陆地生态系统碳监测卫星系统设计与技术创新

由国家民用空间基础设施支持的陆地生态系统碳监测卫星“句芒号”瞄准森林碳汇储量评估的需求,配置了多波束激光雷达、多角度多光谱相机、超光谱探测仪和多角度偏振成像仪等4个载荷。卫星采用主被动遥感相结合的体制,综合运用激光、多角度、多光谱、超光谱、偏振等遥感手段,可实现植被生物量、叶绿素荧光、气溶胶分布的高精度定量测量。通过在轨定标和真实性检验,发布了包括森林树高、生物量、叶绿素荧光等反演产品。目前该卫星处于在轨测试阶段,预期在地面坡度小于5°的区域,树高测量精度优于1.5 m,区域尺度的生物量反演精度优于85%。该卫星将在碳汇储量监测、生态资源详查、国家重大生态工程监测评价等方向上提供遥感监测服务,为“碳达峰、碳中和”战略发挥遥感力量。

陆地生态系统碳监测卫星多角度偏振成像仪细粒子气溶胶反演

细粒子气溶胶光学厚度是大气环境监测、气候变化评估所需的关键参数。对2022年8月发射的陆地生态系统碳监测卫星(CM-1)上搭载的多角度偏振成像仪(DPC)进行了较为系统的介绍。DPC/CM-1的主要改进是星下点空间分辨率从3.3 km提升到2.4 km。针对DPC/CM-1载荷及数据特点,发展了基于偏振与光谱特征和空间纹理特征的云检测方法,同时耦合了多角度信息实现较严格的云像元判识。该方法对于沙漠、植被、丘陵,以及海表耀光及非耀光区域等不同下垫面,均有较好的检测效果。发展了基于改进气溶胶模型的细粒子气溶胶光学厚度(FAOD)反演算法,利用全球地基气溶胶观测网(AERONET)数据对FAOD反演结果进行了验证,拟合直线斜率达到0.95以上,且有接近73%的数据分布于期望误差以内,说明了反演算法的可靠性。FAOD反演结果清晰显示出全球FAOD空间分布特征,其中,印度、非洲中部等地区受人口分布、工/农业排放、生物质燃烧等影响,FAOD高值达到0.7~0.9。DPC/CM-1在轨测试期间的初步反演结果表明其在大气环境监测、污染传输分析等方面的潜力,能够提供更精细尺度的大气参数反演结果。

陆地生态系统碳监测卫星松材线虫病变色木识别指数研究

松材线虫病是一种严重威胁松树生存的林业有害生物疫情。高分辨率卫星遥感技术是松材线虫病变色松木识别的有效手段。通过研究植被指数阈值法,利用2022年8月4日发射的陆地生态系统碳监测卫星(句芒号)优于2 m高分辨率4谱段相机的特点,开展基于指数的松材线虫病木识别示范,验证该卫星松材线虫病监测应用能力。基于松材线虫染病松木光谱特征,提出基于与生物量和色素相关的双指数识别策略,设计了松材线虫病指数(PWDI),并在山东省栖霞市疫区进行句芒号松材线虫病识别测试。结果表明,双指数识别策略相比单指数策略性能更优,其中PWDI与NDVI组合的松材线虫病变色松木识别能力最强,总体精度达到84.5%,NWI—NDVI,NGRDI—NDVI组合次之。在单指数策略下,PWDI的识别性仍能优于其他5个测试植被指数。研究表明,句芒号卫星具有可靠识别松材线虫病变色松木的良好潜力,松材线虫病变色松木双指数识别策略及新的识别指数PWDI可为其他类似卫星的松材线虫病监测提供借鉴。

主被动一体化多波束激光雷达设计与实现

“句芒号”陆地生态系统碳监测卫星是中国首颗以主动激光雷达作为主载荷的林业遥感卫星。星上装载的多波束激光雷达是国际首台主被动一体化遥感载荷,采用激光与相机相结合的工作模式,利用激光雷达获取地面植被高度信息的同时,还可以获得高分辨率地面多光谱正射影像。文章回顾和介绍了该载荷系统的设计思路、工作原理、关键技术及实现情况,给出了测试与试验结果,可为同类载荷研制提供参考。

