南京大学国际地球系统科学研究所张永光教授团队实现全球首颗日光诱导叶绿素荧光专用探测卫星“句芒号”叶绿素荧光遥感反演及产品业务化生产

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文章导读

当全球碳汇监测还停留在数十公里模糊数据时，中国科学家已悄然改写游戏规则！南京大学团队突破性实现全球首颗叶绿素荧光专用卫星“句芒号”业务化运行，将分辨率从公里级跃升至800米。这项颠覆性技术能精准捕捉植物光合作用的微弱光信号，首次实现对陆地碳吸收过程的实时量化监测。目前全球逐日数据已向世界公开，不仅为“双碳”战略提供权威支撑，更让中国在国际碳汇计量标准制定中赢得话语权。想知道这枚“生态天眼”如何精准追踪地球的每一次呼吸？

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2022年8月4日，陆地生态系统碳监测卫星“句芒号”，在太原卫星发射中心成功发射升空。该星是《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025）》首批科研卫星任务之一。由中国航天科技集团有限公司第五研究院和国家林业和草原局林草调查规划院（国家林业和草原局卫星林业应用中心）共同牵头研制，其中，中国航天科技集团有限公司第五研究院负责卫星平台和载荷的研制（硬件）；国家林业和草原局卫星林业应用中心负责卫星发射后的卫星任务规划、数据存档、产品测试，应用与分发的地面系统建设（软件）。卫星搭载了多波束激光雷达、多角度多光谱相机、超光谱探测仪和多角度偏振成像仪等先进载荷，构建了“点—面结合、主—被动互补”的空天立体观测体系，也是全球首颗日光诱导叶绿素荧光（SIF）专用探测卫星。SIF是植物在光合作用过程中自然释放的微弱光信号，能够直接反映植被实际吸收并固定二氧化碳的能力，已成为全球碳汇监测的重要手段。通过对SIF的高精度观测，可实现对陆地生态系统碳吸收过程的实时、量化监测。目前，“句芒号”已正式进入业务化应用阶段，将为生态文明建设和“双碳”战略目标的实现提供坚实的空天观测支撑与权威数据保障。

南京大学国际地球系统科学研究所张永光教授团队实现全球首颗日光诱导叶绿素荧光专用探测卫星“句芒号”叶绿素荧光遥感反演及产品业务化生产

图1 2022年8月4日陆地生态系统碳监测卫星句芒号在太原卫星发射中心成功发射

从“副产物”到“专用星”：SIF观测实现历史性跨越

长期以来，国际上可用的SIF卫星产品多源自大气探测任务，是在大气反演框架下“顺带”获取的副产物，空间分辨率仅有数十公里，难以满足森林与农田等生态系统的精细化监测需求。“句芒号”首次在星载层面为SIF探测量身定制超光谱载荷，在光学设计、在轨定标、质量控制与成像策略等方面进行了系统化优化，标志着SIF观测由“顺带获取”迈向“专用观测”的范式跃迁。

依托创新的光栅分光与精密标定方案，“句芒号”超光谱探测仪能够捕捉人眼不可见的太阳光谱细微变化，将仅占反射辐射1%—5%的微弱SIF信号从背景中准确分离，实现对地近800米高空间分辨率的荧光精细化探测，突破了国际主流SIF产品数十公里级分辨率的技术瓶颈。这一突破显著提升了我国在生态系统生产力评估与陆地碳汇监测方面的能力，为实现“看得清、量得准、算得明”的生态碳监测奠定了技术基础。

构建全球SIF反演系统：实现高精度业务化监测

国际地球系统科学研究所张永光教授团队与国家林业和草原局林草调查规划院紧密合作，针对“句芒号”超光谱载荷信号弱、分辨率高的特点，联合建立了全球首套面向超光谱载荷的SIF高精度反演系统。该系统对国际主流算法进行了改进，实现了全球范围内的SIF高精度反演与产品业务化生产及常态化发布，为国家“双碳”战略实施提供关键科技支撑和数据保障。

南京大学国际地球系统科学研究所张永光教授团队实现全球首颗日光诱导叶绿素荧光专用探测卫星“句芒号”叶绿素荧光遥感反演及产品业务化生产

图2 面向句芒号超光谱载荷的日光叶绿素荧光反演系统

在轨验证与数据发布：从科研试验迈向业务化运行

在轨验证阶段，国家林业和草原局林草调查规划院组织实施了“星—机—地”一体化联合观测实验。2023年8月22日至9月2日，在河北塞罕坝地区同步开展卫星过境观测、无人机与地基光谱观测，并在不同生态类型下布设塔基观测点，形成跨尺度比对链路。结果表明，卫星、航空与地面观测在光谱测量与SIF反演结果上保持高度一致，有效验证了产品的稳定性与准确性。

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图3 “星—机—地”一体化联合观测实验结果

目前，“句芒号”全球逐日SIF产品已在国家生态数据中心向全球公开发布并常态化更新（国家生态数据中心：https://www.nesdc.org.cn/sdo/detail?id=6891d1fb7e28174acd1b640f ），为全球科研与生态管理提供长期、稳定、可复现的数据服务。

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图4 基于句芒号卫星的全球日光诱导叶绿素荧光逐月反演图

研究表明，“句芒号”反演获得的SIF产品在解析生态梯度的精细能力上显著优于OCO-2与TROPOMI等国际主流荧光产品，能够更准确地刻画植被生产力的时空变化与生态响应特征。其成果近期发表于美国地球物理联合会（AGU）旗下权威期刊《Geophysical Research Letters》（DOI: 10.1029/2025GL118327），标志着我国在全球SIF高精度反演领域实现重大突破。

面向“双碳”战略的未来应用

展望未来，“句芒号”将以超光谱SIF观测为核心牵引，进一步集成星载激光、多角度多光谱与偏振观测能力，构建“三维SIF—碳汇/生产力”业务化监测体系，服务森林碳核算、农业监测与生态灾害预警等多领域应用。

作为全球首颗SIF专用探测卫星，“句芒号”标志着我国在植被光合作用与碳循环遥感监测领域达到国际领先水平。该星的成功研制与业务化应用，不仅为“双碳”目标实现提供了坚实科技支撑，也将助力我国在国际碳汇计量标准制定、减排责任分配及碳交易体系中发挥更大主导作用。