揭秘环境卫星——卫星“天眼”，用一生守护美丽中国

从705公里以外的浩瀚太空俯瞰地球，东方“雄鸡”正在变绿，东经117°北纬42°一块名叫塞罕坝的地方，从一片枯黄褶皱变为了翠绿绸带。

“耳聪目明”的它不仅能监测生态环境的变化，还能感知一条街、一个城、一座山的每一处改变。

它用“眼睛”“耳朵”等捕捉的信息通过画面和信号等方式传给地面接收站，应用于生态环境等领域。

(资料图)

……

它就是生态环境卫星。

2022年10月13日6时53分，在太原卫星发射中心，使用长征二号丙运载火箭，成功将环境二号E星送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。至此，由生态环境部牵头负责组织研制建设并在轨正常运行的生态环境卫星由5名“兄弟姐妹”组成，分别是“环境二号A、B、E星”“高光谱观测卫星”“大气环境监测卫星”。

它们从论证到立项，从设计到研发，从制造到发射，从载荷开机到传回数据，从在轨测试到卫星交付，走过的每一步都是从“0”到“1”的跨越，身上的每个零部件都充满了故事，也助力生态环境行业定量遥感监测服务能力实现跨越式提升，为我国实现减污降碳协同增效、建设美丽中国的目标提供了有力支撑。

举足轻重

绿水逶迤，青山相向，草木繁盛，花鸟为邻，推窗可见绿，白天抬头有蓝天白云，夜晚能望见繁星闪烁，这般的田园诗意，凝聚着人们对绿色美好生活的共同向往和追求。

随着我国经济的快速发展，环境问题越来越受到人们的关注，环境监测的任务越来越重，要求越来越高。在监测尺度上，不仅要关注区域尺度的环境变化和生态变化，还要关注全球尺度的气候变化；在监测内容上，监测的要素也越来越多。

那么，如何综合监测我国生态环境，让“绿水青山”不被破坏，人与自然和谐共生？卫星遥感技术发挥了举足轻重的作用。

作为新时期生态环境保护的新型监测手段，卫星遥感监测将大幅提高我国生态环境保护的治理能力。

采访中，生态环境部卫星环境应用中心生态环境空间数据中心副主任兼生态环境卫星发展研究所所长游代安告诉《环境经济》，目前，全球空间基础设施已进入体系化发展和全球化服务的新阶段，卫星遥感已向地球整体观测和多星组网协同观测方向发展，逐步形成立体、多维、高中低分辨率结合的全球综合观测能力。

高光谱观测卫星发射点火瞬间图片。由滕佳华提供

游代安向记者进一步解释称，卫星遥感具备观测范围大、时效性高、可定量化等优势，在生态环境遥感监测中发挥着越来越重要的作用。

据悉，生态环境遥感监测具有宏观、快速、定量、准确等特点，经过50多年的快速发展，已经从可见光发展到全谱段、从传统的光学成像演变为光学和微波结合、主动与被动协同的综合观测技术，空间、光谱、辐射、时间分辨率持续提升，依靠大范围、全天候、全天时、周期性监测全球环境变化的巨大优势，已成为监测宏观生态环境动态变化最可行、最有效的技术手段。

近年来，我国生态环境卫星遥感监测能力稳步增强，在轨的生态环境卫星在大气环境监测、水生态环境监测、自然生态监测等方面具备了较强的遥感监测能力，国产化卫星遥感数据替代率已达90%以上，有效解决对国外遥感数据的依赖，在生态环境遥感监测中发挥着越来越重要的作用。

与此同时，游代安对当前我国生态环境卫星监测能力和应用有着清晰的认知。“目前，为了更好地满足我国生态环境监测业务需求，支撑生态文明建设、深入打好污染防治攻坚战等国家战略，建立我国自主可控的生态环境卫星体系迫在眉睫。”

