生態(tài)環(huán)境的探測(cè)技術(shù)裝備是信息時(shí)代發(fā)展的源頭，要建設(shè)綠色智慧的數(shù)字生態(tài)文明就離不開先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)和儀器。在近日舉行的第二十二屆中國(guó)遙感大會(huì)上，中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所學(xué)術(shù)所長(zhǎng)劉文清分享了關(guān)于星載超光譜探測(cè)技術(shù)的相關(guān)進(jìn)展。

01、構(gòu)建從山頂?shù)胶Ｑ蟮纳鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)和監(jiān)測(cè)體系

環(huán)境污染和氣候變化是我國(guó)生態(tài)建設(shè)的兩個(gè)關(guān)鍵問題。人類的生存環(huán)境與大氣成分及其變化密切相關(guān)，包括空氣質(zhì)量（環(huán)境污染、能見度下降、生態(tài)系統(tǒng)破壞和人類健康）和氣候變化（地球輻射收支平衡產(chǎn)生級(jí)聯(lián)影響的大氣成分）。大氣成分是國(guó)際科學(xué)前沿關(guān)注的焦點(diǎn)，大氣成分也事關(guān)國(guó)家氣候外交和國(guó)家安全，因此履行國(guó)際公約是不可回避的國(guó)際義務(wù)。

從空間的角度看，大氣的痕量成分探測(cè)需要空間和時(shí)間尺度，比如短壽命的OH自由基和長(zhǎng)壽命的CO和CO2的相互作用是大氣化學(xué)的核心問題。污染氣體與溫室氣體是同根同源的，但是檢測(cè)技術(shù)是不同的，比如污染氣體一般為紫外波段、溫室氣體則在紅外波段。

目前，國(guó)際上非常重視觀測(cè)系統(tǒng)和新探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。過去40年來，我國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)展從宏觀走向定量化。在大氣污染氣體的探測(cè)衛(wèi)星載荷領(lǐng)域，我國(guó)于2018年5月成功發(fā)射高分5號(hào)，填補(bǔ)了國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星無法有效探測(cè)區(qū)域大氣污染氣體的空白，可滿足環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)等方面的迫切需求，是中國(guó)實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率對(duì)地觀測(cè)能力的重要標(biāo)志。大會(huì)現(xiàn)場(chǎng)的劉文清報(bào)告顯示，環(huán)境高技術(shù)是我國(guó)實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的基礎(chǔ)，要加強(qiáng)科技支撐，推進(jìn)綠色低碳科技自助創(chuàng)新 ；構(gòu)建從山頂?shù)胶Ｑ蟮纳鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)和監(jiān)測(cè)體系，深化人工智能等數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，構(gòu)建美麗中國(guó)數(shù)字化治理體系，建設(shè)綠色智慧的數(shù)字生態(tài)文明。

02、大氣污染和超光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)展迅速

溫室氣體每年的變化只有1~2ppm，要檢測(cè)二氧化碳的變化就對(duì)靈敏度有很高的要求。二氧化碳的月均最小變化為0.08ppm，最大變化也只有5.83ppm，這要求探測(cè)儀器精度至少要在1ppm以下。

劉文清表示，大氣中的成分非常多，要將每種大氣成分準(zhǔn)確地探測(cè)出來，對(duì)其光譜分辨率便有相應(yīng)的要求?！巴ǔＨ绻庾V分辨率大于1nm，就很難準(zhǔn)確地探測(cè)這些組分。如在紫外可見波段，要求小于0.5nm；在溫室氣體紅外波段，光譜分辨率要更高，這樣才能準(zhǔn)確檢測(cè)出來。”

近年來，國(guó)內(nèi)外的團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一系列生態(tài)環(huán)境的超光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)。以差分吸收光譜（DOAS）為例，大氣中的許多污染物如OH自由基、三氧化碳自由基、甲醛都是用這一技術(shù)首先測(cè)出來的。在大氣污染、溫室氣體、水和土壤、工業(yè)園區(qū)、固體廢物、農(nóng)業(yè)面源等方面，生態(tài)環(huán)境超光譜立體監(jiān)測(cè)技術(shù)有非常多的應(yīng)用。

