天基環(huán)境衛(wèi)星發(fā)展框架的初步分析

趙少華毛學軍吳艷婷劉思含王飛

(環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應用中心/國家環(huán)境保護衛(wèi)星遙感重點實驗室，北京100094)

【摘要】衛(wèi)星遙感技術已成為環(huán)境保護工作中不可或缺的重要手段。針對日益增多的衛(wèi)星資源，結合我國目前大氣污染防治、水污染防治、土壤污染防治等國家環(huán)境保護重大需求，從環(huán)境監(jiān)測領域、衛(wèi)星遙感手段和衛(wèi)星運行軌道等方面初步梳理天基環(huán)境衛(wèi)星的發(fā)展框架，為天地一體化環(huán)境監(jiān)測體系的發(fā)展提供重要支持。

【關鍵詞】光學；紅外；雷達；高光譜；高軌

引言

衛(wèi)星遙感技術在環(huán)境保護領域中具有廣泛的應用，趙少華等(2013，2014，2015a，2015b)系列總結了高光譜遙感、紅外遙感、雷達遙感和高分辨率衛(wèi)星遙感技術在環(huán)保工作中的應用。2008年9月6日，我國自行研制的環(huán)境與災害監(jiān)測預報小衛(wèi)星星座A、B星(以下簡稱環(huán)境一號衛(wèi)星)成功發(fā)射，初步形成了我國環(huán)境監(jiān)測的天基部分，意義深遠，在國內外產生了重大影響，極大地推動了環(huán)境監(jiān)測天-地一體化體系的形成，標志著我國環(huán)境監(jiān)測開始步入衛(wèi)星應用時代。環(huán)境一號衛(wèi)星發(fā)射以來，環(huán)保部已將衛(wèi)星遙感技術納入到環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境執(zhí)法、環(huán)境應急、生態(tài)保護、核安全監(jiān)管等環(huán)境管理業(yè)務體系工作中，為環(huán)境監(jiān)測和管理提供了重要技術支持和信息服務。

目前，航空航天遙感正向高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率等方向迅猛發(fā)展(李德仁等，2012)。隨著國家高分專項的深入推進和國家民用空間基礎設施中長期發(fā)展規(guī)劃(2015-2025)(以下簡稱空基規(guī)劃)的實施，與我部相關的高分一號、二號、四號衛(wèi)星已成功發(fā)射并發(fā)揮著重要作用，我部作為牽頭主用戶的高分五號衛(wèi)星、16米光學衛(wèi)星、大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星、高分五號02衛(wèi)星等也將陸續(xù)發(fā)射，系列的衛(wèi)星資源將為未來的環(huán)保工作提供巨大便利。針對國家大氣污染、水污染和土壤污染防治的環(huán)境保護重大需求，如何設計好滿足環(huán)保需求的衛(wèi)星特色載荷指標、使衛(wèi)星用好和好用，有必要先行梳理天基環(huán)境衛(wèi)星的發(fā)展體系，構建天基環(huán)境衛(wèi)星的發(fā)展框架，下面分別從環(huán)境監(jiān)測領域、衛(wèi)星遙感手段和衛(wèi)星運行軌道三個維度對天基環(huán)境衛(wèi)星發(fā)展框架進行初步分析，以期為環(huán)境有效監(jiān)管提供支持。

1基于環(huán)境監(jiān)測領域的天基衛(wèi)星體系框架

環(huán)境監(jiān)測領域通常分為大氣環(huán)境、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，每個方面均有各自的重點工作，涉及不同的監(jiān)測目標和要素等，下面分別介紹各自的衛(wèi)星需求。

