5大场景，11颗卫星，走近航天遥感

一、“飞传”最佳拍档

20世纪60年代，遥感以航空摄影技术为基础，将照相机、扫描仪和成像雷达这类对电磁波敏感的传感器搭载于气球、飞机等遥感平台上，对地球表面实施感应遥测和资源管理的监视结合。经过几十年的迅速发展，遥感已经成为了一门实用的先进的空间探测技术。

1972年，美国发射了第一颗陆地卫星，标志着航天遥感时代的开始。在遥感平台中，航天遥感平台目前发展最快、应用最广。每一颗人造地球卫星都有自己使命，会根据监测目的搭载不同的传感器，形成不同的遥感产品。

本次将通过PM2.5和PM10的反演、CO2的反演、水体和黑臭水体的识别、夜光遥感以及植被的提取五个场景介绍可以用于其中的主要卫星及其传感器。

二、5大场景、11颗卫星

1.PM2.5和PM10的反演

近年来雾霾天气的频繁出现，不断向人们警示中国大气环境污染的严重性。PM2.5和PM10是指空气动力学直径≤2.5微米和≤10微米的颗粒物，科学分析PM2.5和PM10分布特征与影响因素对减轻环境污染具有重要的意义，是空气质量评价的重要指标。

成都市PM2.5年均值分布

现在PM2.5和PM10的监测方法还是以监测站点为主。虽然通过地面监测站点可以获得高精度的PM2.5和PM10浓度，但由于监测站点数量有限，且分布不均匀，不能获得连续的PM2.5和PM10浓度空间分布，难以在大范围开展研究。而遥感卫星具有空间连续的优点，能弥补地面监测空间不连续的缺陷。

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• TERRA卫星、AQUA卫星与MODIS传感器

TERRA卫星为上午卫星，从北向南于地方时10:30左右通过赤道；AQUA卫星为下午卫星，从南向北于地方时13:30左右通过赤道。

MODIS传感器搭载于TERRA卫星和AQUA卫星，全称Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer，即中分辨成像光谱仪。其遥感图像是遥感领域最常用的遥感图像之一，是对地中等空间分辨率卫星图像中产品最丰富、算法最经典/先进的图像之一，也是唯一将实时观测数据通过x波段向全世界直接广播卫星上的卫星。

• TERRA卫星-MISR传感器

MISR传感器搭载于TERRA卫星，全称Multi- Angle Imaging Spectrometer，即多角度成像光谱仪。这个传感器搭载于TERRA卫星，用来测量地球系统（行星表面和大气）在不同方向和光谱波段反射点太阳辐射强度。MISR可以区分不同类型的云、气溶胶粒子和表面。

2.CO2的反演

大气中温室气体作为连接陆地、海洋碳交换的主要介质，对于理解全球碳循环及气候变化过程起着关键作用。自工业革命以来，化石燃料燃烧、森林砍伐等人类活动，导致全球CO2浓度由280ppmv上升到380ppmv，增加了30%。由温室气体引起的全球变暖及极端天气事件越来越受到广泛关注。

目前，对温室气体浓度精确测量，仍主要依赖于全球近300个地面观测站的观测。由于站点稀少，分布不均匀且成本昂贵，已经成为制约碳循环研究及地表碳源、碳汇精确反演的主要因素。通过遥感卫星数据来反演CO2可以突破目前地面监测站点时空的限制。

全球范围的CO2卫星遥感图像

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• GOSAT卫星-FTS传感器

GOSAT卫星（Greenhouse Gases Observing Satellite，温室气体观测卫星），采用太阳同步准回归轨道，每天绕地球14圈，降交点过境时间约为13:00。GOSAT卫星的发射是为了观测全球CO2浓度分布及其时空变化；在次大陆尺度上，提高温室气体通量反演精度，评估森林碳收支，为环境管理工作提供依据；提高对全球碳循环机制及对气候变化影响的理解，预测环境变化及其可能的后果；发展温室气体卫星观测技术及未来地球观测卫星所需技术。

