基于超光谱遥感的大气污染物水平分布反演方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超光谱遥感的大气污染物水平分布反演方法，包括：利用设置在高处的超光谱遥感仪器根据设定的方位角和俯仰角序列，采集俯角观测的地表反射光谱；采用成像设备对光路视场进行实时观测，依据观测结果从地表反射光谱中筛选光路未被遮挡的地表反射光谱；对未被遮挡的地表反射光谱，以天顶的观测光谱作为参考谱，采用基于特征吸收的最小二乘法，反演得到大气污染物的差分斜程总量；基于俯仰角序列和光程对大气污染物的差分斜程总量进行水平分段，以得到不同分段的大气污染物的水平浓度分布。该方法通过超光谱遥感采集地表反射光谱，基于地表反射光谱反演得到一定区域内的大气污染物浓度的水平分布。定区域内的大气污染物浓度的水平分布。定区域内的大气污染物浓度的水平分布。

【技术实现步骤摘要】
基于超光谱遥感的大气污染物水平分布反演方法


[0001]本专利技术属于光学测量
，具体涉及一种基于超光谱遥感的大气污染物水平分布反演方法。

技术介绍

[0002]随着我国经济的高速发展和城市化进程的快速推进，大气环境呈现出区域性、复合性污染特征，对人们的身体健康和人类生活环境造成了深远的影响。其中，集中于近地面的污染物对人类最容易产生直接影响，因此，监测近地面的大气污染物浓度分布至关重要。为了控制大气环境污染现状，需要对大气污染物的生成、输运及演变过程进行深入的了解，而长期稳定的监测是必不可缺的，也是控制大气污染现状最基础的一环。
[0003]超光谱大气遥感通过分析不同仰角下采集的光谱信号，可以探测大气中不同痕量气体成分的垂直分布特征。然而，目前超光谱遥感应用场所主要为安装在地表对天空观测，收集不同仰角下的天空大气散射光，由此做到探测痕量气体的垂直分布特征，但是无法观测到区域内的大气痕量气体水平分布特征。
[0004]公布号为CN 109342350 A的专利申请公开一种污染物分布红外光谱扫描成像遥测系统，主要包括红外辐射接收望远镜、傅里叶变换红外光谱仪、彩色变焦相机、重型变速云台和便携式计算机等。基于傅里叶变换红外光谱被动测量技术，通过云台的二维扫描，利用背景与目标气体的等效辐射温差，测量目标气体的红外吸收信号，结合定量分析方法，最终得到目标区域内污染气体柱浓度二维分布，该方法获得观测视场内垂直平面上的污染物二维分布，无法观测得到一定区域内近地面的大气污染物的水平分布。
[0005]公布号为CN 103674853 A的专利申请公开了一种移动式区域大气污染气体分布遥测系统，包括了二维旋转台，俯仰、方位角传感器，GPS定位系统，导光系统，光谱仪，计算机。导光系统搭载在二维旋转台上，太阳散射光经光纤从导光系统导入光谱仪，光谱仪将收集到的光谱信息送入计算机，计算机对获取的光谱进行解析获取污染气体柱浓度。GPS系统获得每个测量点上的经纬度信息，方位角传感器中可根据实际测量需求对方位角的测量模式进行设定。俯仰角传感器获取二维旋转台俯仰角信息。该方法通过移动设备的方式获得移动线路上的大气污染气体柱浓度分布信息，也同样无法实现一定区域内近地面的大气污染物的水平分布探测。

