成像差分吸收光譜技術(shù)的軟件研發(fā)與數(shù)據(jù)反演

曹子昊,曾議,魯曉峰,廖捷,楊東上,常振,司福祺,奚亮

(1合肥學(xué)院生物食品與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥 230601;2中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031;3中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥 230026)

0 引 言

近年來,隨著我國工業(yè)化程度的提升及城市化進(jìn)程的加快,大氣污染物的排放量也在不斷地增多,這種人為排放源加劇了環(huán)境污染,極大地影響了人們的正常生活。因此需要重視大氣環(huán)境現(xiàn)狀并分析影響大氣質(zhì)量的各種因素,實(shí)現(xiàn)對大氣污染物的監(jiān)測,以便有效地控制及治理。

污染氣體的濃度分布及污染源排放情況是近些年來大氣環(huán)境監(jiān)測研究的重點(diǎn)。差分吸收光譜(DOAS)技術(shù)通過遙感的方式得到目標(biāo)區(qū)域的光譜信息,利用大氣中的氣體分子對光在不同波段的特征吸收以實(shí)現(xiàn)氣體定性及定量測量[1],因其具有易于操作、價(jià)格低廉、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),越來越廣泛地應(yīng)用到大氣環(huán)境監(jiān)測中。成像差分吸收光譜(IDOAS)技術(shù)是DOAS技術(shù)與成像光譜技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的,利用成像技術(shù)可以直接獲取目標(biāo)區(qū)域的空間分布信息[2-4],進(jìn)而分析得到目標(biāo)區(qū)域的分布特征及輪廓形狀。此外,將目標(biāo)區(qū)域的輻照按照波長分解可以得到目標(biāo)區(qū)域任一點(diǎn)的光譜數(shù)據(jù),結(jié)合DOAS算法進(jìn)行反演即可獲得痕量氣體的濃度信息,進(jìn)一步得到痕量氣體濃度的二維分布圖。

在國外,德國海德堡大學(xué)使用IDOAS技術(shù)對墨西哥火山煙羽中的SO2、BrO和OClO進(jìn)行了二維成像觀測[5];美國加利福尼亞大學(xué)使用IDOAS技術(shù)對休斯頓加爾維斯頓區(qū)污染排放產(chǎn)生的HCHO和SO2進(jìn)行了觀測研究[6];德國不來梅大學(xué)環(huán)境物理研究所開展機(jī)載IDOAS實(shí)驗(yàn)并獲得區(qū)域NO2的分布情況[7]。在國內(nèi),IDOAS技術(shù)的研究也取得了一定進(jìn)展,劉進(jìn)等[8]利用IDOAS技術(shù)在機(jī)載和地基平臺都對污染氣體的二維分布進(jìn)行了相關(guān)的研究;Cheng等[9]用IDOAS技術(shù)監(jiān)測了船舶污染源的排放情況,得到了NO2二維分布情況。

本文首先介紹了地基IDOAS工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成,著重研究了數(shù)據(jù)反演中所使用的軟件工具(QDoas),解析其代碼構(gòu)成及框架功能,為實(shí)現(xiàn)更高效更靈活的氣體探測,完成了反演軟件的改進(jìn)工作,以滿足個(gè)性化的數(shù)據(jù)處理要求。該軟件成功在Windows系統(tǒng)上編譯運(yùn)行,為數(shù)據(jù)反演提供了更快速和精準(zhǔn)的工具。研究地基IDOAS數(shù)據(jù)反演方法,使用新研發(fā)的軟件在銅陵富鑫鋼鐵廠開展實(shí)驗(yàn),成功反演得到煙囪出口附近的SO2及NO2的二維濃度分布圖。

1 測量原理

1.1 IDOAS工作原理

圖1為IDOAS的原理示意圖。該技術(shù)采用面陣CCD記錄目標(biāo)區(qū)域每個(gè)像元的高分辨率光譜信息,包括光譜維和空間維信息。工作方式為幀轉(zhuǎn)移,其優(yōu)點(diǎn)是感光面的利用率和分辨率高,廣泛地應(yīng)用于成像光譜儀。將目標(biāo)區(qū)域按列劃分,以每列為單位對目標(biāo)區(qū)域掃描,通過角度的轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的整體掃描[10]。對收集到的光譜信息進(jìn)行反演得到多組氣體濃度值,將得到的氣體濃度值與面陣CCD每個(gè)像元利用空間分布信息進(jìn)行精準(zhǔn)匹配,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)氣體的二維分布成像[11,12]。該技術(shù)可同時(shí)測量多種痕量氣體。

