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(kāi)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(wèn)題。人類(lèi)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(jiàn)度下降、生態(tài)系統(tǒng)破壞和人類(lèi)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(wèn)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(guò)去40年來(lái)，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(wú)法有效探測(cè)區(qū)域大氣污染氣體的空白，可滿(mǎn)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(lái)，對(duì)其光譜分辨率便有相應(yīng)的要求。“通常如果光譜分辨率大于1nm，就很難準(zhǔn)確地探測(cè)這些組分。如在紫外可見(jiàn)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(lái)。”
近年來(lái)，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(lái)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(guò)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(wèn)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。可以量化在某一個(gè)地區(qū)，比如北京的一些污染物到底從什么地方來(lái)的？現(xiàn)在已經(jīng)可以量化到具體的小區(qū)。”劉文清說(shuō)。
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(lái)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(kāi)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(kāi)展的局面，說(shuō)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(wèn)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(wèn)題是大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)最主要的問(wèn)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)。“首先，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)
太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星由于每天僅過(guò)境一次，時(shí)空分辨率低，已不能滿(mǎn)足我國(guó)“減污降碳”重大戰(zhàn)略的需求，亟需研發(fā)具有高時(shí)空、高分辨率的地球同步軌道超光譜衛(wèi)星載荷及相應(yīng)遙感算法。目前，日韓已經(jīng)發(fā)射多個(gè)地球同步軌道衛(wèi)星，形成了對(duì)我國(guó)的單向高分辨率探測(cè)權(quán)。劉文清在報(bào)告中指出，為了維護(hù)我國(guó)在污染跨境傳輸和全球排放責(zé)任核算的國(guó)際話語(yǔ)權(quán)，研發(fā)污染/溫室氣體的地球同步軌道超光譜衛(wèi)星迫在眉睫。
2023年4月美國(guó)發(fā)射了地球同步軌道衛(wèi)星TEMPO，其光譜范圍為300~500nm，將實(shí)現(xiàn)北美地區(qū)臭氧、NO2、SO2、HCHO等污染氣體濃度的逐小時(shí)監(jiān)測(cè)。劉文清在報(bào)告中指出，我國(guó)地球同步軌道衛(wèi)星應(yīng)注重硬件上的提升，如采用更高的光譜分辨率以包含精細(xì)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，提高觀測(cè)精度；采用更高的空間分辨率以實(shí)現(xiàn)工業(yè)園區(qū)等污染源的精確識(shí)別。
他建議，通過(guò)構(gòu)建多平臺(tái)智慧大氣環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)，衛(wèi)星遙感可以獲得長(zhǎng)距離輸送，排放源和區(qū)域輸送方面，和現(xiàn)有的源排放、模型和觀測(cè)站的結(jié)合，才能解決我們國(guó)家的大氣環(huán)境問(wèn)題。
從全球長(zhǎng)期視角看技術(shù)的發(fā)展與變革，1800年后技術(shù)發(fā)展非常快，劉文清預(yù)計(jì)2060年可以實(shí)現(xiàn)全球碳達(dá)峰與碳中和，2080年可能會(huì)做到具有人類(lèi)水平的人工智能，2200年人類(lèi)可能移去其他星球，“最重要的問(wèn)題是什么？是找水。”
在我國(guó)探月工程設(shè)計(jì)中，未來(lái)嫦娥七號(hào)準(zhǔn)備在月球南極著陸，主要任務(wù)是開(kāi)展飛躍探測(cè)，爭(zhēng)取能找到水。而找水的這一重任便由劉文清與團(tuán)隊(duì)承擔(dān)，他表示 ：“月亮上有沒(méi)有水？水是從什么地方來(lái)的？從衛(wèi)星遙感的角度看（月球）可能有水，關(guān)鍵是要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的原位測(cè)量。我們?cè)阪隙鹌咛?hào)上將設(shè)置一個(gè)載荷，落地后再飛到月球南極的一個(gè)永久陰影區(qū)，計(jì)劃在地面挖一個(gè)1米深的坑，月壤提取上來(lái)之后直接進(jìn)行測(cè)量，這將是非常大的挑戰(zhàn)。”
劉文清指出，研究是自由探索和有組織科研如何實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合。“這種結(jié)合度越多，融合的尺度越強(qiáng)，從不可能到可能的可能性就會(huì)越大，這方面還有很長(zhǎng)的路要走。