技术实现思路

[0006]鉴于上述，本专利技术提供了一种基于超光谱遥感的大气污染物水平分布反演方法，通过超光谱遥感采集地表反射光谱，基于地表反射光谱反演得到一定区域内的大气污染物浓度的水平分布。
[0007]实施例提供了一种基于超光谱遥感的大气污染物水平分布反演方法，包括以下步骤：
[0008]利用设置在高处的超光谱遥感仪器根据设定的方位角和俯仰角序列，采集俯角观
测的地表反射光谱和仰角观测的天顶光谱；
[0009]采用成像设备对光路视场进行实时观测，依据观测结果从地表反射光谱中筛选光路未被遮挡的地表反射光谱；
[0010]对未被遮挡的地表反射光谱，以天顶光谱作为参考谱，采用基于特征吸收的最小二乘法，反演得到大气污染物的差分斜程总量；
[0011]基于俯角序列和光程对大气污染物的差分斜程总量进行水平分段，以得到不同分段的大气污染物的水平浓度分布。
[0012]在一个实施例中，超光谱遥感仪器设置在高于地表50m的露天平台处，方位角的变换范围为0
°
～360
°
，观测俯仰角序列范围为
‑
90
°
～90
°
，其中，
‑
90
°
表示垂直于地表，90
°
表示天顶，通过设置俯仰角序列改变观测模式，采集天顶的天顶光谱和地表反射光谱。超光谱遥感仪器的采样光谱分辨率为0.45～0.6nm，光谱波长范围为300～600nm。
[0013]在一个实施例中，控制成像设备与超光谱仪器同步工作，以确保超光谱遥感仪器在采集地表反射光谱的同时，成像设备实时观测采集地表反射光谱的视场，将观测结果作为采集光路是否被遮挡的依据，来筛选光路未被遮挡的地表反射光谱。
[0014]在一个实施例中，对未被遮挡的地表反射光谱进行校正，以扣除暗电流和电子偏置的影响，校正后的地表反射光谱参与反演，得到大气污染物的差分斜程总量。
[0015]在一个实施例中，采用基于特征吸收的最小二乘法反演大气污染物的差分斜程总量的过程中，还通过对拟合结果的均方根、相对误差进行筛选，来确保反演的精度。
[0016]在一个实施例中，所述基于俯角序列和光程对大气污染物的差分斜程总量进行水平分段，包括：
[0017]依据差分斜程总量获得不同分段的大气污染物的水平浓度分布的递推公式为：
[0018][0019]其中，SZA表示太阳天顶角，i,j,k均为索引，α表示俯角，h表示水平距离，x表示大气污染物的水平浓度，dSTD(
·
)表示差分斜程总量；
[0020]假设水平距离h0和h1对应的水平浓度段x0和x1浓度近似相等，则对多元方程组进行求解，由此获得不同水平距离的大气污染物的水平浓度分布。
[0021]在一个实施例中，在一定区域内的高处安装多个超光谱遥感仪器和成像设备，形成监测网络，实现一定区域与高度内的实时网状监测，利用提供的反演方法，获得一定区域与高度内大气污染物浓度的整体水平分布信息。
[0022]与现有技术相比，具有的有益效果至少包括：
[0023]采用设置在高处的超光谱遥感仪器根据设定的方位角和俯仰角序列，采集俯角观测的地表反射光谱和仰角观测的天顶光谱，并配合成像设备对光路视场的实时观测，筛选光路未被遮挡的地表反射光谱，然后反演得到大气污染物的差分斜程总量后，基于俯仰角序列和光程对大气污染物的差分斜程总量进行水平分段，以得到不同分段的大气污染物的水平浓度分布，这样能获得一定区域内的大气污染物浓度的水平分布，由此达到长期稳定地大气污染物的水平分布业务化观测，对监测区域内大气污染物的生成、输运及演变过程的研究有着重要的意义。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0025]图1是一实施例提供的基于超光谱遥感的大气污染物水平分布反演方法的流程图；
[0026]图2是一实施例提供的设置在高处的超光谱遥感仪器采集光谱示意图；
[0027]图3是一实施例提供的浓度水平分层处理的原理图。
具体实施方式
[0028]为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本专利技术进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不限定本专利技术的保护范围。
[0029]图1是一实施例提供的基于超光谱遥感的大气污染物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超光谱遥感的大气污染物水平分布反演方法，其特征在于，包括以下步骤：利用设置在高处的超光谱遥感仪器根据设定的方位角和俯仰角序列，采集俯角观测的地表反射光谱和仰角观测的天顶光谱；采用成像设备对光路视场进行实时观测，依据观测结果从地表反射光谱中筛选光路未被遮挡的地表反射光谱；对未被遮挡的地表反射光谱，以天顶光谱作为参考谱，采用基于特征吸收的最小二乘法，反演得到大气污染物的差分斜程总量；基于俯仰角序列和光程对大气污染物的差分斜程总量进行水平分段，以得到不同分段的大气污染物的水平浓度分布。2.根据权利要求1所述的基于超光谱遥感的大气污染物水平分布反演方法，其特征在于，超光谱遥感仪器设置在高于地表50m的露天平台处，方位角的变换范围为0
°
～360
°
，观测俯仰角序列范围为
‑
90
°
～90
°
，其中，
‑
90
°
表示垂直于地表，90
°
表示天顶，通过设置俯仰角序列改变探测模式，采集天顶的天顶光谱和地表反射光谱。3.根据权利要求1或2所述的基于超光谱遥感的大气污染物水平分布反演方法，其特征在于，超光谱遥感仪器的采样光谱分辨率为0.45～0.6nm，光谱波长范围为300～600nm。4.根据权利要求1所述的基于超光谱遥感的大气污染物水平分布反演方法，其特征在于，控制成像设备与超光谱仪器同步工作，以确保超光谱遥感仪器在采集地表反射光谱的同...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘诚，陆川，谈伟，林华，邢成志，李启华，刘浩然，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：