基于卫星超光谱遥感的臭氧控制类型识别方法及电子设备

1.本发明属于空气质量遥感监测技术领域，更具体地，涉及一种基于卫星超光谱遥感的臭氧控制类型识别方法及电子设备。


背景技术：

2.在对流层里存在的臭氧属于一种对生物有害的污染物，是光化学烟雾的组成部分之一。许多涉及化学能量快速转化的人类活动，如内燃机开动和复印机工作等，都会产生臭氧，臭氧是一种强氧化剂，容易与其他化学物质反应生成许多有毒的氧化物，危害人类健康。因此，对流层臭氧浓度与生产活动以及人民的身体健康有着紧密联系。
3.对流层臭氧主要来自光化学反应—当混合着各种氮的氧化物(nox)、一氧化碳(co)和挥发性有机化合物(vocs，如甲醛-hcho)的空气在受到日光照射时，便会产生臭氧。氮氧化物和挥发性有机物因此被称为“臭氧前体”(ozone precursors)。汽车尾气、工业废气和化学有机溶剂是“臭氧前体”的主要人为排放源。尽管这些排放源大都集中在城市中，但一些物质(如氮氧化物)可以借助风力扩散到数百千米之外的人口稀疏区，在那里形成臭氧源。
4.如今已经可以利用人造卫星测量对流层各种大气污染物的垂直柱(垂直大气柱)浓度。卫星观测能够实现大范围多种气体浓度的观测，便于广域分析多种气体浓度关系以及对于污染物的控制。
5.目前现有的对于对流层臭氧浓度的控制方法主要为控制高浓度对流层臭氧点源，但受到臭氧光化学反应的影响，对于对流层臭氧点源的控制并不能有效地实现对于目标地区对流层臭氧浓度的降低，甚至会得到相反的效果。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提出一种基于卫星超光谱遥感的臭氧控制类型识别方法及电子设备，实现大范围测定各地的臭氧对于其两种前体物vocs与no
x
的敏感性分析，并得到各地对流层臭氧浓度受到何种前提物的主要影响。
7.为实现上述目的，本发明提出了一种基于卫星超光谱遥感的臭氧控制类型识别方法，包括：
8.基于卫星返回的大气光谱遥感数据，获取目标区域在研究时间阶段内各目标气体的对流层垂直柱浓度数据，所述目标气体包括co、o3、hcho和no2；
9.将各目标气体的像元规整到所述目标区域的等经纬度网格上，获得各目标气体在所述等经纬度网格上各经纬度格点中对应的对流层气体垂直柱浓度；
10.获取所述目标区域内的可用像元，计算所有可用像元的每种目标气体的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值；
11.基于co、o3和hcho的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值数据，计算所有可用像元的hcho二次源的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值，所述hcho二次源为对流层甲醛属
于光化学反应生成的垂直柱浓度；
12.对hcho二次源、no2的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值进行归一化处理，得到对应的标准值；
13.基于o3的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值、hcho二次源的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值及其标准值以及no2的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值及其标准值，获得vocs控制区阈值和no
x
控制区阈值；
14.基于所述vocs控制区阈值和所述no
x
控制区阈值，划分所述目标区域内各经纬度格点的对流层臭氧控制类型。
15.可选地，所述将各目标气体的像元规整到所述目标区域的等经纬度网格上，包括：
16.将卫星原始像元平面上任意相邻的两个像元的经纬度以及各目标气体的垂直柱浓度进行线性插值，得到衍生像元；
17.将衍生像元与原始像元划分到对应的经纬度格点上；
18.对每个经纬度格点中的各目标气体像元的垂直柱浓度做平均，得到各经纬度格点上的各目标气体的垂直柱浓度值。
19.可选地，所述对每个经纬度格点中的各目标气体像元的垂直柱浓度做平均，通过以下公式实现：
[0020][0021]
其中，vi表示线性插值后在卫星原始像元平面上需进行处理的第i个像元上对应目标气体的对流层气体垂直柱浓度，loni，lati为第i个像元的经纬度，v
lin，lat
为等经纬度网格上对应经纬度格点中对应目标气体的对流层垂直柱浓度,lon、lat为第i个像元的经纬度，grid为经纬度格点之间相差的度数。
[0022]
可选地，所述获取所述目标区域内的可用像元包括：
[0023]
依照卫星返回的所述目标区域内的各像元的云量信息，去除云量大于0.5的像元，将剩余的像元作为所述可用像元。
[0024]
可选地，所述计算所有可用像元的每种目标气体的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值，通过以下公式实现：
[0025][0026]
其中，v
x,i
为目标气体的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值，x代表o3、hcho二次源或no2，i代表所述设定时间段中的第i天，{region}为所述目标区域内所有等经纬度格点的集合，n为{region}内的经纬度格点个数，lon、lat为单个经纬度格点的经纬度，v
x,i,lon,lat
为目标气体在单个经纬度格点中第i天的对流层气体垂直柱浓度。
[0027]