FTS传感器搭载于GOSAT卫星，全称Fourier Transform Infrared Spectrometer，即傅立叶变换光红外谱仪，用于温室气体的探测。FTS可以测量两类光谱，一类是经过地球大气层并被地球表面、云和气溶胶反射后的太阳短波辐射；另一类是地表发射的热红外辐射，通过这些观测光谱的分布及结构反演的到温室气体浓度和廓线。

值得注意的是，由于云覆盖或云散射对定量遥感的影响巨大，因此对CO2的高精度反演必须要对“云污染”进行检测与剔除。例如，OCO-2温室气体卫星所采用的ABO2云筛选算法很优秀，其对于GOSAT-FTS数据的云检测效果也格外突出。

• AURA卫星-OMI传感器

AURA卫星是继TERRA卫星和AQUA卫星后的又一颗重要的对地观测系统（EOS）卫星。AURA是近极地、太阳同步轨道卫星，肩负着测量大气中的温室气体、云、尘埃粒子的任务。而AURA卫星为测量包括臭氧和水汽在内的温室气体提供了指导，帮助科学家了解这些气体如何影响气候。

OMI传感器搭载于AURA卫星，全称Ozone Monitoring Instrument，即臭氧层观测仪。该传感器主要检测大气中的臭氧柱浓度和廓线、气溶胶、云、表面紫外辐射等，此类检测对于CO2的高精度反演与校正有着重要意义。

3.水体和城市黑臭水体的识别

近年来，市场经济飞速发展的同时环境污染问题也日益突出，水体污染是造成生态环境日益恶化的主要原因。城市黑臭水体是指城市建成区内，呈现令人不悦的颜色和（或）散发令人不适气味的水体。所谓“黑臭”是水体有机污染的一种极端现象，是由于水体缺氧、有机物腐败而造成的，已经成为我国许多大中城市共同存在的环境污染问题。

水体污染监测作为水体污染有效控制以及管理的重要手段，在遏制生态环境恶化方面有着不可替代的作用，其为水体污染治理提供可靠的监测数据，为污染处理措施的制定提供指导。然而依靠传统的监测技术手段，常规的地面采样检测不易采集河道中心水质信息，难以全面划定黑臭水体分布范围，增加监测难度。卫星遥感技术利用物体辐射或者反射的电磁波的特性，可不直接接触物体、远距离测量并分析对象物体的性质。

2017年12月珠海高新区黑臭水体遥感提取分布图

运用卫星遥感技术对水体污染进行检测可以看到与清洁水体不同的光谱特征，传感器捕获这些光谱特征，并将其清晰地体现在遥感图像中，通过分析、处理图像呈现的数据来达到监测的目的。

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• LANDSAT8卫星-OLI/TIRS传感器

LANDSAT8卫星是美国陆地卫星计划（Landsat）的第八颗卫星，最初称为“陆地卫星数据连续性任务”（Landsat Data Continuity Mission，LDCM）。

OLI传感器和TIRS传感器搭载于LANDSAT8卫星，全称Operational Land Imager，即陆地成像仪。TIRS全称Thermal Infrared Sensor，即热红外传感器。这两个传感器主要用于海岸带环境监测、地物识别、植被信息提取、火灾监测、土壤湿度提取等，能在一定程度上较好满足大范围的污染水体识别。

• 高分2号卫星-PMS传感器

高分二号（GF-2）卫星是我国自主研制的首颗空间分辨率优于1米的民用光学遥感卫星，具有亚米级空间分辨率、高定位精度和快速姿态机动能力等特点，有效地提升了卫星综合观测效能，达到了国际先进水平。

PMS传感器搭载于高分二号卫星，全称panchromatic/multi-spectral，即全色多光谱。主要用于监测自然资源、住房和城乡建设、交通运输以及植被信息等。

它的超高分辨率，也标志着我国遥感卫星进入了亚米级的“高分时代”，使其对于小范围、高精度的检测需求意义重大，能够更好的实现对城市内零散分布的小面积水体的准确观测。

4.夜光遥感

上海市夜光遥感影像图

根据人造地球卫星在每个特定时间段拍摄的各地夜景照片，排除月光、天气等因素的影响，绘制合成出的全球夜间灯光的景象，这种影像获取技术被称为夜光遥感。

夜间灯光数据作为能反应人类经济活动的数据集，备受关注。目前主要应用于城市发展、人口密度模拟、能源气体排放、电力消耗、海洋渔业、人类活动及效应、经济发展水平和生态环境等领域。传统方法要获得这些领域的数据，一般都需要经过长时间的调查、普查、建立监测站点等手段，成本高昂且所需时间都很长。

