生態(tài)環(huán)境的探測技術(shù)裝備是信息時代發(fā)展的源頭，要建設(shè)綠色智慧的數(shù)字生態(tài)文明就離不開先進的探測技術(shù)和儀器。在近日舉行的第二十二屆中國遙感大會上，中國工程院院士、中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所學(xué)術(shù)所長劉文清分享了關(guān)于星載超光譜探測技術(shù)的相關(guān)進展。
01、構(gòu)建從山頂?shù)胶Ｑ蟮纳鷳B(tài)環(huán)境保護和監(jiān)測體系
環(huán)境污染和氣候變化是我國生態(tài)建設(shè)的兩個關(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)生級聯(lián)影響的大氣成分）。大氣成分是國際科學(xué)前沿關(guān)注的焦點，大氣成分也事關(guān)國家氣候外交和國家安全，因此履行國際公約是不可回避的國際義務(wù)。
從空間的角度看，大氣的痕量成分探測需要空間和時間尺度，比如短壽命的OH自由基和長壽命的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，國際上非常重視觀測系統(tǒng)和新探測技術(shù)的應(yīng)用。過去40年來，我國在該領(lǐng)域的發(fā)展從宏觀走向定量化。在大氣污染氣體的探測衛(wèi)星載荷領(lǐng)域，我國于2018年5月成功發(fā)射高分5號，填補了國產(chǎn)衛(wèi)星無法有效探測區(qū)域大氣污染氣體的空白，可滿足環(huán)境綜合監(jiān)測等方面的迫切需求，是中國實現(xiàn)高光譜分辨率對地觀測能力的重要標(biāo)志。大會現(xiàn)場的劉文清報告顯示，環(huán)境高技術(shù)是我國實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的基礎(chǔ)，要加強科技支撐，推進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)境保護和監(jiān)測體系，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)測技術(shù)進展迅速
溫室氣體每年的變化只有1~2ppm，要檢測二氧化碳的變化就對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)確地探測出來，對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)確檢測出來?！?
近年來，國內(nèi)外的團隊發(fā)展了一系列生態(tài)環(huán)境的超光譜監(jiān)測技術(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衛(wèi)星載荷，我國自主研發(fā)了數(shù)據(jù)反演分析軟件和實時處理系統(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02星，其分辨率和信道比更高一些?？梢粤炕谀骋粋€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。
高分五號可以實測數(shù)據(jù)集識別公里級的乙二醛高值區(qū)，針對VOCs人為源和自然源的快速識別，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)的觀測死角，支撐全國VOCs排放來源解析。
同時，高分五號02星還解析了新冠疫情防控對全球空氣質(zhì)量的影響，成功捕捉到2020年初全球各個國家開始新冠疫情防控的時間，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號星和2號星的時間差，可以計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)觀測的優(yōu)點，已經(jīng)成為檢測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、加拿大和中國相繼發(fā)射了具備大氣二氧化碳濃度觀測能力的衛(wèi)星。劉文清指出，我國的碳衛(wèi)星TanSat衛(wèi)星與美國航天局的軌道碳觀測2號（OCO-2）產(chǎn)品質(zhì)量相接近，平均差別僅為 0.46ppm(0.12%)，為我國衛(wèi)星平臺二氧化碳觀測提供了技術(shù)支撐。
劉文清建議，臭氧問題是大氣環(huán)境監(jiān)測最主要的問題。全國大部分城市正從PM2.5污染轉(zhuǎn)向以臭氧污染為主，但臭氧的監(jiān)測面臨非常大的技術(shù)挑戰(zhàn)?！笆紫龋瑑蓚€激光器的波長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波長就可以出現(xiàn)哪個波長。”
劉文清團隊近年發(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放置在衛(wèi)星平臺，“如果可以在5年之內(nèi)發(fā)射，將有望成為國際第一顆臭氧激光的雷達衛(wèi)星。”
03、構(gòu)建多平臺智慧大氣環(huán)境探測系統(tǒng)
