以下文章来源于中国陆地观测卫星数据中心 ，作者吕争
1. 卫星简介
2020年9月，中国首次向世界提出“双碳”目标，力争于2030年前二氧化碳（CO2）排放达到峰值，2060年前实现碳中和。为精准评估我国陆地碳汇对实现“碳达峰、碳中和”目标的贡献，扩大生态系统调查与监测的范围，提升陆地碳汇的评估精度，量化各类措施对生态系统碳汇潜力的影响，“碳监测”卫星应运而生。
陆地生态系统碳监测卫星“句芒号”（以下简称“碳星”）作为《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015-2025）》中的首批科研星之一，于2022年8月4日发射，它是我国首颗森林碳汇主被动联合观测的遥感卫星，能够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、大气气溶胶、植被叶绿素荧光等要素；支撑大气环境和气候变化监测、高程控制点获取、灾害监测评估、农情遥感监测、陆地生态系统生产力评估、碳监测、生态和资源调查监测、重大生态工程监测与评价等工作。碳星地面系统已经通过在轨测试评审，目前处于应用测试阶段。
2. 卫星轨道与载荷
陆地生态系统碳监测卫星轨道参数
卫星代号
CM-1
轨道高度
506 km
轨道倾角
97.421 °
交点周期
94.716 min
覆盖周期
59 天
陆地生态系统碳监测卫星载荷
碳星搭载了多波束激光雷达、多角度多光谱相机、超光谱探测仪、多角度偏振成像仪等多台载荷，将在森林冠层高度监测、森林类型分类、叶绿素荧光分布、气溶胶光学厚度监测、林火监测等方面发挥广泛的应用价值。
2.1 多波束激光雷达
多波束激光雷达主要用于监测森林冠层高度和结构。当激光从雷达照射到森林时，光束首先到达树顶，一部分激光被树冠反射回去，另一部分激光则沿着缝隙向下穿透，再被树木中间的树叶、枝干反射回去，最后一部分激光到达地面，被地面反射。这样就能得到树冠、中部、地面的回波，可以根据冠层和地面回波的时间差计算出树木的高度。
碳星的多波束激光雷达可以通过其5个40Hz的激光波束连续向地面发射间距达百米级的光斑，获取大范围的森林垂直数据信息，可应用于大区域大尺度森林高度参数定量反演，例如森林测高、森林生物量估算等。另外在大气监测领域，碳星的大气激光雷达还可以有效探测大气二氧化碳、云和气溶胶的垂直分层结构,这体现出了其对于大气环境监测的独特优势。
激光雷达森林测高示意图
2.2 多角度多光谱相机
多角度多光谱相机配置了前、正、后共5个不同角度的相机，能对森林进行立体成像。一台垂直角度观测的相机从人的头顶经过时，只能看到人的头顶。如果从不同的拍摄角度观测，就能看到面部、后脑勺、前胸后背等多方面、多维度的信息。
碳星的多角度多光谱相机就是利用这一原理从5个不同视角观测森林植被，不仅能看清森林冠顶，还能看清它的侧面，这样就能知道森林的疏密分布、健康、长势情况。
碳星的多角度多光谱相机是我国首个五角度可见光探测相机。在对植被的观测中，可以分别从5个方向获取同一地面景物的多光谱图像数据，获得更为详细可靠的地表三维空间结构信息，绘制一幅“立体”植被分布图，精准覆盖观测区域的一草一木。
多角度多光谱相机对地观测示意图
2.3 超光谱探测仪
超光谱探测仪可获取太阳诱导植物叶绿素荧光（SIF）光谱信息，用于监测植被光合作用。植物在光合作用过程中其叶绿素会发出一种微弱的电磁辐射，我们称之为叶绿素荧光。叶绿素荧光的能量非常小，但它能反应植被光合作用强弱，进而定量化监测生态系统中碳吸收能力。
为了能监测到这种微弱的能量信号，碳星搭载了具备高光谱分辨率、高信噪比的超光谱探测仪，它采用光栅分光原理将光谱分辨率提升了100倍，相当于把载荷光谱范围内光的颜色分成1100个渐变的色彩，这样就能够更有效地寻找躲藏在某个渐变色角落里的叶绿素荧光，从而满足森林与作物植被生产力评估的需求。
超光谱探测仪叶绿素荧光捕捉示意图
2.4 多角度偏振成像仪
多角度偏振成像仪用于大气气溶胶和云的光学及微物理参数探测。它测量包括气溶胶光学厚度、单次散射反照率、云顶高度、云相态等在内的大气参数。