1.1大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星系列

新時期的大氣環(huán)境遙感重點工作主要包括對大氣顆粒物及灰霾監(jiān)測、重點區(qū)域污染氣體監(jiān)測、全國秸稈焚燒動態(tài)監(jiān)測、重點區(qū)域沙塵、揚塵監(jiān)測、重點區(qū)域溫室氣體監(jiān)測等。針對大氣環(huán)境遙感監(jiān)測的目標和要素，主要需要高光譜、高時間分辨率和偏振等手段，因此必須發(fā)展環(huán)保特色載荷，如針對顆粒物、氣溶膠等高精度監(jiān)測，需要偏振、大幅寬、多光譜、激光雷達等手段的高精度偏振掃描儀、多角度偏振成像儀、寬幅成像光譜儀、大氣激光雷達等載荷；對污染氣體高精度監(jiān)測，需要高光譜手段的大氣痕量氣體探測儀；對溫室氣體高精度監(jiān)測，需要高光譜手段的大氣溫室氣體探測儀、大氣激光雷達等載荷；對秸稈、沙塵精度監(jiān)測，需要中紅外、熱紅外的寬幅成像光譜儀等載荷。

結合目前空基規(guī)劃中的天基衛(wèi)星設置，目前和未來一段時間內，大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星系列應包括高分五號衛(wèi)星、高分五號02衛(wèi)星、大氣環(huán)境及污染物監(jiān)測衛(wèi)星、高精度溫室氣體監(jiān)測衛(wèi)星等，此外，還應該發(fā)展多顆組網的高軌大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星，攜帶大氣痕量氣體探測儀、溫室氣體探測儀、高精度偏振掃描儀、寬幅成像儀、大氣激光雷達等載荷，結合氣象衛(wèi)星的風場、溫濕度等數據，達到全球亞小時級和我國分鐘級(如10分鐘)的空氣質量、污染氣體、溫室氣體等高頻次監(jiān)測，實現對大氣污染物傳輸路徑和過程的高效源解析，形成大氣環(huán)境的高低軌綜合探測能力。

1.2水環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星系列

新時期的水環(huán)境遙感重點工作主要包括對內陸大型水體水環(huán)境監(jiān)測、飲用水源地衛(wèi)星遙感巡查、流域水環(huán)境監(jiān)測、城市黑臭水體及水環(huán)境監(jiān)測與評估、典型水污染源監(jiān)測、水環(huán)境異常巡查、近岸海域水環(huán)境監(jiān)測等。針對水環(huán)境遙感監(jiān)測的目標和要素，特別是對水體的弱信息提取，主要需要高空間、高光譜和高時間分辨率、大幅寬、高信噪比等手段，因此必須發(fā)展環(huán)保特色載荷，如針對水華、溢油、赤潮等高精度監(jiān)測等，需要多光譜、大幅寬、雷達等載荷；針對水質、污染物等高精度監(jiān)測，需要多光譜、高光譜、大幅寬等載荷；針對黑臭水體高精度監(jiān)測，需要高空間、多光譜等載荷。特別是針對水污染、溢油、跨界污染等水環(huán)境應急事件，需要搭載多光譜、高光譜、雷達等載荷的高軌水環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星。

1.3生態(tài)環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星系列

新時期的生態(tài)環(huán)境遙感重點工作主要包括對全國生態(tài)環(huán)境變化調查與評估、全國生態(tài)保護紅線監(jiān)管、典型區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評估、區(qū)域生態(tài)資產和生態(tài)承載力評估、城市和農村生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、國家重大生態(tài)保護治理工程建設效果評估、土壤污染狀況監(jiān)測與評估等。針對生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測的目標和要素，主要需要高空間、高光譜和高時間分辨率、大幅寬等手段，因此必須發(fā)展環(huán)保特色載荷，如針對生物多樣性的高精度監(jiān)測，需要高光譜、激光雷達等載荷；對農田、礦區(qū)等土壤污染的高精度監(jiān)測，需要高光譜等載荷。目前，土壤污染衛(wèi)星的高光譜探測還不理想，信號非常弱，需要研發(fā)針對土壤污染的專用高光譜載荷，包括增強信號的設備等，另一方面，地面要研發(fā)針對性的定量反演模型，以提高土壤污染的衛(wèi)星遙感監(jiān)測精度和效果。針對土壤水分、植被水分、地表溫度、植被覆蓋等生態(tài)環(huán)境需求，需要搭載多光譜、高光譜、雷達等載荷的高軌生態(tài)環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星。