可选地，所述计算所有可用像元hcho二次源的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值，通过以下多元多项式拟合运算实现：
[0028]vhcho
＝(1(v
co
)1…
(v
co
)n)a+(1(v
o3
)1…
(v
o3
)n)b+e
[0029][0030]
其中v
p,hcho
为hcho二次源的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值，v
hcho
为对流层甲醛总垂直柱浓度的每日空间平均值，v
co
、v
o3
分别为co与o3的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值，分别为v
co
、v
o3
的多项式系数(n《5)，e代表拟合残差。
[0031]
可选地，所述对hcho二次源、no2的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值进行归一化处理，通过以下公式实现：
[0032]vx,i,nor
＝v
x,i
/v
x,ref
[0033]vx,ref
由以下公式得到：
[0034][0035]
其中，v
x,i
为目标气体x的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值，x为hcho二次源或no2，v
x,i,nor
为v
x,i
的归一化标准值，v
x,ref
为目标气体x的对流层垂直柱浓度的日参考值，d为所述研究时间阶段的总天数。
[0036]
可选地，获得所述vocs控制区阈值和所述no
x
控制区阈值的方法包括：
[0037]
将同一天的hcho二次源的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值与no2的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值的比值作为标记；
[0038]
从数据元中选取满足所述标记小于第一参可变参考值的所有数据作为第一数据集，所述数据元包括所述目标区域在所述研究时间阶段内每天的o3的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值、hcho二次源的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值及其标准值以及no2的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值及其标准值；
[0039]
线性拟合所述第一数据集下o3的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值对于hcho二次源的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值的标准值的第一斜率，以及o3的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值与no2的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值的标准值的第二斜率，获取使所述第一斜率与所述第二斜率相等时对应的第一可变参考值，将此时的第一可变参考值作为所述vocs控制区阈值；
[0040]
从数据元中选取满足所述标记小于第二参可变考值的所有数据作为第二数据集；
[0041]
线性拟合所述第二数据集下o3的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值对于hcho二次源的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值的标准值的第三斜率，以及o3的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值与no2的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值的标准值的第四斜率，获取使所述第三斜率与所述第四斜率相等时对应的第二可变参考值，将此时的第二可变参考值作为所述no
x
控制区阈值。
[0042]
可选地，所述基于所述vocs控制区阈值和所述no
x
控制区阈值，划分所述目标区域内各经纬度格点的对流层臭氧控制类型，包括：
[0043]
计算所述目标区域内各经纬度格点中的hcho二次源的对流层垂直柱浓度与no2的
对流层垂直柱浓度的比值；
[0044]
将比值小于所述vocs控制区阈值的经纬度格点的臭氧控制类型划分为vocs控制类型；
[0045]
将比值大于所述no
x
控制区阈值的经纬度格点的臭氧控制类型划分为no
x
控制类型；
[0046]
将比值大于所述vocs控制区阈值且小于所述no
x
控制区阈值的经纬度格点的臭氧控制类型划分为过渡控制类型。
[0047]
本发明还提出一种电子设备，所述电子设备包括：
[0048]
至少一个处理器；以及，
[0049]
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
[0050]
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行以上所述的臭氧控制类型识别方法。
[0051]
本发明的有益效果在于：
[0052]
