天基環境衛星發展框架的初步分析

趙少華　毛學軍　吳艷婷　劉思含　王　飛

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

?

天基環境衛星發展框架的初步分析

趙少華毛學軍吳艷婷劉思含王飛

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

【摘要】衛星遙感技術已成為環境保護工作中不可或缺的重要手段。針對日益增多的衛星資源，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境保護重大需求，從環境監測領域、衛星遙感手段和衛星運行軌道等方面初步梳理天基環境衛星的發展框架，為天地一體化環境監測體系的發展提供重要支持。

【關鍵詞】光學；紅外；雷達；高光譜；高軌

引言

衛星遙感技術在環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星遙感技術在環保工作中的應用。2008年9月6日，我國自行研制的環境與災害監測預報小衛星星座A、B星(以下簡稱環境一號衛星)成功發射，初步形成了我國環境監測的天基部分，意義深遠，在國內外產生了重大影響，極大地推動了環境監測天-地一體化體系的形成，標志著我國環境監測開始步入衛星應用時代。環境一號衛星發射以來，環保部已將衛星遙感技術納入到環境監測、環境執法、環境應急、生態保護、核安全監管等環境管理業務體系工作中，為環境監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展規劃(2015-2025)(以下簡稱空基規劃)的實施，與我部相關的高分一號、二號、四號衛星已成功發射并發揮著重要作用，我部作為牽頭主用戶的高分五號衛星、16米光學衛星、大氣環境監測衛星、高分五號02衛星等也將陸續發射，系列的衛星資源將為未來的環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境保護重大需求，如何設計好滿足環保需求的衛星特色載荷指標、使衛星用好和好用，有必要先行梳理天基環境衛星的發展體系，構建天基環境衛星的發展框架，下面分別從環境監測領域、衛星遙感手段和衛星運行軌道三個維度對天基環境衛星發展框架進行初步分析，以期為環境有效監管提供支持。

1基于環境監測領域的天基衛星體系框架

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

1.1大氣環境監測衛星系列

新時期的大氣環境遙感重點工作主要包括對大氣顆粒物及灰霾監測、重點區域污染氣體監測、全國秸稈焚燒動態監測、重點區域沙塵、揚塵監測、重點區域溫室氣體監測等。針對大氣環境遙感監測的目標和要素，主要需要高光譜、高時間分辨率和偏振等手段，因此必須發展環保特色載荷，如針對顆粒物、氣溶膠等高精度監測，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。

結合目前空基規劃中的天基衛星設置，目前和未來一段時間內，大氣環境監測衛星系列應包括高分五號衛星、高分五號02衛星、大氣環境及污染物監測衛星、高精度溫室氣體監測衛星等，此外，還應該發展多顆組網的高軌大氣環境監測衛星，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，形成大氣環境的高低軌綜合探測能力。

1.2水環境監測衛星系列

新時期的水環境遙感重點工作主要包括對內陸大型水體水環境監測、飲用水源地衛星遙感巡查、流域水環境監測、城市黑臭水體及水環境監測與評估、典型水污染源監測、水環境異常巡查、近岸海域水環境監測等。針對水環境遙感監測的目標和要素，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，因此必須發展環保特色載荷，如針對水華、溢油、赤潮等高精度監測等，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境監測衛星。

1.3生態環境監測衛星系列

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

2基于衛星遙感手段的天基衛星體系框架

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

2.1光學衛星系列(含紅外載荷)

高空間分辨率光學衛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星主要包括寬幅成像光譜儀、CCD相機、紅外相機等。可以對氣溶膠、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、生物多樣性、礦山開發環境破壞、農村生態環境、城市生態環境、重點生態功能區等進行有效監測。目前我部作為主用戶的在軌光學衛星主要是環境一號A、B星、高分一號衛星等，其他的高分二號衛星、高分四號衛星等數據我部也可方便獲取。空基規劃中我部作為主用戶待立項發射的衛星主要包括16米光學衛星、高分多模綜合成像衛星、陸地生態系統碳衛星等。另外，還包括擬發展的水環境監測衛星、生態環境監測衛星等。

2.2高光譜衛星系列

高光譜分辨率衛星，主要包括高分五號衛星、高分五號02衛星、大氣環境及污染物監測衛星、高精度溫室氣體監測衛星等。目前在軌的高光譜載荷為環境一號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，空基規劃中的高光譜觀測衛星主要是針對大氣污染氣體、溫室氣體等大氣環境設置，同時兼顧水環境水質監測、生物多樣性、植被水分等生態環境的高光譜觀測需求。