2基于衛(wèi)星遙感手段的天基衛(wèi)星體系框架

衛(wèi)星從常用的譜段和衛(wèi)星類別上，可初步劃分為高分光學衛(wèi)星、高光譜衛(wèi)星和高分雷達衛(wèi)星三大類(趙少華等，2015)，下面從這三方面進行介紹。

2.1光學衛(wèi)星系列(含紅外載荷)

高空間分辨率光學衛(wèi)星主要包括全色相機、CCD相機、高分辨率紅外相機、激光雷達等，中低空間分辨率光學衛(wèi)星主要包括寬幅成像光譜儀、CCD相機、紅外相機等?？梢詫馊苣z、秸稈、沙塵、大氣污染源、水華、赤潮、溢油、水質、核電站溫排水、飲用水源地安全、自然保護區(qū)、生物多樣性、礦山開發(fā)環(huán)境破壞、農村生態(tài)環(huán)境、城市生態(tài)環(huán)境、重點生態(tài)功能區(qū)等進行有效監(jiān)測。目前我部作為主用戶的在軌光學衛(wèi)星主要是環(huán)境一號A、B星、高分一號衛(wèi)星等，其他的高分二號衛(wèi)星、高分四號衛(wèi)星等數據我部也可方便獲取?？栈?guī)劃中我部作為主用戶待立項發(fā)射的衛(wèi)星主要包括16米光學衛(wèi)星、高分多模綜合成像衛(wèi)星、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳衛(wèi)星等。另外，還包括擬發(fā)展的水環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星等。

2.2高光譜衛(wèi)星系列

高光譜分辨率衛(wèi)星，主要包括高分五號衛(wèi)星、高分五號02衛(wèi)星、大氣環(huán)境及污染物監(jiān)測衛(wèi)星、高精度溫室氣體監(jiān)測衛(wèi)星等。目前在軌的高光譜載荷為環(huán)境一號A星上的高光譜載荷，但該載荷由于譜段不寬、噪聲大和地面處理水平不高等因素大大限制了應用，空基規(guī)劃中的高光譜觀測衛(wèi)星主要是針對大氣污染氣體、溫室氣體等大氣環(huán)境設置，同時兼顧水環(huán)境水質監(jiān)測、生物多樣性、植被水分等生態(tài)環(huán)境的高光譜觀測需求。

2.3雷達衛(wèi)星系列

主要包括不同波段(C波段、S波段、L波段)的雷達衛(wèi)星，可搭載全極化合成空間雷達、微波輻射計、散射計等載荷。根據環(huán)境遙感監(jiān)測的目標和要素，主要對水華、溢油、生物量、土壤濕度、植被長勢、土地利用分類、環(huán)境災害應急等進行有效監(jiān)測。特別在我國南方多云多雨天氣下，有效的光學影像較難獲取，雷達衛(wèi)星將發(fā)揮重要作用。目前，在軌的雷達衛(wèi)星是環(huán)境一號C星，另外空基規(guī)劃中與我部相關的雷達衛(wèi)星還包括5米S波段SAR衛(wèi)星、高軌SAR衛(wèi)星等。

3基于衛(wèi)星運行軌道的天基衛(wèi)星體系框架

目前常用的遙感衛(wèi)星按運行軌道基本可以分為太陽同步軌道和地球同步軌道。太陽同步軌道衛(wèi)星軌道高度一般小于1000公里，地球同步軌道軌道高度一般為36000公里。下面從這兩個方面進行介紹。

3.1太陽同步軌道衛(wèi)星系列

目前，對地觀測領域的太陽同步軌道衛(wèi)星大多是低軌衛(wèi)星，包括目前在軌的環(huán)境一號A/B/C衛(wèi)星、高分一號衛(wèi)星、高分二號衛(wèi)星等，以及待發(fā)射、立項和發(fā)展的高分五號衛(wèi)星、高分五號02衛(wèi)星、大氣環(huán)境及污染物監(jiān)測衛(wèi)星、高精度溫室氣體監(jiān)測衛(wèi)星、水環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星、高分多模綜合成像衛(wèi)星、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳衛(wèi)星、土壤及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星、雷達衛(wèi)星等。搭載各種光學、紅外、高光譜、微波和激光雷達等環(huán)境監(jiān)測載荷，可對大氣環(huán)境、水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境等目標要素進行有效監(jiān)測。

