基于超光谱遥感的痕量气体水平分布探测交通污染源方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超光谱遥感的痕量气体水平分布探测交通污染源方法，采用设置在不同位置的超光谱遥感仪器根据设定的方位角和俯仰角序列，采集没有被遮挡光路的大气散射光谱，反演得到痕量气体和氧二聚体的差分斜程总量后，氧二聚体的比例关系获得有效光程信息，由此对探测光谱长度进行水平分段，以得到不同分段的痕量气体的水平浓度分布，这样能获得城市交通道路网区域内内的大气污染物的水平浓度分布，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运动过程、转化过程以及污染物生成溯源研究有着切实可靠的意义。有着切实可靠的意义。有着切实可靠的意义。

【技术实现步骤摘要】
基于超光谱遥感的痕量气体水平分布探测交通污染源方法


[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痕量气体水平分布探测交通污染源方法。

技术介绍

[0002]随着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，来自交通以及生物质燃烧的人为排放源显著增加了污染气体在近地面的浓度，直接影响空气质量和人类的健康，而由于人类生活中对城市的建设过程布局不同，会使得各个气体在不同水平位置产生较大的差异性，比如在道路交通的主干道区域容易产生较多的二氧化氮，而在化工厂附近则会产生较大的化工气体。同时，即使在强排放源附近，边界层的污染气体的水平分布通常是不均匀的，为了获得强排放源附近的污染气体水平分布，对污染物溯源有着关键的意义。
[0003]常规的测污染物的方法主要有激光雷达、化学质谱仪等。公开号为CN106199632A的专利申请公开了一种基于激光雷达的大气空间颗粒物垂直分布监测方法，这种方法主要可以获得较高位置垂直区域的污染物浓度分布情况，但是无法对水平近地面的污染物分布获得相关的信息。
[0004]专利文献CN212873559U公开了一种植物源性食品化学污染物检测装置，这种等点式采样仪器则无法一次性观测区域范围的污染物信息，需要通过短时间内的人为移动在采样车可以行进到的范围获得区域的污染物水平分布信息，且不适合大气污染物的水平分布信息监测。