本发明首先获取目标区域在研究时间阶段内各目标气体co、o3、hcho、no2的对流层垂直柱浓度数据，然后获得各目标气体在等经纬度网格上各经纬度格点中对应的对流层气体垂直柱浓度，并计算所有可用像元的每种目标气体的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值，之后计算出所有可用像元的hcho二次源的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值，再基于o3的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值、hcho二次源的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值及其标准值以及no2的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值及其标准值，获得vocs控制区阈值和no
x
控制区阈值，最后基于vocs控制区阈值和no
x
控制区阈值，划分目标区域内各经纬度格点的对流层臭氧控制类型，从而了实现一种适用于卫星的，能够大范围测定各地的臭氧对于其两种前体物vocs与no
x
的敏感性的分析方法，能够明确研究区域内各地点对流层臭氧浓度受到何种前体物的主要影响，确定不同地点臭氧浓度的主要前体物之后，从而能够有针对性的控制不同区域的臭氧浓度。
[0053]
本发明的系统具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
[0054]
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0055]
图1示出了根据本发明的一种基于卫星超光谱遥感的臭氧控制类型识别方法的步骤图。
[0056]
图2示出了根据本发明实施例1的一种基于卫星超光谱遥感的臭氧控制类型识别方法中对同一目标区域不同阶段的臭氧控制类型分布图。
具体实施方式
[0057]
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，
然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0058]
实施例1
[0059]
图1示出了根据本发明的一种基于卫星超光谱遥感的臭氧控制类型识别方法的步骤图。
[0060]
如图1所示，一种基于卫星超光谱遥感的臭氧控制类型识别方法，包括：
[0061]
步骤s101：基于卫星返回的大气光谱遥感数据，获取目标区域在研究时间阶段内各目标气体的对流层垂直柱浓度数据，目标气体包括co、o3、hcho和no2；
[0062]
具体地，通过获取卫星返回的各种气体二级产品，得到各类气体对流层垂直柱浓度。
[0063]
步骤s102：将各目标气体的像元规整到目标区域的等经纬度网格上，获得各目标气体在等经纬度网格上各经纬度格点中对应的对流层气体垂直柱浓度；
[0064]
本步骤中，将各目标气体的像元规整到目标区域的等经纬度网格上，包括：
[0065]
将卫星原始像元平面上任意相邻的两个像元的经纬度以及各目标气体的垂直柱浓度进行线性插值，得到衍生像元；
[0066]
将衍生像元与原始像元划分到对应的经纬度格点上；
[0067]
对每个经纬度格点中的各目标气体像元的垂直柱浓度做平均，得到各经纬度格点上的各目标气体的垂直柱浓度值。
[0068]
具体地，数据分析过程中，需要使用多种气体数据，而卫星返回的每种气体产品的像元位置各不相同。为保证后续过程的准确性，需将各种气体的像元规整到等经纬度网格上，此处使用采样法进行处理：
[0069]
卫星原始像元平面有两个维度x^'，y^'，对应卫星仪器ccd方向以及卫星行进方向，将该平面上任意相邻的两个像元的经纬度以及气体浓度进行线性插值，得到衍生像元。将衍生像元与原始像元划分到其所对应的经纬度格点上，对每个经纬度格点中的像元的气体浓度做平均，得到各经纬度格点上的气体浓度值。
[0070]
上述过程中，对每个经纬度格点中的各目标气体像元的垂直柱浓度做平均，通过以下公式实现：
[0071][0072]
其中，vi表示线性插值后在卫星原始像元平面上需进行处理的第i个像元上对应目标气体的对流层气体垂直柱浓度，loni，lati为第i个像元的经纬度，v
lon，lat
为等经纬度网格上对应经纬度格点中对应目标气体的对流层垂直柱浓度,lon、lat为第i个像元的经纬度，grid为经纬度格点之间相差的度数。
[0073]
步骤s103：获取目标区域内的可用像元，计算所有可用像元的每种目标气体的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值；
[0074]
具体地，由于云层会严重影响痕量气体反演的精确度，这会使对于臭氧的敏感性分析受到影响，因此需要去除云量影响的不可用像元。本步骤中，获取目标区域内的可用像
元的方法包括：
[0075]
依照卫星返回的目标区域内的各像元的云量信息，去除云量大于0.5的像元，将剩余的像元作为可用像元。
[0076]
在得到可用像元之后，选取目标区域，将目标区域内的所有可用像元的o3、hcho二次源、no2对流层垂直柱浓度做平均，并按日划分为v
x,i
。
[0077]
本步骤中，计算所有可用像元的每种目标气体的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值，可以通过以下公式实现：
[0078][0079]
其中，v
x,i
为目标气体的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值，x代表o3、hcho二次源或no2，i代表设定时间段中的第i天，{region}为目标区域内所有等经纬度格点的集合，n为{region}内的经纬度格点个数，lon、lat为单个经纬度格点的经纬度，v
