多款光譜儀器助力衛(wèi)星遙感技術(shù)實現(xiàn)精細化、高效化監(jiān)測

      作為一門實用、先進的空間探測技術(shù)，衛(wèi)星遙感技術(shù)利用遙感器從空中探測地面環(huán)境變化，根據(jù)不同環(huán)境地物光譜特征響應(yīng)，識別地面上生態(tài)環(huán)境狀況及動態(tài)變化。這項事業(yè)，我國雖然起步晚，卻發(fā)展迅速，在業(yè)務(wù)化應(yīng)用等方面已經(jīng)位居國際領(lǐng)先地位。
 
 　　祁連山國家級自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境遭受破壞，引發(fā)了環(huán)保問責風(fēng)暴。環(huán)境保護部通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測，幫助發(fā)現(xiàn)了祁連山自然保護區(qū)內(nèi)違法違規(guī)開發(fā)礦產(chǎn)資源等破壞生態(tài)的問題。
 　　在我們?nèi)庋劭床灰姷牡胤?，我國的環(huán)境衛(wèi)星正時刻對生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測，那些破壞生態(tài)環(huán)境的行為，很難逃過它們的法眼。
 　　環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心的人們，就是開啟天空之眼的工作者，運用衛(wèi)星遙感技術(shù)，從天上監(jiān)測生態(tài)環(huán)境的變化。作為一門實用、先進的空間探測技術(shù)，衛(wèi)星遙感技術(shù)利用遙感器從空中探測地面環(huán)境變化，根據(jù)不同環(huán)境地物光譜特征響應(yīng)，識別地面上生態(tài)環(huán)境狀況及動態(tài)變化。這項事業(yè)，我國雖然起步晚，卻發(fā)展迅速，在業(yè)務(wù)化應(yīng)用等方面已經(jīng)位居國際領(lǐng)先地位。
 　　在不知道未來會發(fā)展成怎樣的情況下，十幾個創(chuàng)業(yè)者堅持了下來，從無到有、從小到大開創(chuàng)了環(huán)境遙感監(jiān)測事業(yè)。每個人心往一處想：要把中國自己的環(huán)境衛(wèi)星發(fā)射上天、應(yīng)用好。
 　　為籌備環(huán)境一號衛(wèi)星立項、研制、發(fā)射、應(yīng)用等工作，2003年5月，原國家環(huán)保總局成立了環(huán)境衛(wèi)星中心籌備辦。創(chuàng)業(yè)伊始，環(huán)境衛(wèi)星中心籌備辦還不到10人，“要啥沒啥，非常困難。在2009年衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心正式成立前，最多也只有15個人。”衛(wèi)星中心大氣遙感部主任厲青回憶說，“在不知道未來會發(fā)展成什么樣的情況下，這十幾個人卻始終堅持了下來，從無到有、從小到大開創(chuàng)了環(huán)境遙感監(jiān)測事業(yè)。每個人心往一處想：要把中國自己的環(huán)境衛(wèi)星發(fā)射上天、應(yīng)用好?！蓖鯓?、王文杰、魏斌、厲青、申文明、吳傳慶、羅海江、王昌佐、楊一鵬……如今這些創(chuàng)業(yè)者們，有的成長為司局級干部和領(lǐng)軍人才，有的成長為單位的技術(shù)帶頭人，有的成長為部門領(lǐng)導(dǎo)和業(yè)務(wù)骨干，他們在各自不同的崗位上發(fā)揮著重要作用。