诞生之路

卫星的外形酷似一只展翅的大鸟，翱翔于天际。卫星的出生是由许多零部件组成一个完整的卫星的过程。

生态环境部卫星环境应用中心工程师滕佳华告诉记者，卫星工程一般由卫星系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统、地面系统和应用系统等六大系统组成，一颗生态环境卫星的诞生需要经历立项论证、方案、初样（科研星）、正样、在轨测试评价与交付运行等阶段。

图片由滕佳华提供。

在需求转化为卫星“零部件”的过程中，需要用户部门提出卫星监测的所有使用需求，对需求进行分类，梳理出探测要素种类以及卫星探测指标需求。

随后，卫星研制部门根据用户使用需求，设计适用的卫星轨道，提出相应的探测手段和有效载荷，并根据所搭载有效载荷的体积、重量、功耗等情况，选择合适的卫星平台，形成卫星总体设计方案，根据方案开展“零部件”的研制建设。

游代安告诉记者，生态环境卫星研发好后，就会运送到卫星发射基地。

图片由滕佳华提供。

随后，发射生态环境卫星的运载火箭也同步到发射基地，生态环境卫星在基地测试完成后会与火箭进行对接，形成星箭组合体。经过专家评审，认为具备发射条件后，火箭和卫星一起转运到指定的发射工位，随着5、4、3、2、1倒计时，“点火”！一声令下，塔架上的火箭便在巨大的火焰中腾空而起，搭载着生态环境卫星直奔苍穹。

经过一段时间，它们抵达预定入轨点后，卫星和火箭分离，随后，生态环境卫星经过一系列控制和测试工作，就可以开始正常的工作。

“一颗生态环境卫星从立项论证到回传数据，整个过程一般需要6~8年的时间，它就如同养育自己的孩子一样，从嗷嗷待哺的婴儿到意气风发的青年，看着它成功入轨运行后，这种心情可以说五味杂陈，既充满不舍又深感自豪和欣慰吧。”游代安感慨道。

特殊之处

我国民用卫星目前可分为四大体系——分别是气象卫星、资源卫星、海洋卫星和环境卫星。相比于其他系列，环境卫星虽起步较晚，但发展较快。

2008年环境一号A、B星成功发射，到2012年环境一号C星发射上天，环境一号A、B、C三颗小卫星并组网运行，建成了环境一号卫星环境应用系统，初步实现了业务化运行，标志着我国的环境监测有了“天眼”相助。

2020年9月，环境二号A、B星一箭双星发射成功，接替已在轨服役12年的环境减灾一号A、B卫星，继续服务国家生态环境保护工作的重大应用需求。

2021年9月，高光谱观测卫星成功发射，其在轨运行有效填补了我国高光谱卫星遥感观测的空白，大幅提升了高光谱遥感观测数据的国产化率，标志着我国高光谱卫星遥感在生态环境领域初步实现了业务化应用。卫星能够对陆表与大气环境进行综合监测，为我国生态环境保护主体业务提供高光谱卫星遥感数据保障。

2022年4月16日，大气环境监测卫星被成功送入预定轨道，与“高光谱观测卫星”实现组网运行，进一步增加了我国大气环境的遥感观测频次，提高了重访能力和全球覆盖能力，大幅提升我国在生态环境、气象和农业等多领域的定量遥感服务能力，有效解决对外国遥感数据的依赖，对促进生态环境保护等意义重大。

与此同时，游代安说，开展生态环境遥感监测工作，生态环境卫星是当仁不让的主力军，但国内其他高分、风云、资源、海洋等系列卫星，甚至国外的哨兵、陆地资源、葵花等系列卫星，也是重要的数据源，只有各类数据协同使用，才能有效支撑生态环境保护工作的实际需要。

那么，相比于其他系列的卫星，生态环境卫星究竟有何特殊之处？

对此，游代安详细地向记者介绍道，一是生态环境卫星探测要素多，从天－地－海，大气、陆地、海洋均要观测，对综合观测要求比较高。

二是定量化要求高，不但需要观测目标的几何定量信息，对目标成分信息（辐射定量）的获取能力要求更高，就是不但要“看得见”，还要“分的清”，因此对辐射精度、光谱分辨能力均有较高的要求。