x,i,lon,lat
为目标气体在单个经纬度格点中第i天的对流层气体垂直柱浓度。
[0080]
步骤s104：基于co、o3和hcho的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值数据，计算所有可用像元的hcho二次源的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值，hcho二次源为对流层甲醛属于光化学反应生成的垂直柱浓度；
[0081]
具体地，由于光化学反应，大气中的voc与no
x
会逐渐生成o3，故作为voc浓度指示物的hcho的浓度与o3浓度存在关系。同时hcho也会在各类生物质的不完全燃烧过程中生成，而该过程会生成co，故hcho浓度同时与co浓度存在关系。大气中的hcho浓度可用下式表示：
[0082]vhcho-v
back
＝f(v
o3
,v
co
)
[0083]
其中，v
hcho
为大气中的hcho浓度，v
back
为大气hcho背景浓度值，v
o3
、v
co
分别为大气中的o3浓度和co浓度。
[0084]
可以将某地多日的hcho、o3、co浓度作为数据元，并使用高阶多项式进行拟合，通过多元多项式拟合解析甲醛各类来源占比，以建立hcho、o3、co三者之间关系，并确定对流层甲醛属于光化学反应生成的垂直柱浓度，即hcho二次源的垂直柱浓度。
[0085]
具体通过以下多元多项式拟合运算实现：
[0086]vhcho
＝(1(v
co
)1…
(v
co
)n)a+(1(v
o3
)1…
(v
o3
)n)b+e
[0087][0088]
其中v
p,hcho
为hcho二次源的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值，v
hcho
为对流层甲醛总垂直柱浓度的每日空间平均值，v
co
、v
o3
分别为co与o3的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值，分别为v
co
、v
o3
的多项式系数(n《5)，e代表拟合残差。
[0089]
步骤s105：对hcho二次源、no2的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值进行归一化处理，得到对应的标准值；
[0090]
具体地，由于hcho二次源、no2在环境中的浓度的绝对值不同，为便于后续数据处
理，需要对hcho二次源、no2的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值进行归一化处理，归一化处理，通过以下公式实现：
[0091]vx,i,nor
＝v
x,i
/v
x,ref
[0092]vx,ref
由以下公式得到：
[0093][0094]
其中，v
x,i
为目标气体x的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值，x为hcho二次源或no2，v
x,i,nor
为v
x,i
的归一化标准值，v
x,ref
为目标气体x的对流层垂直柱浓度的日参考值，d为研究时间阶段的总天数。
[0095]
步骤s106：基于o3的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值、hcho二次源的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值及其标准值以及no2的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值及其标准值，获得vocs控制区阈值和no
x
控制区阈值；
[0096]
本步骤的具体过程如下：
[0097]
将同一天的hcho二次源的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值与no2的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值的比值作为标记；
[0098]
从数据元中选取满足标记小于第一参可变参考值的所有数据作为第一数据集，数据元包括目标区域在研究时间阶段内每天的o3的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值、hcho二次源的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值及其标准值以及no2的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值及其标准值；
[0099]
线性拟合第一数据集下o3的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值对于hcho二次源的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值的标准值的第一斜率，以及o3的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值与no2的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值的标准值的第二斜率，获取使第一斜率与第二斜率相等时对应的第一可变参考值，将此时的第一可变参考值作为vocs控制区阈值；