 　　湖庫藍藻水華暴發(fā)、全國秸稈焚燒、區(qū)域生態(tài)破壞等，環(huán)境衛(wèi)星的發(fā)射和應(yīng)用，讓環(huán)保部門心中有了底。比如河流斷流監(jiān)測，有的地方上報：地面斷流了，因此沒有監(jiān)測數(shù)據(jù)?！笆聦嵣嫌锌赡苁撬廴颈容^嚴重，是否真的斷流了，利用環(huán)境衛(wèi)星很容易看到。”水環(huán)境遙感部負責人朱利說。2016年，巢湖暴發(fā)大面積水華，環(huán)境衛(wèi)星遙感第一時間監(jiān)測到變化，并及時上報了監(jiān)測結(jié)果。
 　　此外，突發(fā)環(huán)境事件和自然災(zāi)害發(fā)生后對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響如何，自然保護區(qū)生態(tài)破壞是什么情況，環(huán)境衛(wèi)星都能派上用場。
 　　2010年大連溢油事件發(fā)生后，盡管大連天氣狀況不好，但衛(wèi)星中心還是很快獲取了雷達衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，并充分發(fā)揮無人機技術(shù)特長，到溢油事件現(xiàn)場做精確勘察，分析溢油的分布范圍及擴散情況，為溢油污染后處理提供了有力的技術(shù)支持。同年，東北發(fā)生化學(xué)原料桶流入松花江事件，當時流入江里的化學(xué)原料桶有數(shù)千個，環(huán)境衛(wèi)星監(jiān)測到它們大致的位置，又利用無人機拍攝了分辨率高達0.2米的高精度圖像，完成了化學(xué)原料桶查找和打撈。
 　　2011年3月10日，云南盈江發(fā)生5.8級地震，衛(wèi)星中心工作人員連夜加班，火速處理圖像、分析數(shù)據(jù)，利用環(huán)境衛(wèi)星對周邊飲用水水源地和自然保護區(qū)的環(huán)境影響進行監(jiān)測和評估，第二天一早就將報告送到了環(huán)境保護部。
 　　有時候，環(huán)境衛(wèi)星還能成為無懈可擊的“證人”。目前，根據(jù)國家生態(tài)保護管理需要，自2016年起，衛(wèi)星中心已經(jīng)實現(xiàn)了每年兩次對400多個國家級自然保護區(qū)的遙感動態(tài)監(jiān)測?！耙荒陜?nèi)看兩次，問題就無處遁形。原來是草地，后來成耕地了，原來是林地，后來用來蓋房子了。通過對自然保護區(qū)同時相、不同年份遙感影像的比對分析，就可以判斷出有問題的地方?！毙l(wèi)星中心劉玉平副主任說。
 　　衛(wèi)星中心生態(tài)遙感部負責人侯鵬介紹，環(huán)境衛(wèi)星遙感可以鎖定自然保護區(qū)生態(tài)破壞的證據(jù)，目前在自然保護區(qū)綜合監(jiān)管方面已發(fā)揮了關(guān)鍵作用。如騰格爾沙漠生態(tài)破壞、祁連山自然保護區(qū)礦產(chǎn)非法開采，都是衛(wèi)星遙感第一時間鎖定證據(jù)，及時呈報上級管理部門，作為責任追究的鐵證。
 　　現(xiàn)如今，衛(wèi)星中心已初步構(gòu)建了一套比較完整的環(huán)境衛(wèi)星應(yīng)用業(yè)務(wù)體系，涉及水、氣、生態(tài)、土壤、核安全、監(jiān)察執(zhí)法等等。綜合業(yè)務(wù)部主任楊一鵬說，衛(wèi)星中心的日常工作是根據(jù)國家環(huán)境管理的不同需求，分配任務(wù)給水環(huán)境遙感部、大氣環(huán)境遙感部、生態(tài)環(huán)境遙感部等不同業(yè)務(wù)部門，“我們接下環(huán)境管理各業(yè)務(wù)司局的‘訂單’，把任務(wù)分類下達給部門，‘生產(chǎn)’后再交付給各司局，整體上實現(xiàn)了業(yè)務(wù)化運行?！?br />  　　高分五號衛(wèi)星2012年底立項，2016年6月完成初樣研制，目前衛(wèi)星已進入整星測試實驗。這顆衛(wèi)星的發(fā)射，將是我國高光譜衛(wèi)星遙感發(fā)展的里程碑，也將為我國大氣環(huán)境遙感監(jiān)測發(fā)展提供新的契機。