三是时效性要求高，特别是在中央生态环境保护督察、生态环境执法及环境应急监测等业务应用中，需要快速获取监测区域有效数据，快速响应监测任务需求。

多项载荷

对很多人而言，卫星实属“高大上”，且一直比较神秘。游代安告诉记者，其实并非如此，卫星是一个很“笨”的东西，只能在设计人员给它提前设计好的固定轨道上绕着地球转，也不完全是“高科技”。实际上，卫星那些看似“高大上”的功能主要依靠其所搭载的探测仪器（有效载荷）来实现。

环境二号A、B卫星具备强大的多光谱、高光谱、红外等对地遥感成像能力及大气同步探测能力，其搭载了4类光学载荷，包括16米光学相机、高光谱成像仪、红外相机、大气校正仪。其中，16米光学相机由四台可见光CCD相机组成，通过视场拼接可提供幅宽为800公里的多光谱图像；高光谱成像仪幅宽为96千米，可实现200多个谱段的对地观测，相当于利用不同的光谱段同时为地表拍摄200多张照片；红外相机幅宽为720千米，可实现近红外、短波红外、中红外、热红外等多谱段红外成像；大气校正仪可在轨同步获取与16米光学相机同视场的大气多谱段信息，用于辅助16米数据后续处理的大气辐射校正。

高光谱观测卫星在同一颗卫星上实现了高光谱、全谱段、偏振、多角度、耀斑等多种观测数据的融合应用，最高成像光谱分辨率达2.5纳米，幅宽60千米；最高大气探测光谱分辨率达0.03纳米，偏振探测精度优于0.5%，观测角度达15个，综合性能指标达到国际先进水平。

高光谱观测卫星共装载了7台探测仪器，覆盖了从紫外到长波红外谱段，融合了成像技术和高光谱探测技术，可实现空间信息、光谱信息和辐射信息的综合观测。

“小小的‘身躯’上，集成了两台陆表成像仪与五台大气成分探测仪，让这颗卫星成为当之无愧的‘多面手’。”滕佳华感慨道。

两台陆表成像仪——可见短波红外高光谱相机（AHSI）和全谱段光谱成像仪（VIMI），可以高精度监测陆地和水体环境要素，包括水体污染物浓度、水体热污染、城市热岛、生物多样性等，可用于自然生态监测、重点湖库水质监测、矿产资源勘查、城市热岛效应监测、灾情风险监测、典型冰川群及背景积雪监测、农业和林业精细遥感等方面，为我国生态保护红线监管，碧水保卫战、净土保卫战提供有力保障。

五台大气成分探测仪中，大气气溶胶多角度偏振探测仪、高精度偏振扫描仪和吸收性气溶胶探测仪均为大气气溶胶探测仪，可用于PM2.5、雾霾监测，助力打赢蓝天保卫战。大气痕量气体差分吸收光谱仪和大气主要温室气体监测仪入轨后将成为唯一可用的高光谱污染气体和温室气体监测载荷。大气痕量气体差分吸收光谱仪具备0.5纳米的紫外高光谱探测手段，可每日监测全球污染气体情况，服务我国“大气污染防治”及“臭氧和PM2.5协同探测”工作。大气主要温室气体监测仪可实现1~4ppm的二氧化碳探测和20ppb的甲烷探测，让碳排放无所遁形。

“简单来说，高光谱观测卫星会看得细节更丰富、成分更精确，功能更强大，时间效率更高、空间覆盖更广，观测数据也更准确。”游代安告诉记者，无论是秸秆焚烧、违规排放，还是地表破坏、海面溢油等环境问题，都逃不过它的“火眼金睛”。

大气环境监测卫星设计运行于705公里的太阳同步轨道，星上配置了大气探测激光雷达、高精度偏振扫描仪、多角度偏振成像仪、紫外高光谱大气成分探测仪、宽幅成像光谱仪等5台遥感仪器。