碳星的多角度偏振成像仪采用超广角光学系统加面阵CCD实现成像，并通过不同轨道位置的多次成像，获得同一谱段的多角度信息，它支持最多35个角度监测大气PM2.5含量，获取大气横向PM2.5含量信息。同时，配合碳星的大气激光雷达，可用于获取大气纵向PM2.5含量信息。一横一纵，就可获取大气数据立体信息，确保大气校正更精准。
3. 应用场景
我们知道要实现“碳中和”，“碳汇”是重要途径之一，然而监测碳汇这种宏观且复杂的生态指标往往需要大量的人力物力，陆碳卫星凭借其多个“超能力”载荷可以提供全面、准确、精细的森林资源信息，为森林碳汇监测提供数据支持。其应用场景包括森林结构参数反演、森林生物量监测和森林碳汇估算等。
3.1森林结构参数反演
森林结构参数是指森林冠层高度、森林郁闭度等反映森林结构特征的数据。这些数据可以反映森林的生态功能和碳循环过程，对于森林资源管理和全球变化研究有重要意义。
碳星的多波束植被激光雷达可获取森林冠层表面的激光回波信息，应用于测量植被树高。然而，由于激光雷达离散条带状观测的不连续性，只能反演局部光斑树高，因此可以借助多角度多光谱相机从不同角度观测森林的视差来提取高度结构信息，从而获取区域内的数字表面模型DSM，为激光雷达观测的稀疏性提供了完整的面状地物立体信息，反演区域森林冠层高度。
多角度多光谱数据生成初始DSM
3.2森林地上生物量监测
森林地上生物量是指森林中所有地上有机物质的总量，包括树木、灌木、草本植物、苔藓等，它是森林生态系统运转的能量基础和物质来源。由于遥感影像的反射率光谱可以体现出植被叶绿素含量和生长状况的差异性，因此，实测森林生物量可以与影像波段反射率或衍生的光谱特征之间建立数学关系模型，进而估算区域尺度的森林生物量。
已有研究中，一般基于多光谱和高光谱光学遥感数据反演森林地上生物量。但基于光学遥感数据的森林地上生物量估算方法易在平面上产生信息饱和问题，激光雷达数据和多角度多光谱数据具有穿透力强和能测量高度信息的特点，可有效克服信息饱和问题，在森林结构参数和森林生物量反演中应用广泛。目前以美国国家航空航天局(NASA)的ICESat-2卫星所搭载的ATLAS测高雷达、国际空间站全球生态系统动态调查（GEDI）的激光雷达数据提供了全球范围内冠层覆盖、冠层高度信息，被广泛应用于区域和全球尺度的森林生物量反演研究中。碳星的激光雷达、多角度多光谱和超光谱探测仪在森林结构参数和森林生物量的反演中有不同的优势，融合这些多源的遥感数据进行相关研究有利于提升森林生物量反演模型精度。
超光谱荧光成像仪SIF反演
3.3 森林碳汇估算
森林碳汇就是指森林里的植物能够把空气中的二氧化碳通过光合作用吸收并转化为有机物储存起来，从而减少空气中二氧化碳的量，它与碳源的过程相反，共同形成碳循环。森林碳汇与森林生物量有着密切的关系，上文中我们提到的生物量通俗的说就是指单位面积内森林植物的重量，而碳储量是指单位面积内森林植物中储存的碳的量，因此一般可以通过生物量大致推算出森林碳汇。
碳星在森林碳汇估算中可以发挥数据源优势，将激光雷达、多角度多光谱和超光谱数据结合起来，再根据地面采集的生物量和固碳量的样方数据建立算法模型，对目标区域进行森林碳汇的空间分布和动态变化的估算。
生物量与碳循环示意图（百度图库）
碳汇估算示意图（百度图库）
4. 结束语
林业资源是我国最宝贵的自然资源之一，是我国实现“碳达峰、碳中和”目标的重要抓手。陆地生态系统碳监测卫星作为《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015-2025）》中的首批科研星之一，肩负着森林生态系统碳监测、陆地生态和森林资源调查监测、大气环境监测等重任。它采用主被动结合的遥感体制，可获取我国森林碳汇的多源遥感信息，提高碳汇计量的效率和精度，转变传统的人工碳汇计量手段，为我国碳达峰、碳中和目标的实现提供重要支撑，助力我国对森林、草原、湿地等的统计监测核算能力建设。
文章源自中国陆地观测卫星数据中心
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