陆地生态系统碳监测卫星总体设计

陆地生态系统碳监测卫星是中国首颗高精度监测陆地生态系统碳储量、森林资源和森林生产力的林业遥感卫星。卫星以主被动相结合的测量方式,探测陆地生态系统植被生物量、植被生产力,支撑陆地生态系统的资源调查和碳储量核算,服务国家“碳达峰、碳中和”战略和全国重要生态系统保护和修复重大工程监测评价等工作,同时探测大气气溶胶,服务于大气环境监测。文章介绍了卫星的任务需求和有效载荷配置及其技术指标,阐述了卫星主要工作模式和定标模式,展示了卫星的初期运行和在轨测试进展。

陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达光学系统设计

为了最大限度地发挥大口径的优势,多波束激光雷达与高分辨率相机共孔径设计已成为激光雷达的发展趋势。文章基于陆地生态系统碳监测卫星的需求,分析了大口径共孔径成像系统的特点和设计要点,给出了一种米级口径大视场的可见光多光谱相机与多波束激光接收、高倍率压缩大气探测三通道共孔径成像光学系统的设计思路和设计结果。光学系统焦距8000mm/2667mm,大气探测实现40倍压缩并与后续的法布里-珀罗标准具衔接,光学系统结构紧凑,多光谱谱段在其耐奎斯特频率处的像质、大气平行光出射波前差、多波束激光能量集中度达到衍射极限。共用三镜调焦可以有效保证各通道像质均达到衍射极限,对于大气通道尤为有利。该设计方案不仅适用于多波束激光雷达多功能共孔径光学系统,也可用于其它大口径多通道共孔径光学系统中。

陆地生态系统碳监测卫星日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪设计与验证

日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪(简称超光谱探测仪)是陆地生态系统碳监测卫星“句(gōu)芒号”四个有效载荷之一。超光谱探测仪是国际上首台专门设计探测太阳诱导植被荧光载荷,光谱范围670nm~780nm,光谱分辨率0.3nm,对地观测幅宽34km。为了保证探测精度,探测仪要求在10mW·m^(-2)·sr^(-1)·nm^(-1)输入光谱辐亮度下信噪比大于200。针对高精度定量化探测需求,国内首次采用高稳定双焦距望远光学系统设计,实现了光学系统的公差比传统设计低4倍,采用高性能AD量化器件和电路抑制设计实现513.1高信噪比,采用高稳定漫反射板(Quasi Volume Diffuser,QVD),实现在轨高稳定性能监测,采用间接控温实现0.08℃精密控温。文章给出了探测仪设计与实验室验证情况,并给出了外场试验结果和在轨初步反演结果。

陆地生态系统碳监测卫星植被测量子系统无控定位方法

陆地生态系统碳监测卫星植被测量子系统包含多波束激光雷达和0°相机。同时开机对地观测时,多波束激光雷达可提供高精度测距值转化的广义高程控制点,参与0°相机平差定位,实现在轨无控测图。文章基于陆地生态系统碳监测卫星植被测量子系统探测体制,建立图像与激光对地观测模型及其几何关系模型,引入公开粗格网数字高程模型(DEM)约束,实现激光辅助图像摄影测量平差计算。通过仿真实验分析,陆地生态系统碳监测卫星植被测量子系统无控测图方法可提升0°相机图像平面定位精度,仿真数据最优实验结果从613.05m提高到15.35m。对参与平差计算的激光控制点数量和布设位置开展了讨论,仿真数据一景图像当采用上中下三行均匀布设激光控制点时,精度最高。

