Fliegen Sie hoch in den Himmel und sehen Sie die grünen Berge und das klare Wasser der Erde!

Am 4. August wurde der weltweit erste Fernerkundungssatellit zur gemeinsamen aktiven und passiven Beobachtung von Waldkohlenstoffsenken – der Land Ecosystem Carbon Monitoring Satellite – erfolgreich vom Satellitenstartzentrum Taiyuan gestartet. Der Name „Jumang“, den ihm die Internetnutzer gaben, steht für den Gott des Holzes und den Gott des Frühlings in der alten chinesischen Mythologie und verleiht dem Satelliten einen Hauch von Romantik, der den Nachkommen von Yan und Huang eigen ist.

▲ Die Rakete „Langer Marsch 4B“ hebt ab (Foto: Deng Yunan)

Im Jahr 2012 schlug der 18. Nationalkongress der Kommunistischen Partei Chinas erstmals das Konzept zum Aufbau eines schönen China vor und betonte, dass dem Aufbau einer ökologischen Zivilisation eine herausragende Stellung eingeräumt werden sollte. Die Fünfte Akademie der China Aerospace Science and Technology Corporation begann, über eine Frage nachzudenken: Welche Rolle können satellitengestützte Fernerkundungsdienste spielen? Sie legten mutig ein Konzept vor: die Entwicklung eines Satelliten zur Beobachtung grüner Berge und klarer Gewässer.

Zu dieser Zeit gab es weltweit noch keine Satelliten, die speziell auf die Vegetationserkennung ausgerichtet waren. Das Satellitenentwicklungsteam stand also vor einer völlig neuen Herausforderung. Um die Anforderungen der forstwirtschaftlichen Fernerkundung genau zu verstehen, haben sie überall forstwirtschaftliches Wissen studiert und erforscht. Cao Haiyi, Chefdesigner des Satelliten, gab eine positive Antwort: „Wir können dieses Problem durch den Einsatz weltraumgestützter Fernerkundung lösen.“

Das Satellitenprojekt wurde vor fünf Jahren offiziell genehmigt. Von Beginn der Planungsphase an musste das Satellitenentwicklungsteam technische Schwierigkeiten wie Wärmekontrolle, Nutzlastkontrolle und Datenübertragung überwinden.

▲ Schematische Darstellung der Arbeit des Satelliten zur Kohlenstoffüberwachung terrestrischer Ökosysteme

Verstehen Sie die Waldressourcen und haben Sie ein klares Verständnis der Kohlenstoffbilanz

Das Erreichen der „Kohlenstoffneutralität“ ist wie eine digitale Berechnung der „Kohlenstoffquellen“ und „Kohlenstoffsenken“ in der Natur, und das ultimative Ziel besteht darin, ein „Gleichgewicht zwischen Einnahmen und Ausgaben“ zu erreichen. Um die Kohlenstoffbilanz klar zu verstehen, müssen wir zunächst die Waldressourcen verstehen.

Der Schlüssel liegt darin, hochpräzise Informationen zur Höhe und Fläche der Vegetation zu erhalten. Entsprechend dem Satellitendesign können die mitgeführte Mehrwinkel-Multispektralkamera und das Lidar Bodenbilder und Höheninformationen des Waldes erfassen, die Akkumulation und Biomasse der Vegetation besser messen und die Kohlenstoffspeicherung des Ökosystems widerspiegeln.

Zhang Xinwei, stellvertretender Chefdesigner des Satelliten, führte ein, dass bei allgemeinen Fernerkundungsanwendungen normalerweise vertikale Erdbeobachtungsmethoden zum Einsatz kommen. Wenn jedoch der Beobachtungswinkel vergrößert werden kann, können unterschiedliche Reflektivitätsinformationen desselben Oberflächenobjekts gewonnen werden, wodurch die Erkennungsgenauigkeit und Inversionsgenauigkeit von Waldstrukturparametern verbessert werden. Die von diesem Satelliten zur Kohlenstoffüberwachung des Landökosystems getragene Mehrwinkel- und Multispektralkamera kann aus fünf Richtungen multispektrale Bilddaten derselben Bodenszenerie aufnehmen und so detailliertere und zuverlässigere dreidimensionale Raumstrukturinformationen der Erdoberfläche gewinnen.

„Früher wurde eine Kamera über den Kopf geführt und vertikal beobachtet, sodass nur die Oberseite des Kopfes einer Person erfasst werden konnte. Jetzt gibt es mehr Aufnahmewinkel und wir können nicht nur die Oberseite des Kopfes sehen, sondern auch das Gesicht, den Hinterkopf, die Brust und den Rücken sowie andere vielschichtige und mehrdimensionale Informationen.“ Jia Fujuan, Chefdesigner der Mehrwinkel- und Multispektralkamera am 508 Institute der Fünften Akademie, gab ein Beispiel.