3.2地球同步軌道衛(wèi)星系列

地球同步軌道一般稱為高軌衛(wèi)星，包括目前在軌的高分四號衛(wèi)星，以及待立項發(fā)射和發(fā)展的高軌雷達衛(wèi)星、大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星、水和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星等。其中高軌大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星可搭載大氣痕量氣體探測儀、溫室氣體探測儀、高精度偏振掃描儀、寬幅成像儀、激光雷達等載荷，可對大氣污染物的傳輸過程等進行高效監(jiān)測。高軌水和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星可搭載高空間分辨率CCD相機、高分辨率紅外相機、高光譜成像儀、寬幅成像儀等載荷，可對水污染物的傳輸過程、生態(tài)環(huán)境變化過程等進行高效監(jiān)測。高軌雷達衛(wèi)星包括不同波段(C波段、S波段、L波段)的衛(wèi)星，可搭載全極化合成空間雷達、微波輻射計等載荷，可以對水華、溢油、生物量、土壤濕度、植被長勢、土地利用分類、環(huán)境災害應急等進行高效監(jiān)測，大大提升我國南方多云多雨地區(qū)遙感數據的獲取能力和監(jiān)測水平。

4結語

我國自行研制的環(huán)境與災害監(jiān)測預報小衛(wèi)星星座A、B星(以下簡稱環(huán)境一號衛(wèi)星于2008年9月6日成功發(fā)射，初步形成了我國環(huán)境監(jiān)測的天基部分，在國內外產生了重大影響，極大地推動了環(huán)境監(jiān)測天-地一體化體系的形成，標志著我國環(huán)境監(jiān)測開始步入衛(wèi)星應用時代。環(huán)境一號衛(wèi)星發(fā)射以來，環(huán)保部已將衛(wèi)星遙感技術納入到環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境執(zhí)法、環(huán)境應急、生態(tài)保護、核安全監(jiān)管等環(huán)境管理業(yè)務體系工作中，為環(huán)境監(jiān)測和管理提供了重要技術支持和信息服務。針對國家大氣污染、水污染和土壤污染防治的環(huán)境保護重大需求，如何設計好滿足環(huán)保需求的衛(wèi)星特色載荷指標、使衛(wèi)星用好和好用，有必要先行梳理天基環(huán)境衛(wèi)星的發(fā)展體系，構建天基環(huán)境衛(wèi)星的發(fā)展框架，本文分別從環(huán)境監(jiān)測領域、衛(wèi)星遙感手段和衛(wèi)星運行軌道三個維度對天基環(huán)境衛(wèi)星發(fā)展框架進行初步分析，以期為環(huán)境有效監(jiān)管提供支持。 研究指出，未來地球環(huán)境監(jiān)測領域發(fā)展將進入一個高分辨率、多層、立體、多角度等天地聯合對地觀測的新時代。作為監(jiān)測要素最多、最復雜的行業(yè)，環(huán)境保護工作涵蓋大氣環(huán)境、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境等人類生活的各個方面，其對衛(wèi)星需求也非常復雜，定量化要求程度高，各種高分辨率的衛(wèi)星需求均涉及，比如大氣環(huán)境監(jiān)測對污染氣體需要高光譜、高時間分辨率，水環(huán)境監(jiān)測需要高空間、高光譜、高時間分辨率，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測需要高空間分辨率、大幅寬等。因此，針對我國目前大氣污染防治、水污染防治、土壤污染防治和生態(tài)紅線監(jiān)管的國家環(huán)境保護重大需求，未來迫切需要研發(fā)環(huán)境特色載荷，比如針對大氣顆粒物的高精度激光雷達和偏振載荷、針對水污染的高光譜載荷、針對土壤污染的高光譜載荷等，階段化發(fā)展系列的高低軌大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星、水環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星和土壤環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星等環(huán)境專用衛(wèi)星(特別要發(fā)展高軌衛(wèi)星)，并組網運行，具備光學、紅外、高光譜、微波等手段，形成高空間、高光譜、高時間、高輻射、大幅寬等聯合觀測能力，同時結合地面強大的監(jiān)測網絡，構建天地一體化監(jiān)測體系，實現大氣環(huán)境、水環(huán)境、土壤環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的立體監(jiān)測，大幅提升國家環(huán)境監(jiān)管水平，助推國家生態(tài)文明建設。