对于搭载的遥感仪器，游代安形象举例道，相当于五个乘客拼了个“太空专车”，他们每个人手持各种测量仪器，对大气细颗粒物、温室气体、气态污染物、云和气溶胶等大气环境以及水环境等生态环境要素进行连续、动态的综合监测。

图片由滕佳华提供。

“特别是大气探测激光雷达这位‘贵客’，对专车司机的驾驶技术提出了很高的要求。”生态环境部卫星环境应用中心卫星工程领域首席专家刘思含表示，大气探测激光雷达在工作时，实时对地发射不同波段的激光，并接收激光的回波信号，通过对接收到的回波信号，反演全球大气中的二氧化碳柱浓度信息以及云和气溶胶的垂直分布信息，更重要的是可以实现全球大气二氧化碳柱浓度的高精度探测。

刘思含进一步解释道，传统的被动遥感卫星进行CO2探测精度一般在2~4ppm，且只能在白天进行观测，同时受云和气溶胶影响较大，数据有效率一般在10%左右，而主动激光手段可以实现全天时探测，且激光光斑相对较小，可以穿过薄云碎云，受气溶胶影响较小，数据有效率能够达到60%左右，探测精度达到优于1ppm。

“利用上述变化特征可以非常敏锐地捕捉大气中这些成分的变化，大气探测激光雷达不受白天黑夜影响，可以全天候观测，因此可谓是一个兢兢业业的‘劳模’；同时，也不受纬度带的影响，进行全球观测，获取更多有效的二氧化碳高精度观测数据。”刘思含说。

不难看出，生态环境保护的视角没有局限于目之所及的山河、湖泊、海洋。从无到有再到追求高品质发展，我国生态环境卫星技术研究也在向着高观测能力、高数据质量的方向发展。

任务不同

抬头遥望，天上众多的生态环境卫星，它们的功能会不会重复呢？

“每颗卫星肩负的主要任务都各不相同”。游代安告诉记者，卫星不怕多，在轨越多，一方面可实现组网运行，大幅提升数据获取和覆盖能力，提高重访性能，另一方面不同卫星也可以起到互补的作用。

游代安进一步解释说，“环境二号A、B、E三颗卫星，图像数据广泛应用于环境监测监察等方面，对生态环境遥感监测业务能力的提升极为重要。”

在大气环境遥感监测方面，可针对秸秆焚烧和沙尘污染进行遥感动态监测，实现大气环境污染的遥感精细化监测应用，为大气污染防治以及空气环境质量预警预报提供技术支持。

在水环境遥感监测方面，可对叶绿素a、悬浮物等水质参数，溢油、赤潮等近海环境事件，核电厂、火电厂温排水等水体热污染开展动态监测。

在生态环境监测方面，可为生态系统监测与评估、生态环境关键参数生产、自然保护地综合监管、矿产资源开发监测评估和城市群生态环境监测等生态管理核心业务提供重要数据支撑，实现生态环境信息提取、分析和综合应用的业务化运行。

同样，高光谱观测卫星也在为大气、水、自然生态等监测方面提供重要数据支持，但与环境二号A、B两颗卫星仍存在不同之处。

游代安详细地介绍，高光谱观测卫星在大气环境遥感监测方面，可对细颗粒物、沙尘、污染气体、温室气体等进行遥感监测，实现大气环境污染的精细化遥感监测应用，为大气污染防治以及空气环境质量预警预报提供技术支持，并可助力“双碳”目标实现。

在水环境遥感监测方面，可对水体叶绿素a、悬浮物、透明度、水体富营养化指数、水温等开展动态监测。

在自然生态监测方面，可为生态保护红线、自然保护地、城市生态环境、矿山环境开发、生物多样性等监测提供重要数据支撑。

值得一提的是，在生物多样性监测方面，高光谱观测卫星可发挥举足轻重的作用。这主要体现在对生态系统和物种生境状况等方面的精细化监测。与之前的多光谱卫星相比，这颗卫星上所获取的高光谱和全谱段信息，可以提升生态系统类型、重要物种生境或栖息地的分布和健康状况的识别精度。