▲ Die Menge der grundlegenden Referenzinformationen des 5-Winkel-Erdbeobachtungsdiagramms der Satelliten-Multispektralkamera wurde erhöht, sodass nicht nur die Waldkrone, sondern auch ihre Seiten deutlich zu erkennen sind und die Dichteverteilung, Art, Gesundheit, das Wachstum und sogar der Krankheits- und Schädlingszustand der Vegetation leicht ermittelt werden können.

Um die Ansammlung der Vegetation umfassender zu messen, muss das Satellitenentwicklungsteam auch die vertikale Struktur des Waldes erkennen. Da die optische Fernerkundung bei der Erkennung der vertikalen Struktur von Wäldern gewisse Einschränkungen aufweist, wurde die aktive Lidar-Erkennungstechnologie entwickelt.

Sun Li, Chefentwickler des Mehrstrahl-Lidars vom 508. Institut der Fünften Akademie, erläutert dessen Funktionsprinzip: Wenn der Laserstrahl vom Radar auf den Wald gerichtet wird, erreicht der Lichtstrahl zunächst die Baumkronen, ein Teil des Lasers wird von den Baumkronen zurückreflektiert und ein anderer Teil des Lasers dringt entlang der Lücken nach unten ein und wird von den Blättern und Zweigen in der Mitte der Bäume zurückreflektiert. Der letzte Teil des Lasers erreicht den Boden und wird vom Boden reflektiert. Auf diese Weise können Echos aus der Baumkrone, der Mitte und dem Boden gewonnen werden. Aus der Laufzeitdifferenz der Echos lässt sich die Baumhöhe berechnen, aus dem Energieverhältnis die Baumart bestimmen und sogar das Wachstum der Bäume lässt sich ermitteln.

▲ Schematische Darstellung der Satelliten-Lidar-Messhöhe

Auch Satellitenbeobachtungen werden durch atmosphärische Schwebeteilchen beeinträchtigt, doch Mehrwinkel-Polarisationsbildgeber und atmosphärisches Lidar können dieses Problem wirksam lösen. Sie können Zusatzinformationen wie Wolken und atmosphärische Partikel messen, Störfaktoren für Satelliten beseitigen, um die Kohlenstoffvorräte der Wälder genau zu überwachen, eine genauere atmosphärische Korrektur gewährleisten und hochpräzise quantitative Fernerkundungsmessungen der Biomasse der Waldvegetation durchführen.

▲ Schematische Darstellung der satellitengestützten atmosphärischen PM2,5-Überwachung

Auf der Suche nach der Chlorophyllfluoreszenz im riesigen Meer der Bücher eine geheime Botschaft finden

Wälder spielen eine wichtige Rolle bei der Kohlenstoffbindung und können im gleichen Zeitraum 45 % der durchschnittlichen menschengemachten Kohlenstoffemissionen meines Landes im Jahresdurchschnitt absorbieren. Aber werden Wälder immer CO2 absorbieren? Wenn die Menge an Kohlendioxid, die Wälder aufnehmen können, begrenzt ist und ein bestimmter Sättigungspunkt erreicht ist, können sie dann weiterhin dazu beitragen, die globale Erwärmung zu verlangsamen?

Um die Kohlenstoffsenken in Wäldern mit hoher Präzision überwachen zu können, ist die Nutzung von Satelliten zur Erfassung hochpräziser Vegetationsinformationen nur der erste Schritt. Im nächsten Schritt wird die Produktivität der Vegetation betrachtet, also der Grad der Kohlenstoffaufnahme durch die Vegetation.

„Pflanzen ‚atmen‘ durch Photosynthese, und Chlorophyll ist ein Schlüsselfaktor, der diesen Prozess beeinflusst. Die hochpräzise Chlorophyll-Fluoreszenzkartierung ist auch ein wichtiger Teil der Satellitenunterstützung für die hochpräzise Überwachung von Kohlenstoffsenken.“ Mao Yilan, stellvertretender Chefdesigner des Satelliten, stellte vor, dass der an Bord des Satelliten befindliche Hyperspektraldetektor die Chlorophyllfluoreszenz der Vegetation erfassen, die Stärke der Photosynthese der Vegetation widerspiegeln und dann die Kohlenstoffabsorptionskapazität des Ökosystems quantitativ überwachen könne.

Das Erfassen der Chlorophyllfluoreszenz ist nicht so einfach wie gedacht. Sein Spektralbereich ist schmal und nur Nanometer breit. Im chaotischen Tageslicht gleicht die Suche danach der Suche nach einem Geheimcode in einem endlosen Buch.

Das Satellitenentwicklungsteam nutzte auf innovative Weise das Prinzip der Gitterspektroskopie , um die spektrale Auflösung um das Zehnfache zu erhöhen. Dadurch kann das trübe Licht im Bereich von 670 bis 780 Nanometern in 1.100 Farbverläufe zerlegt werden, wodurch die in einer Farbverlaufsecke verborgene Chlorophyllfluoreszenz effektiv gefunden werden kann.