圖1 IDOAS原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of IDOAS principle

1.2 儀器與掃描測量

基于以上原理,成功搭建地基IDOAS掃描系統(tǒng),該系統(tǒng)主要包括二維轉(zhuǎn)臺、紫外鏡頭、高光譜成像光譜儀、控制與采集系統(tǒng)等[3],如圖2所示。太陽散射光經(jīng)紫外鏡頭匯集進(jìn)入成像光譜儀的入射狹縫,經(jīng)過反射后成像到面陣CCD上。面陣CCD的空間維像素為512 pixel,光譜維像素為2048 pixel,即每次測量可以得到A1-A2縱列方向上的512條具有2048 pixel的光譜。通過轉(zhuǎn)動二維轉(zhuǎn)臺電機(jī),以推掃的方式從圖2中A1-A2至B1-B2的方向進(jìn)行掃描,得到目標(biāo)區(qū)域的光譜信息及空間信息,可以實(shí)現(xiàn)方位角從0°～360°,俯仰角從0°～90°的掃描[13]。測量過程中選擇目標(biāo)區(qū)域中視場范圍內(nèi)沒有污染物且能見度高的區(qū)域的測量光譜作為參考光譜,用以后續(xù)的數(shù)據(jù)反演。圖3為地基IDOAS掃描系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖2 地基IDOAS掃描系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of ground-based IDOAS scanning system

圖3 地基IDOAS掃描系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.3 Physical map of the ground-based IDOAS scanning system

2 數(shù)據(jù)反演及軟件研發(fā)

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用面陣CCD在每次成像時(shí)可以同時(shí)獲得空間維和光譜維的信息,針對空間維上的每個(gè)點(diǎn)使用QDoas軟件反演,得到該點(diǎn)的污染氣體濃度信息。推掃成像后,可獲取掃描區(qū)域內(nèi)的污染氣體濃度信息。

因此,為適應(yīng)QDoas反演,提取空間維每個(gè)點(diǎn)在時(shí)間維上的所有光譜組成一個(gè)文件,然后利用該文件進(jìn)行反演,得到該空間維點(diǎn)在時(shí)間維上的變化信息。IDOAS每次成像獲取的文件為像素值數(shù)據(jù)矩陣,如圖4所示。

圖4 IDOAS數(shù)據(jù)立方體示意圖Fig.4 Schematic diagram of IDOAS data cube

對數(shù)據(jù)立方體進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,圖4所示空間維每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)文件,此文件包含數(shù)據(jù)的光譜信息,不同行所對應(yīng)的光譜信息為不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)。進(jìn)行空間維的像元合并,能夠提升信噪比和反演精度。

2.2 數(shù)據(jù)反演及二維成像

圖5為DOAS擬合的流程圖。在外場實(shí)驗(yàn)中,儀器配有光譜文件,該文件標(biāo)識了每行光譜信息及對應(yīng)的波長值。進(jìn)行DOAS擬合時(shí),首先添加太陽光譜并設(shè)置所需各種氣體的吸收截面及狹縫函數(shù)太陽參考譜,然后提取原始文件的遙感影像像元亮度(DN)值導(dǎo)入QDoas軟件中。使用選擇好的光譜儀光譜校正文件對數(shù)據(jù)對應(yīng)的光譜波長進(jìn)行校正,經(jīng)過多次迭代,最后生成的校正(shift)圖的值保持在±0.1之間,得到校正文件及Ring截面文件(用于消除大氣Ring效應(yīng)的影響)。