技术实现思路

[0005]鉴于上述问题，本专利技术的目的是提供一种基于超光谱遥感的痕量气体水平分布探测交通污染源方法，能够通过反演快速准确得到城市交通道路网内的大气污染物的水平浓度分布，从而为交通污染溯源提供支持。
[0006]为实现上述专利技术目的，实施例提供了一种基于超光谱遥感的痕量气体水平分布探测交通污染源方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1，获取通过超光谱遥感采集的可见
‑
紫外光谱波段的大气散射太阳光谱，并同时采集地表环境参数，包括环境温度和压力数据；
[0008]步骤2，基于大气散射太阳光谱反演得到氧二聚体和痕量气体的差分斜程总量；
[0009]步骤3，根据氧二聚体的差分斜程总量计算大气散射太阳光谱在氧二聚体的有效光程信息。
[0010]步骤4，基于气溶胶光学特性信息和地表环境参数，通过辐射传输方程，将大气散射太阳光谱在氧二聚体的有效光程信息拓展到痕量气体，以得到痕量气体的有效光程信息和光子路径；
[0011]步骤5，根据痕量气体的有效光程信息和光子路径，将痕量气体的差分斜程总量转
化为可见
‑
紫外光谱波段上不同有效光程的痕量气体的水平浓度信息；
[0012]步骤6，对痕量气体的水平浓度信息进行修正，以得到修正后的对痕量气体的水平浓度信息；
[0013]步骤7，根据痕量气体的水平浓度信息和有效光程信息，反演获得观测方向上的痕量气体水平分布。
[0014]在一个实施例的步骤1中，超光谱遥感针对交通污染源区域采集观测仰角为水平及不超过1
°
的低仰角下的大气散射太阳光谱。
[0015]在一个实施例的步骤2，包括：
[0016]首先，对采集的大气散射太阳光谱进行校正处理，以扣除暗电流和电子偏置的影响；
[0017]然后，以基于天顶方向的观测光谱作为参考光谱，通过将采集的大气散射太阳光谱与参考光谱做差，并基于特征吸收的最小二乘法，可以实时反演得到不同波段的氧二聚体及痕量气体的差分斜程总量。
[0018]在一个实施例的步骤3，包括：
[0019]首先，根据氧二聚体和氧气含量的平方成比例的关系，通过氧气浓度推断氧二聚体的近似浓度
[0020][0021][0022]其中，P表示大气压力，T表示大气温度，R为气体比常数，N
A
为阿伏伽德罗常数，C
air
表示大气浓度。
[0023]然后，根据氧二聚体的近似浓度计算不同波段光谱采集的有效光程信息，相关公式为如下：
[0024][0025]其中，L
eff
代表气体在氧二聚体的有效光程信息，代表O4的差分斜程总量，为对应高度上的O4的近似浓度值。
[0026]在一个实施例的步骤4，包括：
[0027]首先，将痕量气体先验廓线、气溶胶光学特性信息、温度压力廓线以及几何位置信息作为辐射传输方程的输入，求解可以获得目标波长下的光程L
y
和痕量气体的光子路径AMF
trace_gas
，痕量气体先验廓线是通过预先标准波长反演获得，其对应的光程为L
x
，通过建立L
x
和L
y
两者的联系：并经过拟合获得a0，a1，a2为三个拟合系数；
[0028]其中，在可见光谱波段拟合得到一组拟合系数，在紫外光谱波段拟合得到另一组拟合系数；
[0029]然后，在获得每组拟合系数a0，a1，a2后，基于O4反演的在氧二聚体下的有效光程信息选择与有效光程信息所在波段对应的拟合系数，并利用该组拟合系数通过获得的L
y
即为痕量气体在对应波段的有效光程L
trace_gas
。
[0030]在一个实施例的步骤5，包括：
[0031]基于痕量气体的有效光程信息L
trace_gas
和痕量气体的光子路径AMF
trace_gas
，进而获得痕量气体的水平浓度信息C
trace_gas
：
[0032][0033]其中，SCD
trace_gas
为痕量气体的差分斜程总量，VCD
trace_gas
＝SCD
trace_gas
/dAMF
trace_gas
，表示痕量气体的水平总量；
[0034]其中，痕量气体的光子路径AMF
trace_gas
由辐射传输方程求解得到。
[0035]在一个实施例的步骤6，包括：
[0036]通过考虑痕量气体的相对剖面与O4相对剖面不同，基于修正因子f
corr
对痕量气体的水平浓度信息进行修正：
[0037][0038]其中，c
trace_gas
是痕量气体的水平浓度信息，而C
corr
是经过修正后的痕量气体的水平浓度信息，f
corr
为修正因子，基于假设痕量气体和气溶胶的不同廓线的辐射传输模拟获得，具体公式为：
[0039][0040]其中，c
retrieved
是痕量气体反演出的平均浓度，c
model
是输入到辐射传输方程里的先验廓线中的底层浓度，dSCD
model
为辐射传输方程反演获得的痕量气体的差分斜程总量。
[0041]在一个实施例的步骤7，包括：
[0042]首先，将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超光谱遥感的痕量气体水平分布探测交通污染源方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，获取通过超光谱遥感采集的可见
‑
紫外光谱波段的大气散射太阳光谱，并同时采集地表环境参数，包括环境温度和压力数据；步骤2，基于大气散射太阳光谱反演得到氧二聚体和痕量气体的差分斜程总量；步骤3，根据氧二聚体的差分斜程总量计算大气散射太阳光谱在氧二聚体的有效光程信息。步骤4，基于气溶胶光学特性信息和地表环境参数，通过辐射传输方程，将大气散射太阳光谱在氧二聚体的有效光程信息拓展到痕量气体，以得到痕量气体的有效光程信息和光子路径；步骤5，根据痕量气体的有效光程信息和光子路径，将痕量气体的差分斜程总量转化为可见
‑
紫外光谱波段上不同有效光程的痕量气体的水平浓度信息；步骤6，对痕量气体的水平浓度信息进行修正，以得到修正后的对痕量气体的水平浓度信息；步骤7，根据痕量气体的水平浓度信息和有效光程信息，反演获得观测方向上的痕量气体水平分布。2.根据权利要求1所述的基于超光谱遥感的痕量气体水平分布探测交通污染源方法，其特征在于，步骤1中，超光谱遥感针对交通污染源区域采集观测仰角为水平及不超过1
°
的低仰角下的大气散射太阳光谱。3.根据权利要求1所述的基于超光谱遥感的痕量气体水平分布探测交通污染源方法，其特征在于，步骤2，包括：首先，对采集的大气散射太阳光谱进行校正处理，以扣除暗电流和电子偏置的影响；然后，以基于天顶方向的观测光谱作为参考光谱，通过将采集的大气散射太阳光谱与参考光谱做差，并基于特征吸收的最小二乘法，可以实时反演得到不同波段的氧二聚体及痕量气体的差分斜程总量。4.根据权利要求1所述的基于超光谱遥感的痕量气体水平分布探测交通污染源方法，其特征在于，步骤3，包括：首先，根据氧二聚体和氧气含量的平方成比例的关系，通过氧气浓度推断氧二聚体的近似浓度的近似浓度的近似浓度其中，P表示大气压力，T表示大气温度，R为气体比常数，N
A
为阿伏伽德罗常数，C
air
表示大气浓度。然后，根据氧二聚体的近似浓度计算不同波段光谱采集的有效光程信息，相关公式为如下：
其中，L
eff
代表气体在氧二聚体的有效光程信息，代表O4的差分斜程总量，为对应高度上的O4的近似浓度值。5.根据权利要求1所述的基于超光谱遥感的痕量气体水平分布探测交通污染源方法，其特征在于，步骤4，包括：首先，将痕量气体先验廓线、气溶胶光学特性信息、温度压力廓线以及几何位置信息作为辐射传输方程的输入，求解可以获得目标波长下的光程L
y
与痕量气体的光子路径AMF
trace_gas
，痕量气体先验廓线是通过预先标准波长反演获得，其对应的光程为L
x
，通过建立L
x
和L
y
两者的联系：并经过拟...

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