日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪杂散光测试与校正技术

日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪具有更高的光谱分辨率及更多的光谱通道,而杂散光是影响超光谱探测仪光谱测量精度的关键因素之一。陆地生态系统碳监测卫星搭载的超光谱探测仪为光栅式光谱仪,其入射和出射狭缝的存在使得系统本身杂散光的抑制多了一道屏障,因此该类遥感器杂散光的主要来源为视场内的杂散光。文章描述了该类杂散光的来源及特点,最后以超光谱探测仪空间维为例,建立杂散光校正数学模型,介绍了视场内杂散光分布测量方法、测量步骤,并对校正效果进行了分析。结果表明,杂光分布影响因子d和杂光分布因子矩阵D可正确表征光谱仪的杂散光特性。

陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达激光器设计

陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达用于森林碳汇遥测,通过计算激光到达树冠和地面的时间差获取高精度的植被高度。激光器作为多波束激光雷达的发射光源,是其核心和关键部件。激光雷达对光源的需求是高光束品质、高脉冲重复频率的大能量纳秒脉冲激光。激光器采用主振荡功率放大的技术路线,振荡级为正交双Porro被动调Q超稳谐振腔构型,输出重复频率40Hz、脉冲宽度约4ns、单脉冲能量约2mJ的单频脉冲激光;放大级采用板条放大技术,获得单脉冲能量75mJ、光束品质因子M2优于1.5的激光输出,达到雷达所需光源指标要求,证明该激光器设计合理,可作为高重频对地遥感类激光光源的设计参考。

日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪高稳定性设计与验证

光谱仪主体的机热稳定性直接影响其光谱特性的稳定性,进而影响卫星地面物质反演精度。为了适应空间复杂的热流环境,实现在轨高稳定性定量化探测,陆地生态系统碳监测卫星的主要载荷日光诱导叶绿素荧光超光谱仪(简称超光谱探测仪)在光学、结构、热控等方面均开展了稳定性设计,文章基于超光谱探测仪的性能指标,针对全寿命周期在轨热流环境进行了光、机、热集成仿真分析,揭示了光谱仪性能的在轨表现,证明稳定性设计能够满足在轨定量化使用要求。光谱仪地面试验结果验证了主体机热设计能够满足稳定性要求。

日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪偏振响应抑制与测试

为提高陆地生态系统碳监测卫星日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪(简称超光谱探测仪)植被荧光探测精度,需降低光学系统偏振灵敏度,即对超光谱探测仪偏振响应进行抑制。文章利用斯托克斯-穆勒体系对超光谱探测仪光学系统进行偏振特性分析,对前置光学系统引起的偏振响应进行理论分析,从而确定采用双巴比涅消偏器实现全光路消偏的方案;同时对偏振测试系统中主要误差源(即测试系统残余偏振度)的影响进行理论分析,建立了“积分球光源+扩束系统+偏振元件”的低残余偏振度的偏振测试系统,对超光谱探测仪偏振灵敏度进行了测试。测试结果表明,超光谱探测仪偏振度为0.65%,满足高精度植被荧光探测需求。

全国林草资源调查机载大光斑激光雷达挂飞检校和验证

森林在全球陆地生态系统中起到重要作用,激光雷达是除样地调查之外能够准确评估其资源量和碳汇量非常重要的技术方法。由于森林高度的空间异质性,获得大光斑激光雷达的准确位置,是其应用于森林资源调查的前提。对新研制的全国林草资源调查机载大光斑激光雷达(NFGI-LIDAR-L)和地面激光探测器,通过编写大光斑激光雷达检校算法,并基于激光能量分布特征改进探测器法计算大光斑激光雷达中心位置算法,实现NFGI-LIDAR-L几何检校。结果显示:基于激光能量分布特征计算大光斑激光雷达中心位置的方法,计算精度从5m提升到1m以内;NFGI-LIDAR-L在x,y,z方向精度和总均方根误差(RMSE)从检校前的60.51,52.76,1.88,80.30m提高到检校后的0.61,0.54,0.05,0.82m,提升了2个数量级;与控制点相比,NFGI-LIDAR-L绝对高程精度在平坦地面可以达到0.12m。通过研究,以期对机载和星载大光斑激光雷达几何检校提供借鉴。