[0100]
从数据元中选取满足标记小于第二参可变考值的所有数据作为第二数据集；
[0101]
线性拟合第二数据集下o3的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值对于hcho二次源的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值的标准值的第三斜率，以及o3的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值与no2的对流层垂直柱浓度的每日空间平均值的标准值的第四斜率，获取使第三斜率与第四斜率相等时对应的第二可变参考值，将此时的第二可变参考值作为no
x
控制区阈值。
[0102]
举例而言，将v
hcho，i
/v
no2，i
的值作为一个标记，将标记小于某个值m1(第一可变参考值)的所有数据元取出作为第一数据集，数据元包括研究时间阶段内每日的v
hcho
、v
no2
、v
o3
、v
hcho,nor
和v
no2,nor
；
[0103]
然后，线性拟合该数据集下v
o3
对于v
hcho,nor
的斜率(s1)与v
o3
对于v
no2,nor
的斜率(s2)，即，对第一数据集中的(v
o3
，v
hcho
,
nor
)点集和(v
o3
，v
no2,nor
)点集分别进行线性拟合，获得对应的两个一次函数，在拟合过程中，通过调整m1的值可以调整相应的斜率，当s1＝s2时，m1即为vocs控制区的阈值(t1)。
[0104]
采用类似的方法，取标记大于某个值m2(第二可变参考值)的所有数据元取出作为第二数据集，线性拟合该数据集下v
o3
对于v
hcho,nor
的斜率(s3)与v
o3
对于v
no2,nor
的斜率(s4)，
当s3＝s4时，m2即为no
x
控制区的阈值(t2)。
[0105]
步骤s107：基于vocs控制区阈值和no
x
控制区阈值，划分目标区域内各经纬度格点的对流层臭氧控制类型。
[0106]
本步骤具体包括：
[0107]
计算目标区域内各经纬度格点中的hcho二次源的对流层垂直柱浓度与no2的对流层垂直柱浓度的比值；
[0108]
将比值小于voc控制区阈值的经纬度格点的臭氧控制类型划分为vocs控制类型；
[0109]
将比值大于no
x
控制区阈值的经纬度格点的臭氧控制类型划分为no
x
控制类型；
[0110]
将比值大于voc控制区阈值且小于no
x
控制区阈值的经纬度格点的臭氧控制类型划分为过渡控制类型。
[0111]
举例而言，利用得到的阈值t1与t2，划分各地的对流层臭氧控制类型。若格点的v
hcho
/v
no2
小于t1,则该格点为voc控制类型。若格点的v
hcho
/v
no2
大于t1，则该格点为no
x
控制类型。若格点的v
hcho
/v
no2
大于t1且小于t2，则该格点为过渡控制类型。
[0112]
图2示出了应用本实施例的臭氧控制类型识别方法对某地区进行不同阶段的臭氧控制类型识别的结果，其中，左侧为2020年10月14日至28日期间目标监测地区的臭氧控制类型空间分布图，中间为2020年10月29日至11月11日期间目标监测地区的臭氧控制类型空间分布图，右侧为2020年11月12日至30日期间目标监测地区的臭氧控制类型空间分布图。图中横坐标为经度，纵坐标为纬度，ratio为hcho二次源对流层垂直柱浓度与no2对流层垂直柱浓度的比值，vocs控制区阈值t1为1.0，no
x
控制区阈值t2为2.0，可以从图中准确的得到各经纬度格点对应的臭氧控制类型。
[0113]
本实施例的基于卫星超光谱遥感的臭氧控制类型识别方法，通过超光谱遥感卫星大范围解析分类各地臭氧控制类型，能够明确各地主要臭氧前体物，进而科学有效地控制臭氧浓度。
[0114]
实施例2
[0115]
本实施例提出一种电子设备，电子设备包括：
[0116]
至少一个处理器；以及，
[0117]
与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
[0118]
存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行以上实施例1的臭氧控制类型识别方法。
[0119]
根据本公开实施例的电子设备包括存储器和处理器，该存储器用于存储非暂时性计算机可读指令。具体地，存储器可以包括一个或多个计算机程序产品，该计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。该易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(ram)和/或高速缓冲存储器(cache)等。该非易失性存储器例如可以包括只读存储器(rom)、硬盘、闪存等。
[0120]
该处理器可以是中央处理单元(cpu)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其它形式的处理单元，并且可以控制电子设备中的其它组件以执行期望的功能。在本公开的一个实施例中，该处理器用于运行该存储器中存储的该计算机可读指令。
[0121]
本领域技术人员应能理解，为了解决如何获得良好用户体验效果的技术问题，本实施例中也可以包括诸如通信总线、接口等公知的结构，这些公知的结构也应包含在本公
开的保护范围之内。
[0122]
有关本实施例的详细说明可以参考前述各实施例中的相应说明，在此不再赘述。
[0123]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。