2.3雷達衛星系列

主要包括不同波段(C波段、S波段、L波段)的雷達衛星，可搭載全極化合成空間雷達、微波輻射計、散射計等載荷。根據環境遙感監測的目標和要素，主要對水華、溢油、生物量、土壤濕度、植被長勢、土地利用分類、環境災害應急等進行有效監測。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，雷達衛星將發揮重要作用。目前，在軌的雷達衛星是環境一號C星，另外空基規劃中與我部相關的雷達衛星還包括5米S波段SAR衛星、高軌SAR衛星等。

3基于衛星運行軌道的天基衛星體系框架

目前常用的遙感衛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太陽同步軌道衛星系列

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

3.2地球同步軌道衛星系列

地球同步軌道一般稱為高軌衛星，包括目前在軌的高分四號衛星，以及待立項發射和發展的高軌雷達衛星、大氣環境監測衛星、水和生態環境監測衛星等。其中高軌大氣環境監測衛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測。高軌水和生態環境監測衛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、生態環境變化過程等進行高效監測。高軌雷達衛星包括不同波段(C波段、S波段、L波段)的衛星，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、環境災害應急等進行高效監測，大大提升我國南方多云多雨地區遙感數據的獲取能力和監測水平。

4結語

我國自行研制的環境與災害監測預報小衛星星座A、B星(以下簡稱環境一號衛星于2008年9月6日成功發射，初步形成了我國環境監測的天基部分，在國內外產生了重大影響，極大地推動了環境監測天-地一體化體系的形成，標志著我國環境監測開始步入衛星應用時代。環境一號衛星發射以來，環保部已將衛星遙感技術納入到環境監測、環境執法、環境應急、生態保護、核安全監管等環境管理業務體系工作中，為環境監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境保護重大需求，如何設計好滿足環保需求的衛星特色載荷指標、使衛星用好和好用，有必要先行梳理天基環境衛星的發展體系，構建天基環境衛星的發展框架，本文分別從環境監測領域、衛星遙感手段和衛星運行軌道三個維度對天基環境衛星發展框架進行初步分析，以期為環境有效監管提供支持。 研究指出，未來地球環境監測領域發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。作為監測要素最多、最復雜的行業，環境保護工作涵蓋大氣環境、水環境和生態環境等人類生活的各個方面，其對衛星需求也非常復雜，定量化要求程度高，各種高分辨率的衛星需求均涉及，比如大氣環境監測對污染氣體需要高光譜、高時間分辨率，水環境監測需要高空間、高光譜、高時間分辨率，生態環境監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紅線監管的國家環境保護重大需求，未來迫切需要研發環境特色載荷，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，階段化發展系列的高低軌大氣環境監測衛星、水環境監測衛星和土壤環境監測衛星等環境專用衛星(特別要發展高軌衛星)，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測網絡，構建天地一體化監測體系，實現大氣環境、水環境、土壤環境和生態環境的立體監測，大幅提升國家環境監管水平，助推國家生態文明建設。

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.衛星紅外遙感技術在我國環保領域中的應用與發展分析[J].地球信息科學學報，2015a，17(7)：855-861.

[4]趙少華，王橋，游代安，等.高分辨率衛星在國家環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.國家重點生態功能區縣域生態環境質量遙感考核方法研究[J].環境與可持續發展，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].環境與可持續發展，2015，40(1)：79-80.

[8]萬華偉，李靜，王昌佐，等..遙感技術在突發自然災害生態影響監測和評估中的應用研究[J].環境與可持續發展，2014，39(5)：28-30.

[9]馬萬棟，吳傳慶，殷守敬，等.環渤海圍填海遙感監測及對策建議[J].環境與可持續發展，2015，40(3)：63-65.

[10]賈祥，曹飛，孫中平，等.遙感技術在核電安全監管現代化中的應用與思考[J].環境與可持續發展，2015，40(5)：47-49.

[11]武衛玲，薛文博，付飛，等..近地面PM2.5濃度衛星反演研究進展[J].環境與可持續發展，2014，39(5)：94-96.

[12]游代安，趙少華，史園莉，等.一種利用雙時相ASAR數據監測土壤濕度的方法[J].環境與可持續發展，2015，40(6)：103-107.

[13]游代安，姜俊，曹飛，等.高分環境遙感應用示范系統平臺總體設計與實現[J].環境與可持續發展，2015，40(4)：43-47.

作者簡介：趙少華，博士后，高級工程師，主要從事環境遙感研究

通訊作者：劉思含，高級工程師，博士，主要從事環境遙感研究

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

引用文獻格式：趙少華等.天基環境衛星發展框架的初步分析[J].環境與可持續發展，2016，41(4)：44-46.