 　　2017年底，衛(wèi)星中心還將完成發(fā)射高分五號衛(wèi)星的科研工作。關(guān)心我國遙感技術(shù)發(fā)展的人都知道，高分專項工程是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006~2020年)》的16個重大科技專項之一，是高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項的簡稱，在網(wǎng)絡(luò)上被親切地稱為“中國人自己的全球觀測系統(tǒng)”，于2010年啟動實施。2013年以來，高分一號、二號、三號、四號衛(wèi)星陸續(xù)發(fā)射升空，實現(xiàn)了亞米級高空間分辨率與高時間分辨率的有機結(jié)合，為我國環(huán)境監(jiān)測提供了前所未有的高分辨監(jiān)測手段。
 　　高分五號衛(wèi)星是高分專項中唯一一顆實現(xiàn)高光譜分辨率重要使命的對地觀測衛(wèi)星，是國家高分辨率對地觀測能力的重要標志之一。經(jīng)過4年多的研發(fā)，目前高分五號衛(wèi)星已完成正樣研制，基本具備了出廠條件，按計劃將于2017年下半年發(fā)射?！案叻治逄栃l(wèi)星的研制與發(fā)射，將填補我國對NO2、SO2等污染氣體開展高精度、定量化遙感監(jiān)測的空白，同時對我國水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境遙感定量化、精細化監(jiān)測也具有重要作用?！睏钜基i說。
 　　高分五號衛(wèi)星攜帶6個載荷，包括可見短波紅外高光譜相機、全譜段光譜成像探測儀、痕量氣體差分吸收光譜、大氣主要溫室氣體探測儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測儀和大氣環(huán)境紅外線高分辨率探測儀，技術(shù)指標均達到國際先進水平，研制難度很大。
 　　衛(wèi)星中心具體負責高分專項工作的高級工程師趙少華說：“高分五號衛(wèi)星攜帶的痕量氣體差分吸收光譜儀、大氣主要溫室氣體探測儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測儀和大氣環(huán)境紅外線高分辨率探測儀4個大氣載荷，可有效探測大氣污染氣體、溫室氣體、氣溶膠等大氣環(huán)境要素;可見短波紅外高光譜相機和全譜段光譜成像探測儀，陸地觀測載荷的分辨率達20m~40m，能夠有效緩解我國水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及環(huán)境監(jiān)管領(lǐng)域遙感應(yīng)用中高光譜數(shù)據(jù)、高分辨率紅外數(shù)據(jù)的缺乏。”
 　　高分五號衛(wèi)星2012年底立項，2016年6月完成初樣研制，目前衛(wèi)星已進入整星測試實驗。從立項到今年衛(wèi)星發(fā)射，不過才5年時間。楊一鵬感慨到：“考慮到其難度，5年時間已經(jīng)相當高效?！边@顆衛(wèi)星的成功發(fā)射，將是我國高光譜衛(wèi)星遙感發(fā)展的里程碑，也將為我國大氣環(huán)境遙感監(jiān)測發(fā)展提供新的契機。
 　　這只年輕的隊伍為國家做了很多貢獻，不僅在支撐服務(wù)環(huán)境管理方面，同時還創(chuàng)新研發(fā)了大量模型算法，推動了我國環(huán)境遙感技術(shù)進步。
 　　從環(huán)境一號衛(wèi)星到高分辨環(huán)境衛(wèi)星，環(huán)境遙感事業(yè)發(fā)展造就了一大批技術(shù)人員和業(yè)務(wù)骨干。
 　　水環(huán)境遙感部王雪蕾的第二個小生命到來時，她還渾然不覺。作為衛(wèi)星中心水環(huán)境遙感部的研究員、第二批國家環(huán)境保護專業(yè)技術(shù)青年拔尖人才，2016年初，她全身心放在建設(shè)水環(huán)境數(shù)據(jù)庫上。直到身體抱恙到醫(yī)院檢查時，醫(yī)生忍不住責怪她：“你已經(jīng)懷孕了居然不知道?孩子都兩個月了!”
