生态环境的探测技术装备是信息时代发展的源头，要建设绿色智慧的数字生态文明就离不开先进的探测技术和仪器。在近日举行的第二十二届中国遥感大会上，中国工程院院士、中国科学院安徽光学精密机械研究所学术所长刘文清分享了关于星载超光谱探测技术的相关进展。

01、构建从山顶到海洋的生态环境保护和监测体系

环境污染和气候变化是我国生态建设的两个关键问题。人类的生存环境与大气成分及其变化密切相关，包括空气质量（环境污染、能见度下降、生态系统破坏和人类健康）和气候变化（地球辐射收支平衡产生级联影响的大气成分）。大气成分是国际科学前沿关注的焦点，大气成分也事关国家气候外交和国家安全，因此履行国际公约是不可回避的国际义务。

从空间的角度看，大气的痕量成分探测需要空间和时间尺度，比如短寿命的OH自由基和长寿命的CO和CO2的相互作用是大气化学的核心问题。污染气体与温室气体是同根同源的，但是检测技术是不同的，比如污染气体一般为紫外波段、温室气体则在红外波段。

目前，国际上非常重视观测系统和新探测技术的应用。过去40年来，我国在该领域的发展从宏观走向定量化。在大气污染气体的探测卫星载荷领域，我国于2018年5月成功发射高分5号，填补了国产卫星无法有效探测区域大气污染气体的空白，可满足环境综合监测等方面的迫切需求，是中国实现高光谱分辨率对地观测能力的重要标志。大会现场的刘文清报告显示，环境高技术是我国实现绿色低碳发展的基础，要加强科技支撑，推进绿色低碳科技自助创新 ；构建从山顶到海洋的生态环境保护和监测体系，深化人工智能等数字技术的应用，构建美丽中国数字化治理体系，建设绿色智慧的数字生态文明。

02、大气污染和超光谱监测技术进展迅速

温室气体每年的变化只有1~2ppm，要检测二氧化碳的变化就对灵敏度有很高的要求。二氧化碳的月均最小变化为0.08ppm，最大变化也只有5.83ppm，这要求探测仪器精度至少要在1ppm以下。

刘文清表示，大气中的成分非常多，要将每种大气成分准确地探测出来，对其光谱分辨率便有相应的要求。“通常如果光谱分辨率大于1nm，就很难准确地探测这些组分。如在紫外可见波段，要求小于0.5nm；在温室气体红外波段，光谱分辨率要更高，这样才能准确检测出来。”

近年来，国内外的团队发展了一系列生态环境的超光谱监测技术。以差分吸收光谱（DOAS）为例，大气中的许多污染物如OH自由基、三氧化碳自由基、甲醛都是用这一技术首先测出来的。在大气污染、温室气体、水和土壤、工业园区、固体废物、农业面源等方面，生态环境超光谱立体监测技术有非常多的应用。

通过基于自主研发的用于大气污染的高分五号卫星载荷，我国自主研发了数据反演分析软件和实时处理系统，获得了大气污染业务化产品。刘文清指出，2018年高分五号发射后，获得全球臭氧分布、二氧化氮、氮氧化物等分布数据，还能解决国际间的一些环境纠纷问题。

“2021年又成功发射了高分五号02星，其分辨率和信道比更高一些。可以量化在某一个地区，比如北京的一些污染物到底从什么地方来的？现在已经可以量化到具体的小区。”刘文清说。

高分五号可以实测数据集识别公里级的乙二醛高值区，针对VOCs人为源和自然源的快速识别，建立乙二醛卫星遥感算法，突破星载超高光谱自适应迭代算法关键技术，建立乙二醛卫星超高光谱遥感算法，精准定位工厂源，克服传统技术的观测死角，支撑全国VOCs排放来源解析。

同时，高分五号02星还解析了新冠疫情防控对全球空气质量的影响，成功捕捉到2020年初全球各个国家开始新冠疫情防控的时间，新冠疫情导致全球大气环境变化的卫星遥感研究，大都是基于卫星载荷开展的局面，说明我国超光谱卫星能够在全球突发事件的监控中发挥重要作用。

刘文清指出：“另外，根据发射高五的1号星和2号星的时间差，可以计算出其中排放通量的问题。”

卫星遥感具有客观、连续、稳定、大范围、重复观测的优点，已经成为检测全球大气二氧化碳浓度不可或缺的技术手段。迄今为止，欧盟、日本、美国、加拿大和中国相继发射了具备大气二氧化碳浓度观测能力的卫星。刘文清指出，我国的碳卫星TanSat卫星与美国航天局的轨道碳观测2号（OCO-2）产品质量相接近，平均差别仅为 0.46ppm(0.12%)，为我国卫星平台二氧化碳观测提供了技术支撑。

刘文清建议，臭氧问题是大气环境监测最主要的问题。全国大部分城市正从PM2.5污染转向以臭氧污染为主，但臭氧的监测面临非常大的技术挑战。“首先，两个激光器的波长必须处于臭氧吸收的峰值和谷值，但并不是所有激光器想要哪个波长就可以出现哪个波长。”

刘文清团队近年发明一种金刚石晶体，可以精确地调整到二氧化碳吸收的谱线，他希望能够尽快将臭氧激光雷达放置在卫星平台，“如果可以在5年之内发射，将有望成为国际第一颗臭氧激光的雷达卫星。”

03、构建多平台智慧大气环境探测系统

太阳同步轨道卫星由于每天仅过境一次，时空分辨率低，已不能满足我国“减污降碳”重大战略的需求，亟需研发具有高时空、高分辨率的地球同步轨道超光谱卫星载荷及相应遥感算法。目前，日韩已经发射多个地球同步轨道卫星，形成了对我国的单向高分辨率探测权。刘文清在报告中指出，为了维护我国在污染跨境传输和全球排放责任核算的国际话语权，研发污染/温室气体的地球同步轨道超光谱卫星迫在眉睫。

2023年4月美国发射了地球同步轨道卫星TEMPO，其光谱范围为300~500nm，将实现北美地区臭氧、NO2、SO2、HCHO等污染气体浓度的逐小时监测。刘文清在报告中指出，我国地球同步轨道卫星应注重硬件上的提升，如采用更高的光谱分辨率以包含精细的光学结构，提高观测精度；采用更高的空间分辨率以实现工业园区等污染源的精确识别。

他建议，通过构建多平台智慧大气环境探测系统，卫星遥感可以获得长距离输送，排放源和区域输送方面，和现有的源排放、模型和观测站的结合，才能解决我们国家的大气环境问题。

从全球长期视角看技术的发展与变革，1800年后技术发展非常快，刘文清预计2060年可以实现全球碳达峰与碳中和，2080年可能会做到具有人类水平的人工智能，2200年人类可能移去其他星球，“最重要的问题是什么？是找水。”

在我国探月工程设计中，未来嫦娥七号准备在月球南极着陆，主要任务是开展飞跃探测，争取能找到水。而找水的这一重任便由刘文清与团队承担，他表示 ：“月亮上有没有水？水是从什么地方来的？从卫星遥感的角度看（月球）可能有水，关键是要进行现场的原位测量。我们在嫦娥七号上将设置一个载荷，落地后再飞到月球南极的一个永久阴影区，计划在地面挖一个1米深的坑，月壤提取上来之后直接进行测量，这将是非常大的挑战。”

刘文清指出，研究是自由探索和有组织科研如何实现有机结合。“这种结合度越多，融合的尺度越强，从不可能到可能的可能性就会越大，这方面还有很长的路要走。

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来 源：高科技与产业化

编辑：仪器仪表WXF

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