參考文獻：

[1]趙少華，張峰，王橋，等.高光譜遙感技術在國家環(huán)保領域中的應用[J].光譜學與光譜分析，2013，33(12)：3343-3348.

[2]趙少華，張峰，李自杰，等.雷達遙感在環(huán)境保護工作中的應用概述[J].微波學報，2014，30(1)：90-96.

[3]趙少華，王橋，游代安，等.衛(wèi)星紅外遙感技術在我國環(huán)保領域中的應用與發(fā)展分析[J].地球信息科學學報，2015a，17(7)：855-861.

[4]趙少華，王橋，游代安，等.高分辨率衛(wèi)星在國家環(huán)境保護領域中的應用[J].國土資源遙感，2015b，27(4)：1-7.

[5]李德仁，童慶禧，李榮興，等.高分辨率對地觀測的若干前言科學問題[J].中國科學：地球科學，2012，42(6)：805-813.

[6]楊海軍，李營，朱海濤，等.國家重點生態(tài)功能區(qū)縣域生態(tài)環(huán)境質量遙感考核方法研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2015，40(5)：41-43.

[7]李營，楊一鵬，殷守敬，等.水源地土地覆被分類及無人機遙感驗證評價方法研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2015，40(1)：79-80.

[8]萬華偉，李靜，王昌佐，等..遙感技術在突發(fā)自然災害生態(tài)影響監(jiān)測和評估中的應用研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(5)：28-30.

[9]馬萬棟，吳傳慶，殷守敬，等.環(huán)渤海圍填海遙感監(jiān)測及對策建議[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2015，40(3)：63-65.

[10]賈祥，曹飛，孫中平，等.遙感技術在核電安全監(jiān)管現代化中的應用與思考[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2015，40(5)：47-49.

[11]武衛(wèi)玲，薛文博，付飛，等..近地面PM2.5濃度衛(wèi)星反演研究進展[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(5)：94-96.

[12]游代安，趙少華，史園莉，等.一種利用雙時相ASAR數據監(jiān)測土壤濕度的方法[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2015，40(6)：103-107.

[13]游代安，姜俊，曹飛，等.高分環(huán)境遙感應用示范系統(tǒng)平臺總體設計與實現[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2015，40(4)：43-47.

作者簡介：趙少華，博士后，高級工程師，主要從事環(huán)境遙感研究

通訊作者：劉思含，高級工程師，博士，主要從事環(huán)境遙感研究

中圖分類號：X21

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)04-0044-03

Frame Analysis of Space-based Environment Satellites

ZHAO ShaohuaMAO XuejunWU YantingLIU SihanWANG Fei

(Environmental Satellite Center，Ministry of Environmental Protection/State EnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofSatelliteRemoteSensing，Beijing，100094)

Abstract：Satellite technology plays an important role in environmental protection.Faced to the satellites resources，in combination with preventing and controlling atmospheric pollution、water pollution and soil pollution，the preliminary development frame of space-based environment satellites is established from environment monitoring field，satellites remote sensing mode and satellites orbit，respectively，so as to support the environment monitor system of space and ground.

Keywords：Optical；infrared；Radar；hyperion；high orbit

項目資助：“天基環(huán)境監(jiān)測體系指標需求論證”、“環(huán)境遙感監(jiān)測與應用(2039003002)”等課題資助

引用文獻格式：趙少華等.天基環(huán)境衛(wèi)星發(fā)展框架的初步分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(4)：44-46.