 　　王雪蕾是個特別能鉆研的人，用中心領(lǐng)導(dǎo)的話來說：“通過她一個人的努力，就給中心開拓出一個新的業(yè)務(wù)方向。”
 　　2010年，北京師范大學(xué)博士后王雪蕾被衛(wèi)星中心招錄，她很快喜歡上這里的工作，卻又感覺到深深的壓力。衛(wèi)星中心是中國環(huán)境遙感應(yīng)用的主戰(zhàn)場，每一個博士都有一個研究方向，每個人都能獨擋一面。王雪蕾碩士期間從事自然地理研究，方向為土壤和地下水，博士轉(zhuǎn)為學(xué)遙感，博士后主攻岸邊帶。她的專長在于算法，喜歡和數(shù)字打交道。
 　　當時，面源污染監(jiān)測很難，網(wǎng)格化管理要求清楚單元污染的情況，要通過計算機進行演算，涉及農(nóng)田、城市、土壤、畜牧養(yǎng)殖等多個領(lǐng)域的數(shù)據(jù)。2010年時，全國范圍的面源污染監(jiān)測幾乎無法做到，在國際上都是待攻克的難題。
 　　“你要不挑戰(zhàn)一下？”中心領(lǐng)導(dǎo)給了她一個科研方向。要進行全國面源污染監(jiān)測，科學(xué)界雖然有模型，但是不能計算全國情況。這其中最難啃的硬骨頭在于：數(shù)據(jù)庫的建立。這里的數(shù)據(jù)庫涉及的領(lǐng)域太多，有的雖然能買到，但是精度比較粗糙。拿土壤一塊領(lǐng)域來說，她積極奔走，最終得到了教育部“長江學(xué)者獎勵計劃”特聘教授戴永久老師的支持。
 　　這還遠遠不夠，眾所周知，我國地形并非一馬平川，其上下起伏高低不平，比較典型的指標為地形坡度。在做土壤侵蝕模型時，只有應(yīng)用分辨率為25m以內(nèi)的高程數(shù)據(jù)提取的坡度參數(shù)才能保證模擬的精度?！捌胀ǖ挠嬎銠C根本跑不動。為了做全國高精度地形坡度數(shù)據(jù)庫，中心大力支持，專門配備了價值9萬元的工作站，是全中心最好的工作站。”
 　　那么地形坡度這一個指標的數(shù)據(jù)量有多大呢?一共2TB。
 　　1TB=1000GB=1000，000MB。按普通DVD容量約4GB計算，1TB需要250張DVD，每天一張大約要看1年。土壤坡度數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，在計算機24小時運轉(zhuǎn)情況下，經(jīng)歷了半年時間。
 　　可以說，光土壤坡度這一個細分項，王雪蕾收獲了全國一流的精確數(shù)據(jù)。面源污染估算還涉及到大氣、水文、氣象數(shù)據(jù)，每一項數(shù)據(jù)都要跟相關(guān)部門聯(lián)系。
 　　水文數(shù)據(jù)最難，需要找水利部門獲取。“個人關(guān)系也拿不到全國水文站點數(shù)據(jù)。”王雪蕾一度非常焦慮。好在水利部每年會出一本《水文年鑒》，其中有流量、雨量、泥沙等資料，數(shù)據(jù)很全，不過全都是圖片化的內(nèi)容。王雪蕾和有關(guān)單位合作，把近20年的《水文年鑒》圖表，翻譯成數(shù)字，為模型建立打下夯實基礎(chǔ)。
 　　在科研奮斗之路上，王雪蕾第一個孩子到來。她在單位旁邊租了一個房子?！爱敃r連1小時的哺乳假都沒有心思休，中心給予我們這么大力的支持，不做出成績來有負眾望?！?br />  　　通過不懈努力，王雪蕾初步突破了國家尺度面源污染業(yè)務(wù)化遙感監(jiān)測技術(shù)，并在全國及流域面源污染遙感估算方面開展了一系列應(yīng)用示范，在支撐服務(wù)水環(huán)境管理方面發(fā)揮了重要作用，其承擔的“國家尺度面源污染業(yè)務(wù)化遙感監(jiān)測技術(shù)體系與應(yīng)用”項目還榮獲了環(huán)境保護科學(xué)技術(shù)獎二等獎。