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• DMSP卫星-OLS传感器

DMSP（Defense Meteorological Satellite Program）是美国国防部的极轨卫星计划，与NOAA卫星同属于一类，区别在于星上载荷。DMSP卫星发射的目的主要是云图、强风、海况和微光监测。

OLS传感器搭载于DMSP卫星，全称Operational Linescan System，即可见红外成像。主要用于测量云层或陆地的反射和发射特性，经解译得到云总量、频度和类别。

• SUOMI NPP卫星-VIIRS传感器

VIIRS传感器搭载于NPP卫星（National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System Preparatory Project，国家极地轨道运行环境卫星系统预备工程卫星），也称之为Suomi NPP卫星。

VIIRS全称Visible Infrared Imaging Radiometer Suite，即可见光/红外辐射成像仪：扫描式成像辐射仪，可以收集陆地、大气、冰层和海洋在可见光和红外波段的辐射图像。它是高分辨率辐射仪AVHRR和地球观测系列中分辨率成像光谱仪MODIS系列的拓展和改进。VIIRS数据可用来测量云量和气溶胶特性、海洋水色、海洋和陆地表面温度、海冰运动和温度、火灾和地球反照率。

5.植被信息的提取

植被指地球表面某一地区所覆盖的植物群落，对维持生态系统的平衡，促进全球水分的流通循环起的关键作用。依植物群落类型划分，可分为草甸植被、森林植被等。它与气候、土壤、地形、动物界及水状况等自然环境要素密切相关。

从全球范围可区分为海洋植被和陆地植被两大类。但由于陆地环境差异大，因而形成了多种植被类型，可将其划分为植被型、植物群系和群丛等多级分类系列。还可分为自然植被和人工植被。自然植被包括原生植被、次生植被等。人工植被包括农田、果园、草场、人造林和城市绿地等。

传统方法要获取植被信息，只能通过人工实地采样，成本高、效率低。而用遥感来实现植被信息的提取成本低、操作简单、获取影响速度快。

海南省增强型植被指数

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• 向日葵8号卫星-AHI传感器

向日葵8号是日本气象卫星之一，为向日葵系列卫星其中一款人造卫星，属于地球同步卫星。其作用为提供日本、东亚及西太平洋之周边的天气预 、台风、暴雨、气候变化的观察、预测等相关 告，同时负责确保船只与航空等安全以及观察地球环境。由于其对地静止，所以也称之为静止地球环境观测卫星。它是世界上第一颗可以拍摄彩色图像的静止气象卫星。

AHI传感器搭载于向日葵8号，全称Advanced Himawari Imager，即高级成像仪。主要用于监测植被、暴雨云团、台风动向以及持续喷发活动的火山等防灾领域。

• SPOT-5卫星-HRS/VGT传感器

SPOT-5卫星是法国SPOT卫星的第五颗卫星。其分辨率超越了“陆地卫星”系统，加之SPOT卫星可以拍摄立体像对，因而在绘制基本地形图和专题图方面将会有更广泛的应用。

HRS传感器和VGT传感器搭载于SPOT-5卫星。其中HRS全称High Resolution Stereoscopic，即高分辨率立体成像装置；VGT全称Vegetation，即宽视阈植被探测仪。它们通过反复观测可以改进对植被类型的识别和产量预 试验。

三、复杂却清晰的未来

卫星遥感在这五个场景中的应用，不仅能为生态环境资源及污染监测、人类活动的生态环境成本研究、区域经济活力及发展研究等提供重要的数据支撑，并且极大程度上降低了开展高精度研究的人力、时间和财政成本。

但是，正确使用卫星遥感数据以达到研究目的是一个较为复杂的过程。目标数据往往不能直接获取，需要根据研究目标基于多个传感器或卫星所采集的原始数据，利用相应的科学原理、模型和算法共同构建目标数据的识别和反演方法。