▲ Schematische Darstellung der Chlorophyll-Fluoreszenzerfassung durch einen hyperspektralen Satellitendetektor. Wang Weigang, Chefdesigner des hyperspektralen Detektors des 508. Instituts der Fünften Akademie, sagte: „Dies ist so, als hätte man ein magisches Auge am Himmel über der Erde, das uns sagt, welches Ausmaß an Photosynthese in dem geheimnisvollen und wunderschönen Wald stattfindet, welche Menge an Kohlendioxid absorbiert wird und in welchem ​​Ausmaß die CO2-Neutralität erreicht wurde …“

Berechnen Sie globale Kohlenstoffsenken, um dem Klimawandel entgegenzuwirken und sich an der globalen Governance zu beteiligen

„Der Satellit zur Überwachung des Kohlenstoffausstoßes im Landökosystem muss mithilfe von vier Nutzlasten umfassende Beobachtungsaufgaben erfüllen, darunter ein Mehrstrahl-Lidar , eine Mehrwinkel-Multispektralkamera , ein Hyperspektraldetektor und ein Mehrwinkel-Polarisationsbildgeber “, sagte Huang Jin, der Chefkonstrukteur des Satelliten.

Satelliten haben zahlreiche Missionen und äußerst komplexe Funktionsweisen. Es stehen bis zu 47 Lastbetriebsartenkombinationen zur Berechnung zur Verfügung. Durch unterschiedliche Lastkombinationen können unterschiedliche Daten ermittelt werden, um den Anforderungen verschiedener Benutzer gerecht zu werden.

„Es ist in der Tat schwierig.“ Cao Haiyi räumte ein, dass das Forschungs- und Entwicklungsteam, um den Zustand der Waldvegetation quantitativ überwachen und den Anforderungen der Überwachung von Kohlenstoffsenken gerecht werden zu können, nicht nur die technischen Schwierigkeiten bei der Nutzlastentwicklung überwinden und den Satelliten für mehr Anwendungen nutzbar machen, sondern auch die Benutzerfreundlichkeit und Steuerung des Satelliten berücksichtigen müsse. Ein zentrales Bindeglied dabei ist die Verarbeitung von Satellitendaten. Dieser Prozess sollte mit der einschlägigen Erfahrung der Forstbehörde kombiniert werden, indem Fernerkundungssatellitendaten in eine Bodensprache umgewandelt und die Echtzeitüberwachungsdaten des Satelliten kontinuierlich invertiert und iteriert werden.

▲ Wang Xiang, der Oberbefehlshaber des Satellitenentwicklungsteams, gab bekannt, dass der Satellit nach dem erfolgreichen Start und Abschluss der Tests im Orbit offiziell in Betrieb genommen wird. In etwa zwei Monaten wird ein Rückkehrzyklus abgeschlossen sein, und eine effektive globale Abdeckung wird erreicht. Bis dahin werden die vom Satelliten erhaltenen Informationen analysiert und verarbeitet, um Berichte über die Kohlenstoffemissionen verschiedener Regionen zu erstellen. So lässt sich die nationale und sogar globale Wirksamkeit der Kohlenstoffbindung quantitativ bewerten und die Fähigkeit meines Landes, auf wichtige Strategien zum Klimawandel zu reagieren und sich aktiv an der globalen Governance zu beteiligen, deutlich verbessern.

Tatsächlich spielen Satelliten zur Überwachung des Kohlenstoffausstoßes in Landökosystemen nicht nur neue Impulse für die Bekämpfung des Klimawandels, sondern auch eine wichtige Rolle beim Handel mit Kohlenstoffsenken in der Forstwirtschaft . Heutzutage werden die Kohlendioxidemissionen verschiedener Länder gegenseitig begrenzt. Wie können Satelliten also bei der Messung von Kohlenstoffsenken oder beim Handel mit Kohlenstoffsenken helfen?

Wang Xiang wies darauf hin, dass damit hochpräzise quantitative Fernerkundungsmessungen der globalen Waldvegetationsbiomasse, der Aerosolverteilung und der Chlorophyllfluoreszenz erreicht werden können, wodurch sich der Status globaler Kohlenstoffsenken besser ableiten lässt und eine wirksame Datenunterstützung für den Kohlenstoffsenkenhandel bereitgestellt wird.

Neben der Überwachung von Kohlenstoffsenken in Wäldern können Satelliten zur Kohlenstoffüberwachung von Landökosystemen auch in großem Umfang im Umweltschutz, bei Vermessung und Kartierung, in der Meteorologie, Landwirtschaft, Katastrophenvorsorge und anderen Bereichen eingesetzt werden, wo sie zur Erntebewertung, zur Überwachung von Pflanzenkrankheiten und Schädlingen, zur Bildgebung bei Katastrophen und anderen Arbeiten beitragen.

„Um diesen Satelliten sinnvoll nutzen zu können, müssen in Zukunft drei Dinge getan werden.“ Wang Xiang sagte, erstens müsse die Zahl der Satelliten und der Erkennungsmethoden erhöht werden; zweitens sollte die Genauigkeit der Daten durch die Zusammenarbeit mit Bodensystemen verbessert werden; Drittens sollte der Datenaustausch intensiviert werden, um in der internationalen Zusammenarbeit eine größere Rolle zu spielen.