生態環境的探測技術裝備是信息時代發展的源頭，要建設綠色智慧的數字生態文明就離不開先進的探測技術和儀器。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、中國科學院安徽光學精密機械研究所學術所長劉文清分享了關于星載超光譜探測技術的相關進展。
01、構建從山頂到海洋的生態環境保護和監測體系
環境污染和氣候變化是我國生態建設的兩個關鍵問題。人類的生存環境與大氣成分及其變化密切相關，包括空氣質量（環境污染、能見度下降、生態系統破壞和人類健康）和氣候變化（地球輻射收支平衡產生級聯影響的大氣成分）。大氣成分是國際科學前沿關注的焦點，大氣成分也事關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。
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和新探測技術的應用。過去40年來，我國在該領域的發展從宏觀走向定量化。在大氣污染氣體的探測衛星載荷領域，我國于2018年5月成功發射高分5號，填補了國產衛星無法有效探測區域大氣污染氣體的空白，可滿足環境綜合監測等方面的迫切需求，是中國實現高光譜分辨率對地觀測能力的重要標志。大會現場的劉文清報告顯示，環境高技術是我國實現綠色低碳發展的基礎，要加強科技支撐，推進綠色低碳科技自助創新 ；構建從山頂到海洋的生態環境保護和監測體系，深化人工智能等數字技術的應用，構建美麗中國數字化治理體系，建設綠色智慧的數字生態文明。
02、大氣污染和超光譜監測技術進展迅速
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確地探測出來，對其光譜分辨率便有相應的要求。“通常如果光譜分辨率大于1nm，就很難準確地探測這些組分。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，這樣才能準確檢測出來。”
近年來，國內外的團隊發展了一系列生態環境的超光譜監測技術。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首先測出來的。在大氣污染、溫室氣體、水和土壤、工業園區、固體廢物、農業面源等方面，生態環境超光譜立體監測技術有非常多的應用。
通過基于自主研發的用于大氣污染的高分五號衛星載荷，我國自主研發了數據反演分析軟件和實時處理系統，獲得了大氣污染業務化產品。劉文清指出，2018年高分五號發射后，獲得全球臭氧分布、二氧化氮、氮氧化物等分布數據，還能解決國際間的一些環境糾紛問題。
“2021年又成功發射了高分五號02星，其分辨率和信道比更高一些。可以量化在某一個地區，比如北京的一些污染物到底從什么地方來的？現在已經可以量化到具體的小區。”劉文清說。
高分五號可以實測數據集識別公里級的乙二醛高值區，針對VOCs人為源和自然源的快速識別，建立乙二醛衛星遙感算法，突破星載超高光譜自適應迭代算法關鍵技術，建立乙二醛衛星超高光譜遙感算法，精準定位工廠源，克服傳統技術的觀測死角，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，新冠疫情導致全球大氣環境變化的衛星遙感研究，大都是基于衛星載荷開展的局面，說明我國超光譜衛星能夠在全球突發事件的監控中發揮重要作用。
劉文清指出：“另外，根據發射高五的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。”
衛星遙感具有客觀、連續、穩定、大范圍、重復觀測的優點，已經成為檢測全球大氣二氧化碳濃度不可或缺的技術手段。迄今為止，歐盟、日本、美國、加拿大和中國相繼發射了具備大氣二氧化碳濃度觀測能力的衛星。劉文清指出，我國的碳衛星TanSat衛星與美國航天局的軌道碳觀測2號（OCO-2）產品質量相接近，平均差別僅為 0.46ppm(0.12%)，為我國衛星平臺二氧化碳觀測提供了技術支撐。
劉文清建議，臭氧問題是大氣環境監測最主要的問題。全國大部分城市正從PM2.5污染轉向以臭氧污染為主，但臭氧的監測面臨非常大的技術挑戰。“首先，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哪個波長。”
劉文清團隊近年發明一種金剛石晶體，可以精確地調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放置在衛星平臺，“如果可以在5年之內發射，將有望成為國際第一顆臭氧激光的雷達衛星。”
03、構建多平臺智慧大氣環境探測系統
太陽同步軌道衛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”重大戰略的需求，亟需研發具有高時空、高分辨率的地球同步軌道超光譜衛星載荷及相應遙感算法。目前，日韓已經發射多個地球同步軌道衛星，形成了對我國的單向高分辨率探測權。劉文清在報告中指出，為了維護我國在污染跨境傳輸和全球排放責任核算的國際話語權，研發污染/溫室氣體的地球同步軌道超光譜衛星迫在眉睫。
2023年4月美國發射了地球同步軌道衛星TEMPO，其光譜范圍為300~500nm，將實現北美地區臭氧、NO2、SO2、HCHO等污染氣體濃度的逐小時監測。劉文清在報告中指出，我國地球同步軌道衛星應注重硬件上的提升，如采用更高的光譜分辨率以包含精細的光學結構，提高觀測精度；采用更高的空間分辨率以實現工業園區等污染源的精確識別。
他建議，通過構建多平臺智慧大氣環境探測系統，衛星遙感可以獲得長距離輸送，排放源和區域輸送方面，和現有的源排放、模型和觀測站的結合，才能解決我們國家的大氣環境問題。
從全球長期視角看技術的發展與變革，1800年后技術發展非常快，劉文清預計2060年可以實現全球碳達峰與碳中和，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。”
在我國探月工程設計中，未來嫦娥七號準備在月球南極著陸，主要任務是開展飛躍探測，爭取能找到水。而找水的這一重任便由劉文清與團隊承擔，他表示 ：“月亮上有沒有水？水是從什么地方來的？從衛星遙感的角度看（月球）可能有水，關鍵是要進行現場的原位測量。我們在嫦娥七號上將設置一個載荷，落地后再飛到月球南極的一個永久陰影區，計劃在地面挖一個1米深的坑，月壤提取上來之后直接進行測量，這將是非常大的挑戰。”
劉文清指出，研究是自由探索和有組織科研如何實現有機結合。“這種結合度越多，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。
