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(jìn)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(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(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(jìn)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(tuán)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?，兩個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(tuán)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(dá)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(dá)衛(wèi)星?！?

03、構(gòu)建多平臺智慧大氣環(huán)境探測系統(tǒng)

太陽同步軌道衛(wèi)星由于每天僅過境一次，時空分辨率低，已不能滿足我國“減污降碳”重大戰(zhàn)略的需求，亟需研發(fā)具有高時空、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)射多個地球同步軌道衛(wèi)星，形成了對我國的單向高分辨率探測權(quán)。劉文清在報告中指出，為了維護(hù)我國在污染跨境傳輸和全球排放責(zé)任核算的國際話語權(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月美國發(fā)射了地球同步軌道衛(wèi)星TEMPO，其光譜范圍為300~500nm，將實現(xiàn)北美地區(qū)臭氧、NO2、SO2、HCHO等污染氣體濃度的逐小時監(jiān)測。劉文清在報告中指出，我國地球同步軌道衛(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)，提高觀測精度；采用更高的空間分辨率以實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)等污染源的精確識別。

他建議，通過構(gòu)建多平臺智慧大氣環(huán)境探測系統(tǒng)，衛(wèi)星遙感可以獲得長距離輸送，排放源和區(qū)域輸送方面，和現(xiàn)有的源排放、模型和觀測站的結(jié)合，才能解決我們國家的大氣環(huán)境問題。

從全球長期視角看技術(shù)的發(fā)展與變革，1800年后技術(shù)發(fā)展非?？欤瑒⑽那孱A(yù)計2060年可以實現(xiàn)全球碳達(dá)峰與碳中和，2080年可能會做到具有人類水平的人工智能，2200年人類可能移去其他星球，“最重要的問題是什么？是找水?！?

在我國探月工程設(shè)計中，未來嫦娥七號準(zhǔn)備在月球南極著陸，主要任務(wù)是開展飛躍探測，爭取能找到水。而找水的這一重任便由劉文清與團(tuán)隊承擔(dān)，他表示 ：“月亮上有沒有水？水是從什么地方來的？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)場的原位測量。我們在嫦娥七號上將設(shè)置一個載荷，落地后再飛到月球南極的一個永久陰影區(qū)，計劃在地面挖一個1米深的坑，月壤提取上來之后直接進(jìn)行測量，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現(xiàn)有機結(jié)合?！斑@種結(jié)合度越多，融合的尺度越強，從不可能到可能的可能性就會越大，這方面還有很長的路要走。