专利名称：大气黑碳浓度数字摄像观测方法
技术领域：
本发明涉及大气环境监测领域，尤其涉及一种基于数字摄像的大气黑碳浓度观测方法。
背景技术：
黑碳是燃料不完全燃烧的产物，它在可见到红外波段范围内对太阳辐射均有强烈的吸收。黑碳被认为是仅次于CO2的第二大的温室效应因子S对全球气候变化及区域热环境有重要的影响。对于不同来源的黑碳气溶胶，国内外学者主要通过含碳气溶胶分析仪，包括黑碳 仪、多角度光散射黑碳气溶胶分析仪、光声光谱仪、有机碳/元素碳分析仪等仪器，采用光学法、热光法或光声光谱法对黑碳气溶胶及其污染特征进行研究。早在上世纪八十年代，Hansen et al. 2发明了黑碳仪实时观测气溶胶的吸收。黑碳仪通过收集在石英滤膜上的大气颗粒物对光束的衰减作用计算气溶胶的吸收系数，具有时间分辨率高、便携等特点，可对气溶胶浓度进行实时观测，但价格比较昂贵。Ahmed et al. 3利用光学法和热光法对四种环境下的黑碳浓度进行了比较，分析结果显示这两种方法有较好的相关性。但热光分析法具有仪器价格昂贵，操作复杂，分析时间长等缺点。Park et al.4利用黑碳仪对三种不同环境下的黑碳浓度进行了实时测量，但黑碳仪数据会受光学阴影效应的影响，所有观测点的黑碳浓度与其对光的衰减不都是线性关系，需要对黑碳仪的数据进行修正。Chow et al.5利用三种不同程序的热法以及反射和透射两种光法观测黑碳浓度，其中透射法受样品沉积量的影响最严重。吴兑等6使用黑碳仪观测黑碳浓度与吸收系数，并与声光法和多向散射法进行了平行对比观测，结果表明黑碳仪与这两种方法有比较一致的趋势性变化。他同时指出黑碳仪存在观测误差，主要由于光线在滤膜中多次散射，造成衰减系数偏大引起浓度值偏高，需要进行修正。此外，国内不少学者用不同型号的黑碳仪对城市黑碳的浓度以及污染特征进行了研究，但由于不同来源、不同时间的黑碳吸收特性不同，其吸收系数也不同，而黑碳仪用固定的吸收系数应用到所有黑碳浓度的计算中，存在一定的误差。总得来讲，目前国内外对黑碳浓度的研究还受限于仪器成本高、操作复杂，检测精度较低。需要在以往研究的基础上，开发一套成本低、操作简便、分析时间短、检测精度较高的数字摄像方法观测大气中的黑碳浓度。
发明内容
本发明的目的是解决常规大气黑碳浓度观测成本高，操作复杂，分析时间长等问题，提供一种操作上更为简便，推广上更具适应性的，基于数字摄像技术的大气黑碳浓度观测方法。本发明的具体方法包括以下步骤
一、数字相机响应曲线的获得
数字相机拍摄相片时，不同的曝光量对应不同的像素值，这种对应可以被下式描述Ε=4 · PVy⑴
其中k和γ为与相机有关的常数，E是曝光量，即入射光辐照度H乘以光圈面积A乘以曝光时间T
E=H · A · T(2)
入射辐照度与辐射辉度即入射光强度I成正比，关系如下(Kolb et al. 1995) 7
M · (ii/4) · Φ/f) 2 · cos4 a(3)
D为光圈直径，/为镜头焦距，α为像素所在位置与镜头轴线所成的角度。结合方程(1)-(3),可以得到
I · A · T=k，· PVy(4)
因此，用固定光圈，不同曝光时间，拍摄稳定均匀光源照明的均匀白色漫反射表面，把所得到图像中间部分的平均像素值与相应的曝光时间在双对数坐标上进行线性拟合，即可得到Y。这样，在曝光时间和光圈都固定的情况下，来自景物的入射光强度与图像中景物所对应部分的像素值有如下关系
I=k，，.PVY(5)
