多款光谱仪器助力卫星遥感技术实现精细化、高效化监测

      作为一门实用、先进的空间探测技术，卫星遥感技术利用遥感器从空中探测地面环境变化，根据不同环境地物光谱特征响应，识别地面上生态环境状况及动态变化。这项事业，我国虽然起步晚，却发展迅速，在业务化应用等方面已经位居国际领先地位。
 
 　　祁连山国家级自然保护区生态环境遭受破坏，引发了环保问责风暴。环境保护部通过卫星遥感监测，帮助发现了祁连山自然保护区内违法违规开发矿产资源等破坏生态的问题。
 　　在我们肉眼看不见的地方，我国的环境卫星正时刻对生态环境进行监测，那些破坏生态环境的行为，很难逃过它们的法眼。
 　　环境保护部卫星环境应用中心的人们，就是开启天空之眼的工作者，运用卫星遥感技术，从天上监测生态环境的变化。作为一门实用、先进的空间探测技术，卫星遥感技术利用遥感器从空中探测地面环境变化，根据不同环境地物光谱特征响应，识别地面上生态环境状况及动态变化。这项事业，我国虽然起步晚，却发展迅速，在业务化应用等方面已经位居国际领先地位。
 　　在不知道未来会发展成怎样的情况下，十几个创业者坚持了下来，从无到有、从小到大开创了环境遥感监测事业。每个人心往一处想：要把中国自己的环境卫星发射上天、应用好。
 　　为筹备环境一号卫星立项、研制、发射、应用等工作，2003年5月，原国家环保总局成立了环境卫星中心筹备办。创业伊始，环境卫星中心筹备办还不到10人，“要啥没啥，非常困难。在2009年卫星环境应用中心正式成立前，最多也只有15个人。”卫星中心大气遥感部主任厉青回忆说，“在不知道未来会发展成什么样的情况下，这十几个人却始终坚持了下来，从无到有、从小到大开创了环境遥感监测事业。每个人心往一处想：要把中国自己的环境卫星发射上天、应用好。”王桥、王文杰、魏斌、厉青、申文明、吴传庆、罗海江、王昌佐、杨一鹏……如今这些创业者们，有的成长为司局级干部和领军人才，有的成长为单位的技术带头人，有的成长为部门领导和业务骨干，他们在各自不同的岗位上发挥着重要作用。
 　　湖库蓝藻水华暴发、全国秸秆焚烧、区域生态破坏等，环境卫星的发射和应用，让环保部门心中有了底。比如河流断流监测，有的地方上报：地面断流了，因此没有监测数据。“事实上有可能是水污染比较严重，是否真的断流了，利用环境卫星很容易看到。”水环境遥感部负责人朱利说。2016年，巢湖暴发大面积水华，环境卫星遥感第一时间监测到变化，并及时上报了监测结果。
 　　此外，突发环境事件和自然灾害发生后对当地生态环境的影响如何，自然保护区生态破坏是什么情况，环境卫星都能派上用场。
 　　2010年大连溢油事件发生后，尽管大连天气状况不好，但卫星中心还是很快获取了雷达卫星遥感数据，并充分发挥无人机技术特长，到溢油事件现场做精确勘察，分析溢油的分布范围及扩散情况，为溢油污染后处理提供了有力的技术支持。同年，东北发生化学原料桶流入松花江事件，当时流入江里的化学原料桶有数千个，环境卫星监测到它们大致的位置，又利用无人机拍摄了分辨率高达0.2米的高精度图像，完成了化学原料桶查找和打捞。
 　　2011年3月10日，云南盈江发生5.8级地震，卫星中心工作人员连夜加班，火速处理图像、分析数据，利用环境卫星对周边饮用水水源地和自然保护区的环境影响进行监测和评估，第二天一早就将报告送到了环境保护部。
 　　有时候，环境卫星还能成为无懈可击的“证人”。目前，根据国家生态保护管理需要，自2016年起，卫星中心已经实现了每年两次对400多个国家级自然保护区的遥感动态监测。“一年内看两次，问题就无处遁形。原来是草地，后来成耕地了，原来是林地，后来用来盖房子了。通过对自然保护区同时相、不同年份遥感影像的比对分析，就可以判断出有问题的地方。”卫星中心刘玉平副主任说。