 　　近幾年，衛(wèi)星中心的青年人每年都能申請到國家自然科學(xué)基金項目，在《JournalofEnvironmentalInformatics》《遙感學(xué)報》《生態(tài)學(xué)報》等國內(nèi)外一流學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表文章更是常態(tài)。提到中心的年輕人，中心領(lǐng)導(dǎo)評價說：“這只隊伍確實為國家做了很多貢獻，不僅在支撐服務(wù)環(huán)境管理方面，同時還創(chuàng)新研發(fā)了大量模型算法，推動了我國環(huán)境遙感技術(shù)進步?！北热纾l(wèi)星中心組織開發(fā)的基于插件和工作流模式的環(huán)境遙感應(yīng)用軟件系統(tǒng)，楊一鵬解釋說：“即把常用的功能做成插件，并根據(jù)不同任務(wù)制定工作流，到應(yīng)用的時候就像搭積木一樣，需要哪一個拿就過來用，并按照既定的工作流開始運行系統(tǒng)，自動生產(chǎn)相應(yīng)的環(huán)境遙感應(yīng)用產(chǎn)品?！?br />  　　這些成果，都是60多人的衛(wèi)星中心團隊一點一滴積累起來的。與外界相比，衛(wèi)星中心的待遇很普通。中心有一位年輕人，自打工作嶄露頭角后，就一直有商業(yè)公司想高薪挖走，可惜小伙子根本沒動這份心思。這樣的案例比比皆是。原因何在?答案很簡單：事業(yè)留人!接受采訪的年輕人紛紛表示：“衛(wèi)星中心是我國環(huán)境遙感的主戰(zhàn)場，專業(yè)技術(shù)人員能在這大展身手。以科研促業(yè)務(wù)，為國家環(huán)境管理服務(wù)，對科研隊伍來說很有成就感?！?br />  　　衛(wèi)星中心成立以來，充分發(fā)揮科研的先導(dǎo)和引領(lǐng)作用，先后承擔了30多項環(huán)境遙感相關(guān)重大科研項目，在環(huán)境遙感監(jiān)測載荷設(shè)計、圖像處理、大氣環(huán)境遙感應(yīng)用、水環(huán)境遙感應(yīng)用、生態(tài)環(huán)境遙感應(yīng)用等方面取得系列創(chuàng)新成果，有力促進了環(huán)境遙感業(yè)務(wù)的拓展與深化，編制了《自然保護區(qū)人類活動遙感監(jiān)測技術(shù)指南(試行)》《無人機環(huán)境遙感監(jiān)測基本作業(yè)規(guī)范》等技術(shù)規(guī)范。其中，《中國西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀遙感調(diào)查》《環(huán)境一號衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用系統(tǒng)工程》《國家環(huán)境質(zhì)量遙感監(jiān)測體系研究與業(yè)務(wù)化應(yīng)用》3個項目榮獲國家科技進步二等獎，登記軟件著作權(quán)18項，獲批專利16項，出版環(huán)境遙感相關(guān)專著40余部。
 　　從一間20平方米的小屋發(fā)展到如今的一棟大樓(還有一棟正在建)，從6個人的創(chuàng)業(yè)團隊到如今60多人的隊伍，衛(wèi)星中心踐行了科技是第一生產(chǎn)力的真理。2017年下半年，高分五號衛(wèi)星將進入預(yù)定軌道，環(huán)境衛(wèi)星遙感事業(yè)方興未艾。
 　　編輯點評
 　　高分五號衛(wèi)星是高分專項中唯一一顆實現(xiàn)高光譜分辨率重要使命的對地觀測衛(wèi)星，是國家高分辨率對地觀測能力的重要標志之一。高精度、定量化遙感監(jiān)測的空白，同時對我國水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境遙感定量化、精細化監(jiān)測也具有重要作用。