数字相机的拍摄模式设置为“手动”模式。将其光圈设置为最小即F8. O。在良好白光照明条件下，寻找一个均匀白色漫反射表面。在距该表面O. 5米处，用数字相机在不同曝光时间设定下对该表面进行拍摄。然后把所获取的彩色相片转成灰度图像，并读出图像中间1/2面积的平均像素值。把所获得所有相片都进行上述处理，并绘出像素值的对数与曝光时间的对数的散点图，即In(像素值)vs. In(曝光时间)。对该散点图进行线性回归拟合，得到数字相机的响应曲线(如图I)。例如，用上述方法得到相机的响应曲线为ln(T)=f(ln(PV))，则In (E) =C+f (In(PV))0 A和B分别为数字相片上的两点，由于在相同的曝光时间和光圈大小条件下进行拍摄，A、B两点在相机感光元件中的曝光量与其相应的辐射强度成线性比例关系，则A、B两点之间的辐射强度之比可以用下式计算Na/Nb=Ea/EB=exp [f (In (PVa) ) -f (In (PVb))]。二.黑碳滤膜的拍摄
选用中流量采样器(TH-150C III )，以100L/min的流量，将大气中的PM2.5采集到石英滤膜(QFF，090mm)上。在黑暗条件下，将空白滤膜和负载颗粒物的滤膜分别置于一个均匀平板光源之上并应用数字相机对滤膜/光源平面呈90。方向进行拍摄，此外，在同样拍摄条件下对没有覆盖滤膜的光源也进行拍摄。相机拍摄模式为“手动”模式，光圈设置为最小即F8. 0，感光度ISO 100。设置曝光时间使对应滤膜和光源背景部分的像素值均在相机响应曲线范围之内，该步骤可以通过相机的曝光量查看功能实时查看像素值的分布。相机闪光灯关闭。应用相机的光学调焦功能把目标物放大到充满视野。相机镜头与光源距离约为20-30cm，如图 2。三.黑碳颗粒物负载量与浓度的确定
图2中从均匀平板光源发出的初始光强为Itl，透过空白滤膜的由相机接收到的光强为If，透过负载颗粒物滤膜并由相机接收到的光强为I，根据透光率的定义，有如下关系 Tf=If/I0=f(PV0, PVf)(6)
T=I/I0=f(PV0, PV)(7)TP=T/Tf=f (PV0, PV) /f (PV0, PVf)(8)
其中Tf、T、Tp分别为空白滤膜、负载颗粒物滤膜、颗粒物层的透光率屮％、PVf, PV分别为光源相片、空白滤膜相片、颗粒物滤膜相片的平均像素值。在图像处理软件(例如MatIab )中打开光源、空白滤膜、负载颗粒物滤膜的相片，分别选取图像中央一块矩形区域，要求所选取部分含有的像素数目大于200。根据相机的响应曲线由图像处理软件计算出所选区域的平均像素值，根据方程(8)计算黑碳颗粒物层的透光率。根据Hansen et al.8的研究，黑碳颗粒物层的消光ATN/透光率Tp (ATN=—IOOlnTp)与其负载量Lb。成一定比例关系
Lbc=C* · ATN= — 100C* · In (Tp)(9)
利用热光分析仪(Sunset Laboratories Model-4)分析得到滤膜上沉积的黑碳颗粒物负载量。通过分析在厦门采集的25个样品发现，当ATNS 150时，黑碳颗粒物负载量与其消光成线性关系
Lbc=O. 0086ATN — O. 2116= — O. 861n (Tp) — O. 2116(10)
当ATN ^ 200时，黑碳颗粒物负载量与其消光成指数关系
Lbc=O. 0745exp (O. 02ATN) =0. 0745 (Tp)(11)
当150 < ATN < 200，将公式(10)和公式(11)的平均值，作为黑碳颗粒物的负载量。经验证，此公式适用于厦门地区，其他地区颗粒物层消光与其负载量也呈现相同趋势。若将此方法应用到其他地区，只需对公式中比例关系数值进行重新标定。利用标定结果，再结合滤膜上颗粒物的沉积面积A cm2，采样流量Q L/min以及采样时间t hr,即可计算大气中黑碳的浓度CBC； μ g/m3
Cbc=Lbc-A/(Q-T)(12)
图I为数字相机标定曲线，横坐标为各种曝光时间条件下拍摄的相片平均像素值的对数，纵坐标为该相片被拍摄时的曝光时间的对数。图2为均匀平板光源分别照射空白滤膜与负载颗粒物的滤膜，相机镜头与滤膜的距离约为20-30cm，来自均匀平板光源的初始光强为Itl，透过空白滤膜由相机接收到的光强为If，透过负载颗粒物滤膜并由相机接收到的光强为I。