以大熊猫为例，借助这颗卫星，可以观测到大熊猫的生存环境如何，如竹子的种类、水热及营养状态等。

此外，说到前不久发射成功的大气环境监测卫星，游代安开心地告诉记者卫星平台及各遥感仪器均工作正常，目前还处于在轨测试阶段，但已获取了大量高精度遥感数据，生成了大批高精度应用产品。

针对全球碳监测，大气环境监测卫星实现了三个国际首次，首次获取了精度优于1ppm的全球CO2柱浓度数据，首次获取了夜间的全球CO2柱浓度数据，获取南北两极的CO2柱浓度数据，有效数据率达到60%（被动一般在10%左右），通过其他卫星和地面站点进行了交叉比对，应用效果达到了国际领先水平。

大气环境监测卫星还可以在短周期内获取欧美等国外重点区域的CO2柱浓度数据，有助于我国掌握碳外交主动权和话语权，这在地面监测我们是做不到的。针对大气污染监测，大气环境监测卫星国际首次获取了全球高精度气溶胶廓线数据，国际首次通过主被动遥感手段结合获取了近地面细颗粒物质量浓度数据，为我国大气污染治理提供了高精度遥感数据支撑。

通过多星的组网协同使用，生态环境卫星在轨应用后显著提升了我国大气环境综合监测、全球气候变化等应用能力，对提高生态环境卫星资源综合应用效能、促进生态环境保护事业意义重大。

一图览尽

江苏省徐州市贾汪区，曾经“一城煤灰半城土”，如今“一城青山半城湖”。卫星记录了贾汪区10多年来生态环境的改变：为荒山和废旧宕口披上了新绿，有效改善了生态环境，消除了地质灾害隐患；大洞山石头缝里种下的小树苗已生长成林，成为市民追逐的绿色氧吧……这些改变处处洋溢着自然生态之美。

“拍照体检”就是生态环境卫星的重要工作之一。滕佳华告诉记者，生态环境卫星的工作方式有两种。

一是连续观测模式，卫星在轨运行时，各遥感仪器一直连续工作，被动可见光载荷根据星下点白天黑夜自行切换观测/待机，主动激光与红外载荷连续不间断观测，卫星将所有观测数据传回地面，这种工作方式一般适用于大气观测，具有全球观测能力。

二是定制观测模式，用户制定观测任务（包括观测时间与观测区域），由地面上注指令给卫星，卫星收到指令后待轨道运行到相应位置时开始执行观测任务，获取任务区域的遥感数据，传回地面，这种方式一般适用于地表观测，主要针对我国区域。

它们距离我们如此遥远，能将地面上的物体全部分辨清晰吗？游代安解释道，卫星数据其实是通过卫星上的数传天线，将数据传输到卫星地面接收站的数据接收系统，经过辐射处理、几何校正等处理流程后，生成1~2级初级数据产品，最后再传输给应用系统，用于生产高级专题和应用产品。

“地球上不同的元素及其化合物都有自己独特的光谱特征，光谱因此被视为辨别物质的‘指纹’，是用来分析不同物体特征重要的‘身份证’。”滕佳华说，如高光谱相机，能够更精细地探测地表物体的光谱特性，识别物体的特征。

以某处种植了一片小麦为例，根据以往的生态环境卫星拍摄的图片，专业人员可以反演出该处是农作物种植地块，却无法辨别种植的是小麦还是水稻。但借助高光谱观测卫星探测到的光谱信息，专业人员可以很快确定种植的农作物种类。

游代安告诉记者，生态环境卫星在轨运行会获取海量的数据。这就需要技术人员首先对数据进行模型反演，通过反演算法进行计算分析后生产应用产品，得出结果，服务于各项工作生活。

“打个比方说，我们通过卫星遥感获得的数据就像是食材，各用户开发出的具体应用产品就像是菜肴。只有把‘菜’做好了，才能体现出这些‘食材’的价值。”游代安说。

不得不令人感慨，“一图在手，要素全知”。千里之外的“凝视”，采集大量生态环境信息，览尽祖国大好河山。