 　　卫星中心生态遥感部负责人侯鹏介绍，环境卫星遥感可以锁定自然保护区生态破坏的证据，目前在自然保护区综合监管方面已发挥了关键作用。如腾格尔沙漠生态破坏、祁连山自然保护区矿产非法开采，都是卫星遥感第一时间锁定证据，及时呈报上级管理部门，作为责任追究的铁证。
 　　现如今，卫星中心已初步构建了一套比较完整的环境卫星应用业务体系，涉及水、气、生态、土壤、核安全、监察执法等等。综合业务部主任杨一鹏说，卫星中心的日常工作是根据国家环境管理的不同需求，分配任务给水环境遥感部、大气环境遥感部、生态环境遥感部等不同业务部门，“我们接下环境管理各业务司局的‘订单’，把任务分类下达给部门，‘生产’后再交付给各司局，整体上实现了业务化运行。”
 　　高分五号卫星2012年底立项，2016年6月完成初样研制，目前卫星已进入整星测试实验。这颗卫星的发射，将是我国高光谱卫星遥感发展的里程碑，也将为我国大气环境遥感监测发展提供新的契机。
 　　2017年底，卫星中心还将完成发射高分五号卫星的科研工作。关心我国遥感技术发展的人都知道，高分专项工程是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年)》的16个重大科技专项之一，是高分辨率对地观测系统重大专项的简称，在网络上被亲切地称为“中国人自己的全球观测系统”，于2010年启动实施。2013年以来，高分一号、二号、三号、四号卫星陆续发射升空，实现了亚米级高空间分辨率与高时间分辨率的有机结合，为我国环境监测提供了前所未有的高分辨监测手段。
 　　高分五号卫星是高分专项中唯一一颗实现高光谱分辨率重要使命的对地观测卫星，是国家高分辨率对地观测能力的重要标志之一。经过4年多的研发，目前高分五号卫星已完成正样研制，基本具备了出厂条件，按计划将于2017年下半年发射。“高分五号卫星的研制与发射，将填补我国对NO2、SO2等污染气体开展高精度、定量化遥感监测的空白，同时对我国水环境、生态环境遥感定量化、精细化监测也具有重要作用。”杨一鹏说。
 　　高分五号卫星携带6个载荷，包括可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像探测仪、痕量气体差分吸收光谱、大气主要温室气体探测仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪和大气环境红外线高分辨率探测仪，技术指标均达到国际先进水平，研制难度很大。
 　　卫星中心具体负责高分专项工作的高级工程师赵少华说：“高分五号卫星携带的痕量气体差分吸收光谱仪、大气主要温室气体探测仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪和大气环境红外线高分辨率探测仪4个大气载荷，可有效探测大气污染气体、温室气体、气溶胶等大气环境要素;可见短波红外高光谱相机和全谱段光谱成像探测仪，陆地观测载荷的分辨率达20m~40m，能够有效缓解我国水环境、生态环境监测以及环境监管领域遥感应用中高光谱数据、高分辨率红外数据的缺乏。”
 　　高分五号卫星2012年底立项，2016年6月完成初样研制，目前卫星已进入整星测试实验。从立项到今年卫星发射，不过才5年时间。杨一鹏感慨到：“考虑到其难度，5年时间已经相当高效。”这颗卫星的成功发射，将是我国高光谱卫星遥感发展的里程碑，也将为我国大气环境遥感监测发展提供新的契机。
 　　这只年轻的队伍为国家做了很多贡献，不仅在支撑服务环境管理方面，同时还创新研发了大量模型算法，推动了我国环境遥感技术进步。
 　　从环境一号卫星到高分辨环境卫星，环境遥感事业发展造就了一大批技术人员和业务骨干。
 　　水环境遥感部王雪蕾的第二个小生命到来时，她还浑然不觉。作为卫星中心水环境遥感部的研究员、第二批国家环境保护专业技术青年拔尖人才，2016年初，她全身心放在建设水环境数据库上。直到身体抱恙到医院检查时，医生忍不住责怪她：“你已经怀孕了居然不知道?孩子都两个月了!”