具体实施例方式为更好的理解本发明，下面通过具体实施来作进一步说明。例如，应用数字摄像方法对一张采样时间为8hr的滤膜进行拍摄，利用Matlab软件分析相片平均像素值，应用公式(8) TP=T/Tf=f (PV0, PV) /f (PV0, PVf)得到该滤膜上黑碳颗粒物层的ATN为61. 8，应用公式(10) Lbc=O. 0086ATN — O. 2116得到该滤膜上的黑碳负载量为O. 3199yg/cm2 ;此滤膜采样时的流量为100L/min，滤膜上颗粒物的沉积面积为50. 24cm2,因此，根据公式(12) Cbc=Lbc · A/(Q · T)，计算采样时间段内大气中黑碳的平均浓度为O. 3348 μ g/m3。同理，对另一张采样时间为36hr，ATN为173. 5的滤膜，取公式(10)Lbc=O. 0086ATN - O. 2116 和公式(II)Lbc=O. 0745exp (O. 02ATN) =0. 0745 (Tp) 得到 Lbc 的平均值I. 8373 μ g/cm2作为此滤膜黑碳颗粒物的负载量，则Cbc=Lbc · A/ (Q · T) =0. 4273 μ g/m3。数字摄像方法定量颗粒物层透光率Tp的精度决定了此方法观测大气黑碳浓度Cbc的精度。基于数字摄像方法观测Tp的精度为3. 5%，根据颗粒物负载量与颗粒物层透光率的关系得到，dLBC= - (100/ΤΡ) · O. 0086 · dTp。对于颗粒物透光率为50%的滤膜，数字摄像方法观测其黑碳负载量的精度为O. 06 μ g/cm2。对于采样时间为8hr，采样流量100L/min的滤膜，应用数字摄像方法监测大气中黑碳浓度的精度可达到O. 06 μ g/m3。根据方法检测限的公式MDL= (Student，t-value) · standard deviation (USEPA40 CFR 136)9，基于数字摄像方法得到的ATN的下限为9.1，该方法相应能观测到的颗粒物负载量的下限为O. 08 μ g/cm2。数字摄像方法定量ATN的精度随ATN的增长而降 低，因此当ATN超过一定值时会产生很大误差。将相对误差控制在15%之内时，ATN的上限为248，相应可以观测到的颗粒物负载量的上限为10. 6 μ g/cm2。最低、最高检测限可以用来估算某一地区的采样时间范围。例如，北京冬季大气中黑碳的浓度在9 μ g/cm3左右，根据数字摄像方法定量黑碳颗粒物负载量的下限O. 08 μ g/cm2,上限10. 6 μ g/cm2，可以计算出北京地区的采样时间范围在5min-600min,使用户可以选择合理的采样时间。参考文献
1.Ramanathan, V. ; Carmichael, G. , Global and regional climate changes dueto black carbon. Nature 2008, I, 221-227.
2.Hansen, A. D. A. ; Rosen, H. , Real-time measurement of the absorptioncoefficient of aerosol particles. Applied Optics 1982, 21, 3060-3062.
3.Ahmed, T. ; Dutkiewicz, V. A. , Measurement of BC by an optical method anda thermal-optical method: Intercomparion for four sites. Atmosphere Environment2009， 43, 6305-6311.
