产学研与科技创新

Industry-university-research and technological innovation

中国科学技术大学教授 刘诚

发布时间:

2024-04-07 14:53

环境污染和气候变化是全球共同面对的重大科学议题。超光谱(光谱分辨率小于0.5nm)卫星遥感是全面掌握污染/温室气体等痕量气体时空变化特征必不可少的手段。国产超光谱卫星遥感研究起步时间落后国外二十余年,导致国家重大活动空气质量保障高度长期依赖于国外超光谱卫星。为实现痕量气体遥感的自主可控,研究团队聚焦超光谱遥感领域积极开展科技创新,成功研发国产超光谱卫星技术、温室/污染气体地基垂直遥感技术与装备、米级靶向智能感知技术与装备,为推进降碳减污工作提供重要技术支撑。 

 

 

自主研发超光谱卫星技术

面向国家重大科技需求,研究团队开展了一系列研究,突破了发射后在轨超光谱定标技术、自适应反演迭代技术、太阳光子路径估算等一系列遥感关键技术,成功实现了国产超光谱卫星载荷大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)和碳卫星(Tansat)的多组分气体(二氧化氮、二氧化硫、甲醛、二氧化碳等)精准遥感。其卫星遥感结果已应用于解析新冠疫情防控对全球空气质量的影响、支撑国家重大活动空气质量保障、揭示室外甲醛导致的死亡风险等方面。

针对卫星遥感受云覆盖影响导致数据缺失的问题,研究团队以卫星遥感实测数据为基础,利用基于人工智能的多源数据融合技术研发了基于卫星遥感数据的人工智能重构技术,可获取公里级分辨率、空间全覆盖的污染气体遥感结果。该技术实现了对燃煤电厂、化工园区、道路交通等高排放目标的精准定位和动态监测,数据结果接入中国环境监测总站建立的国家大气环境智能感知平台并业务化应用。卫星遥感技术部分应用场景及分析结果如表1所示。

表1. 卫星遥感技术应用场景及结果

 

 

 

自主研发温室/污染气体地基垂直遥感技术与装备

地基超光谱垂直遥感是验证痕量气体卫星遥感准确性的国际通用方法,然而全球总碳柱网(TCCON)自建立之后十余年来都缺少中国站点。此背景下,研究团队致力于自主研发超光谱垂直遥感装备。

针对污染气体,研究团队研制了地基超光谱垂直遥感装备,进一步研发了多元梯度回归超光谱定标算法和解析Jacobian矩阵的反演算法,实现对O3及前体物垂直廓线的同步反演,仪器在南北极和青藏高原等环境下长期稳定运行超2年,可靠性和数据准确性通过极端环境检验。

对于温室气体,针对我国长期缺乏温室气体国际遥感标准站点现状,团队研发了高分辨傅里叶变换光谱仪(FTS)的光谱定标与反演算法,使合肥市高分辨率FTS的CO2和CH4探测精度分别达到99.85%和99.80%,满足了全球总碳柱网的质量要求,为验证国内外卫星对我国碳排放核算的准确性提供了国际认可的地基遥感数据。

 

 

研制米级靶向智能感知技术与装备

卫星遥感覆盖面积大,具有分析大气污染物时空分布优势,但无法直接获取设施尺度大气污染物排放信息。针对大气污染物和二氧化碳精准溯源需求,研究团队研发立体成像遥感技术,突破卫星遥感最高分辨率仅能达到公里级的局限性。该技术包括超光谱水平遥感,可获取大气污染物360度水平空间分布,定位高排放区域;超光谱垂直遥感,可获取0-4公里高度范围大气污染物垂直分布,阐明污染物高空传输规律;超光谱靶向遥感成像,可实现对高架污染源活性氮及多种VOCs的成像,在线监测排放通量。立体成像遥感技术已成为污染溯源的执法依据,受到生态环境部高度认可,数据结果被国家各级政府部门用于“降碳减污”实际工作。

立体成像遥感通过超光谱水平分布探测技术,获得小时-千米级分辨率近地面大气污染物浓度水平分布,识别高精度(百米级)排放热点;然后利用便携式超光谱成像技术,实现移动靶向成像,可快速排查城市尺度的重点排放源,针对重点排污口,实现了对苯系物、醛类、酮类和酯类等三十余种污染气体的实时靶向成像监测,并通过短信、微信等方式对超标排放进行实时预警。超光谱靶向成像遥感技术已在焦化企业和内蒙古工业园区得到应用(表2)。

表2. 超光谱靶向成像遥感技术应用情况 

 

为获取业园内不同工厂排放源的污染物排放情况,研究团队自主研发米级分辨率无人机遥感技术,在重点排放源聚集区内,精准定位具体高排放设施。该技术具有多种优势,能精细识别工业园内不同工厂的排放浓度,将高排放目标直接定位到具体的厂房和烟囱,明确污染排放责任;1小时以内完整扫描一个工业园区,支持在线、连续监测;无需飞临工厂上空,具有更强的安全性、隐蔽性。 

 

近年来,我国超光谱遥感技术研发取得重大进展,相关仪器和装备已应用于“降碳减污”实际工作。未来应持续开展科技创新,解决关键核心技术问题,追赶国际遥感观测先进水平,精准监测大气污染物和温室气体排放浓度,为实现“双碳”目标和美丽中国建设提供科学数据。  

 

- 参考资料 -

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刘诚, 面向降碳减污的超光谱精准遥感, 发布平台:清华大学碳中和研究院ICON,发布日期:2024-04-07



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