 　　王雪蕾是个特别能钻研的人，用中心领导的话来说：“通过她一个人的努力，就给中心开拓出一个新的业务方向。”
 　　2010年，北京师范大学博士后王雪蕾被卫星中心招录，她很快喜欢上这里的工作，却又感觉到深深的压力。卫星中心是中国环境遥感应用的主战场，每一个博士都有一个研究方向，每个人都能独挡一面。王雪蕾硕士期间从事自然地理研究，方向为土壤和地下水，博士转为学遥感，博士后主攻岸边带。她的专长在于算法，喜欢和数字打交道。
 　　当时，面源污染监测很难，网格化管理要求清楚单元污染的情况，要通过计算机进行演算，涉及农田、城市、土壤、畜牧养殖等多个领域的数据。2010年时，全国范围的面源污染监测几乎无法做到，在国际上都是待攻克的难题。
 　　“你要不挑战一下？”中心领导给了她一个科研方向。要进行全国面源污染监测，科学界虽然有模型，但是不能计算全国情况。这其中最难啃的硬骨头在于：数据库的建立。这里的数据库涉及的领域太多，有的虽然能买到，但是精度比较粗糙。拿土壤一块领域来说，她积极奔走，最终得到了教育部“长江学者奖励计划”特聘教授戴永久老师的支持。
 　　这还远远不够，众所周知，我国地形并非一马平川，其上下起伏高低不平，比较典型的指标为地形坡度。在做土壤侵蚀模型时，只有应用分辨率为25m以内的高程数据提取的坡度参数才能保证模拟的精度。“普通的计算机根本跑不动。为了做全国高精度地形坡度数据库，中心大力支持，专门配备了价值9万元的工作站，是全中心最好的工作站。”
 　　那么地形坡度这一个指标的数据量有多大呢?一共2TB。
 　　1TB=1000GB=1000，000MB。按普通DVD容量约4GB计算，1TB需要250张DVD，每天一张大约要看1年。土壤坡度数据库的建设，在计算机24小时运转情况下，经历了半年时间。
 　　可以说，光土壤坡度这一个细分项，王雪蕾收获了全国一流的精确数据。面源污染估算还涉及到大气、水文、气象数据，每一项数据都要跟相关部门联系。
 　　水文数据最难，需要找水利部门获取。“个人关系也拿不到全国水文站点数据。”王雪蕾一度非常焦虑。好在水利部每年会出一本《水文年鉴》，其中有流量、雨量、泥沙等资料，数据很全，不过全都是图片化的内容。王雪蕾和有关单位合作，把近20年的《水文年鉴》图表，翻译成数字，为模型建立打下夯实基础。
 　　在科研奋斗之路上，王雪蕾第一个孩子到来。她在单位旁边租了一个房子。“当时连1小时的哺乳假都没有心思休，中心给予我们这么大力的支持，不做出成绩来有负众望。”
 　　通过不懈努力，王雪蕾初步突破了国家尺度面源污染业务化遥感监测技术，并在全国及流域面源污染遥感估算方面开展了一系列应用示范，在支撑服务水环境管理方面发挥了重要作用，其承担的“国家尺度面源污染业务化遥感监测技术体系与应用”项目还荣获了环境保护科学技术奖二等奖。
 　　近几年，卫星中心的青年人每年都能申请到国家自然科学基金项目，在《JournalofEnvironmentalInformatics》《遥感学报》《生态学报》等国内外一流学术期刊上发表文章更是常态。提到中心的年轻人，中心领导评价说：“这只队伍确实为国家做了很多贡献，不仅在支撑服务环境管理方面，同时还创新研发了大量模型算法，推动了我国环境遥感技术进步。”比如，卫星中心组织开发的基于插件和工作流模式的环境遥感应用软件系统，杨一鹏解释说：“即把常用的功能做成插件，并根据不同任务制定工作流，到应用的时候就像搭积木一样，需要哪一个拿就过来用，并按照既定的工作流开始运行系统，自动生产相应的环境遥感应用产品。”
 　　这些成果，都是60多人的卫星中心团队一点一滴积累起来的。与外界相比，卫星中心的待遇很普通。中心有一位年轻人，自打工作崭露头角后，就一直有商业公司想高薪挖走，可惜小伙子根本没动这份心思。这样的案例比比皆是。原因何在?答案很简单：事业留人!接受采访的年轻人纷纷表示：“卫星中心是我国环境遥感的主战场，专业技术人员能在这大展身手。以科研促业务，为国家环境管理服务，对科研队伍来说很有成就感。”
 　　卫星中心成立以来，充分发挥科研的先导和引领作用，先后承担了30多项环境遥感相关重大科研项目，在环境遥感监测载荷设计、图像处理、大气环境遥感应用、水环境遥感应用、生态环境遥感应用等方面取得系列创新成果，有力促进了环境遥感业务的拓展与深化，编制了《自然保护区人类活动遥感监测技术指南(试行)》《无人机环境遥感监测基本作业规范》等技术规范。其中，《中国西部地区生态环境现状遥感调查》《环境一号卫星环境应用系统工程》《国家环境质量遥感监测体系研究与业务化应用》3个项目荣获国家科技进步二等奖，登记软件著作权18项，获批专利16项，出版环境遥感相关专著40余部。
 　　从一间20平方米的小屋发展到如今的一栋大楼(还有一栋正在建)，从6个人的创业团队到如今60多人的队伍，卫星中心践行了科技是第一生产力的真理。2017年下半年，高分五号卫星将进入预定轨道，环境卫星遥感事业方兴未艾。
 　　编辑点评
 　　高分五号卫星是高分专项中唯一一颗实现高光谱分辨率重要使命的对地观测卫星，是国家高分辨率对地观测能力的重要标志之一。高精度、定量化遥感监测的空白，同时对我国水环境、生态环境遥感定量化、精细化监测也具有重要作用。