4.Park, S. S. ; Anthony D, A. , Hansen, Measurement of real time blackcarbon for investigating spot loading effects of Aethalometer data. AtmosphereEnvironment 2010, 44, 1449-1455.
5.Chow, J. C. ; Watson, J. G. , Comparison of PM2 5 carbon measurement methodsin Hong Kong, China. Environmental pollution 2005, 334-344.
6.吴兑；毛节泰，珠江三角洲黑碳气溶胶及其辐射特性的观测研究.中国科学D辑地球科学2009，39，1542 1553.
7.Kolb, C. ; Mitchell, D. ; Hanrahanj P. In A Realistic Camera Model forComputer Graphics, SIGGRAPH’ 95， 1995.
8.Hansen, A. D. A. ; Rosen, H.， The Aethalometer - An Instrument forthe Real - Time Measurement of Optical Absorption By Aerosol Particles. TheScience of the Total Environment 1984， 36， 191-196.
9.Definitionand Procedure for the Determination of the Method DetectionLimit. Code of Federal Regulations, Part 136， App. B， Title 40.
权利要求
1.大气黑碳浓度数字摄像观测方法，其特征在于通过数字摄像技术获得石英滤膜上黑碳颗粒物层的消光，利用滤膜上黑碳颗粒物负载量与其消光特性的关系，定量滤膜上黑碳的负载量，再结合采样条件得到大气中的黑碳浓度。
2.该方法包括以下处理流程 A.数字相机的标定 数字相机的拍摄模式设置为“手动”模式，光圈设置为最小即F8. O ;在良好白光照明条件下，用数字相机在不同曝光时间设定下对一个均匀白色漫反射表面进行拍摄；然后将所获得的所有彩色相片转成灰度图像，并读出图像中间部分的平均像素值；绘出像素值对数与曝光时间对数的散点图；对该散点图进行线性拟合，得到数字相机的响应曲线。
3.B.滤 旲的拍摄 将大气中的ΡΜ2.5采集到石英滤膜上，在黑暗条件下，将空白滤膜和负载颗粒物的滤膜先后置于一个均匀平板光源之上，并应用数字相机分别对光源、空白滤膜和负载颗粒物的滤膜进行拍摄。
4.相机拍摄模式为“手动”模式，光圈设置为最小即F8.0，感光度ISO100，相机闪光灯关闭。
5.相机镜头与光源距离约为20-30cm，应用相机的光学调焦功能把目标物放大到充满视野。
6.设置曝光时间使对应滤膜和光源背景部分的像素值均在相机响应曲线范围之内。
7.C.黑碳负载量与其消光关系的定量 利用图像处理软件得到光源、空白滤膜、颗粒物滤膜相片的平均像素值，根据步骤A.中的相机响应曲线计算黑碳颗粒物层的消光。
8.利用热光分析仪获得颗粒物滤膜上的黑碳负载量。
9.定量黑碳颗粒物负载量与其消光的关系方程。
10.D.大气黑碳浓度的计算 由数字摄像方法得到滤膜黑碳颗粒物层的消光，根据步骤C.中黑碳颗粒物负载量与其消光的关系方程，获得滤膜上黑碳颗粒物的负载量，再结合采样时的流量、采样时间、滤膜上颗粒物的沉积面积，计算出大气中的黑碳浓度。
全文摘要
本发明“大气黑碳浓度数字摄像方法”提供了一种基于数字摄像技术的大气黑碳浓度观测方法。该方法从大气黑碳对光的衰减特性出发，将大气中的黑碳颗粒物采集到石英滤膜上，利用数字摄像技术得到黑碳颗粒物层的消光，再根据黑碳颗粒物层的消光与其负载量的比例关系来确定滤膜上的黑碳负载量，最后根据采样流量、采样时间以及滤膜上黑碳颗粒物的沉积面积，计算出大气中的黑碳浓度。该方法成本低，操作简便，具有分析时间短，检测精度高等特点。
文档编号G01N21/59GK102721671SQ20111007873
公开日2012年10月10日 申请日期2011年3月30日 优先权日2011年3月30日
发明者杜可, 王杨 申请人:中国科学院城市环境研究所