通過基于自主研發(fā)的用于大氣污染的高分五號(hào)衛(wèi)星載荷，我國(guó)自主研發(fā)了數(shù)據(jù)反演分析軟件和實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，獲得了大氣污染業(yè)務(wù)化產(chǎn)品。劉文清指出，2018年高分五號(hào)發(fā)射后，獲得全球臭氧分布、二氧化氮、氮氧化物等分布數(shù)據(jù)，還能解決國(guó)際間的一些環(huán)境糾紛問題。

“2021年又成功發(fā)射了高分五號(hào)02星，其分辨率和信道比更高一些?？梢粤炕谀骋粋€(gè)地區(qū)，比如北京的一些污染物到底從什么地方來的？現(xiàn)在已經(jīng)可以量化到具體的小區(qū)?！眲⑽那逭f。

高分五號(hào)可以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集識(shí)別公里級(jí)的乙二醛高值區(qū)，針對(duì)VOCs人為源和自然源的快速識(shí)別，建立乙二醛衛(wèi)星遙感算法，突破星載超高光譜自適應(yīng)迭代算法關(guān)鍵技術(shù)，建立乙二醛衛(wèi)星超高光譜遙感算法，精準(zhǔn)定位工廠源，克服傳統(tǒng)技術(shù)的觀測(cè)死角，支撐全國(guó)VOCs排放來源解析。

同時(shí)，高分五號(hào)02星還解析了新冠疫情防控對(duì)全球空氣質(zhì)量的影響，成功捕捉到2020年初全球各個(gè)國(guó)家開始新冠疫情防控的時(shí)間，新冠疫情導(dǎo)致全球大氣環(huán)境變化的衛(wèi)星遙感研究，大都是基于衛(wèi)星載荷開展的局面，說明我國(guó)超光譜衛(wèi)星能夠在全球突發(fā)事件的監(jiān)控中發(fā)揮重要作用。

劉文清指出：“另外，根據(jù)發(fā)射高五的1號(hào)星和2號(hào)星的時(shí)間差，可以計(jì)算出其中排放通量的問題?！?

衛(wèi)星遙感具有客觀、連續(xù)、穩(wěn)定、大范圍、重復(fù)觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為檢測(cè)全球大氣二氧化碳濃度不可或缺的技術(shù)手段。迄今為止，歐盟、日本、美國(guó)、加拿大和中國(guó)相繼發(fā)射了具備大氣二氧化碳濃度觀測(cè)能力的衛(wèi)星。劉文清指出，我國(guó)的碳衛(wèi)星TanSat衛(wèi)星與美國(guó)航天局的軌道碳觀測(cè)2號(hào)（OCO-2）產(chǎn)品質(zhì)量相接近，平均差別僅為 0.46ppm(0.12%)，為我國(guó)衛(wèi)星平臺(tái)二氧化碳觀測(cè)提供了技術(shù)支撐。

劉文清建議，臭氧問題是大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)最主要的問題。全國(guó)大部分城市正從PM2.5污染轉(zhuǎn)向以臭氧污染為主，但臭氧的監(jiān)測(cè)面臨非常大的技術(shù)挑戰(zhàn)?！笆紫?，兩個(gè)激光器的波長(zhǎng)必須處于臭氧吸收的峰值和谷值，但并不是所有激光器想要哪個(gè)波長(zhǎng)就可以出現(xiàn)哪個(gè)波長(zhǎng)?！?

劉文清團(tuán)隊(duì)近年發(fā)明一種金剛石晶體，可以精確地調(diào)整到二氧化碳吸收的譜線，他希望能夠盡快將臭氧激光雷達(dá)放置在衛(wèi)星平臺(tái)，“如果可以在5年之內(nèi)發(fā)射，將有望成為國(guó)際第一顆臭氧激光的雷達(dá)衛(wèi)星。”

03、構(gòu)建多平臺(tái)智慧大氣環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)