基于时空谱的生态保护修复工程碳汇遥感监测技术框架研究

构建星空地一体化的生态保护修复工程碳汇遥感监测技术体系是完善国土空间生态修复碳汇支撑体系的重要组成部分。文章在对生态保护修复工程碳汇遥感监测需求进行系统分析的基础上,充分利用多源遥感大数据在时间维、空间维、光谱维的技术优势,设计了基于时空谱的星空地协同的生态保护修复工程碳汇遥感监测技术框架,包含观测网络体系、数据体系、产品体系、云服务平台、标准体系、应用体系6大部分,重点分析了技术框架亟需突破的4项关键技术,最后以寻乌废弃稀土矿山环境修复工程区碳汇遥感监测的初步应用为例,阐述体系框架的应用模式和实践效果。文章设计的框架思路可为山水林田湖草等不同尺度生态保护修复工程乃至陆地生态系统碳汇精准监测提供一定参考。

陆地生态系统碳监测卫星多载荷替代数据海南综合试验

海南保存着我国仅有的几处热带雨林之一。系统获取热带雨林天空地数据,是热带雨林国家公园管理的前提,也是在全国建立陆地生态系统碳监测卫星主要森林类型产品生产方法的重要组成部分。2020年3月20日至2021年7月10日,借助全国林草资源调查机载平台获取并生产超过6000km^(2),20TB航空大光斑激光雷达、小光斑激光雷达、可见光和近红外影像、超光谱影像原始数据和产品,完成170个森林调查样地、183个控制点和17个检查面。这些数据与高分七号、GEDI数据一起,构成了覆盖海南热带雨林国家公园及周边区域的天空地数据。产品精度显示,大光斑激光雷达平面和高程精度分别优于1m和0.15m;小光斑激光雷达平面和高程精度分别优于0.5m和0.08m;数字地形模型(DEM)高程精度和冠层高度模型(CHM)高度精度分别达到0.15m和91.8%;0.2m数字正射影像(DOM)平面精度优于0.5m;超光谱影像的光谱分辨率0.24nm,空间分辨率1~2m。通过试验,以期为陆地生态系统碳监测卫星林业产品开发和海南热带雨林国家公园管理提供高质量天空地数据。

陆地生态系统碳监测卫星远红波段叶绿素荧光反演算法设计

太阳诱导叶绿素荧光(Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence,SIF)是陆表植被在自然光照条件下进行光合作用时释放的一种光信号。SIF携带有重要的光合作用信息,通过卫星遥感的方法探测区域-全球SIF信号为大尺度植被光合作用监测打开了新世界的大门。我国预计于2020年前后发射的陆地生态系统碳卫星(陆碳卫星)将搭载超光谱分辨率载荷,有望成为全球范围内第一个针对陆表植被SIF进行专门观测的卫星传感器。数据驱动算法是陆碳卫星远红波段SIF反演的主算法,作为一种半经验算法,需结合传感器指标进行参数优化。依据陆碳卫星超光谱载荷的设计指标,基于仿真数据进行了端对端反演模拟,讨论了不同潜在反演窗口下SIF反演的精度(精密度与准确度),确定了不同反演窗口所需的主成分个数(nv),分析了不同反演窗口内反演精度对荧光波形函数(hF)的敏感性。结果表明:随着反演窗口的拓宽,SIF反演的精密度(鲁棒性)提升,但准确度下降,且对nv及hF的敏感性增强。综合考虑各因素,确定了735~758nm作为陆碳卫星远红波段SIF反演的主窗口,同时nv取6,hF设置为单峰高斯函数(μ=740nm,σ=30nm)。基于近地表和航空遥感数据的SIF反演结果验证了所设计算法的可行性和合理性。研究结果将为陆碳卫星升空后SIF的反演及产品发布提供重要参考。