圖5 DOAS擬合流程圖Fig.5 DOAS fitting flowchart

實(shí)驗(yàn)過程中需要使用最小二乘擬合,以確保參考截面與測量光譜的分辨率相同。通過Qdoas中的卷積工具實(shí)現(xiàn)對參考截面的卷積,通過軟件QDoas中所提供的Ring工具對上述保存的Ring截面文件與生成的迭代文件及太陽光譜截面文件進(jìn)行卷積,得到所需的Ring截面文件,該過程視為一種吸收成分參與光譜擬合。對于污染氣體NO2,根據(jù)其光譜結(jié)構(gòu)選擇337～370 nm的波段進(jìn)行反演,參與反演的氣體包括NO2、HCHO、O4、O3。對于污染氣體SO2,根據(jù)其光譜結(jié)構(gòu)選擇308～330 nm的波段進(jìn)行反演,參與反演的氣體包括SO2、O3、NO2。使用QDoas反演軟件對測量光譜逐條反演,根據(jù)得到的多組污染氣體斜柱濃度信息,經(jīng)過二維拼圖得到污染氣體的分布信息圖。

2.3 軟件優(yōu)化研究

DOAS監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟,但在使用QDoas軟件進(jìn)行濃度反演時(shí),由于其軟件固有的操作模式和功能,存在數(shù)據(jù)處理繁瑣、反演耗時(shí)較長等問題。為更加高效精確的進(jìn)行污染氣體濃度反演,對軟件的關(guān)鍵代碼部分做進(jìn)一步的研究和開發(fā)?；贑++語言使用QT軟件對QDoas的源代碼進(jìn)行了解析、重整,提取和優(yōu)化原有功能,編寫定制了適配Windows系統(tǒng)的新反演軟件。

圖6為在QT軟件上的源碼圖,其中all.pro為all中各模塊的公共配置文件,結(jié)合軟件功能對代碼進(jìn)行分析。Convolution、qdoas、ring和usamp為軟件的界面設(shè)計(jì)模塊,qdoas為主體,通過按鈕調(diào)用其它功能的界面模塊。Cmdline為命令行操作模塊,通過命令實(shí)現(xiàn)程序的功能,各參數(shù)的設(shè)置則通過讀取xml文件實(shí)現(xiàn),所以也包括了xml文件的解析工作。Commom具有消息彈出框的編寫及繪制圖像的功能。Engine為軟件的關(guān)鍵部分,主要包括算法方面的編寫以及各種格式文件的讀取。Mediator可以解釋為一個(gè)中介系統(tǒng),通過它鏈接各模塊之間的功能。

圖6 軟件源碼圖Fig.6 Diagram of software source code

程序運(yùn)行需要用到以下庫文件:qwt庫(生成圖表)、gsl庫(科學(xué)計(jì)算)、coda庫(讀取GOME-2數(shù)據(jù))、HDF-EOS2庫及HDF5庫。qwt庫在Windows系統(tǒng)中能夠直接找到并使用,而其它的幾個(gè)庫在Windows系統(tǒng)中沒有直接提供,需要通過cmake+mingw編譯所提供文件的方式才能得到。若要實(shí)現(xiàn)程序的基本功能,所需要研究的模塊為cmdline、engine、mediator這三個(gè)模塊,若為后續(xù)的圖形界面開發(fā)考慮,也可以將common部分保留,外部庫僅調(diào)用gsl庫文件就可以滿足基本需求,研究編寫相關(guān)代碼,實(shí)現(xiàn)需求功能。在編譯過程中生成libcommon.a、libengine.a和libmediator.a三個(gè)靜態(tài)庫供cmdline模塊調(diào)用,編譯完成后生成可執(zhí)行程序,能夠?qū)崿F(xiàn)污染氣體的反演。

原先處理多個(gè)文件的項(xiàng)目時(shí),需要多次運(yùn)行程序,為方便處理,編寫腳本重復(fù)調(diào)用運(yùn)行程序,但需要等待一個(gè)程序結(jié)束后才能運(yùn)行下一個(gè)程序,比較耗時(shí)。而將所需源代碼成功編譯后,優(yōu)化后的代碼使用多線程的方式同時(shí)處理多個(gè)文件,大大減少反演時(shí)間,并且在出現(xiàn)錯(cuò)誤或?qū)崿F(xiàn)某些定制的需求功能時(shí),能夠很好地發(fā)現(xiàn)并改正錯(cuò)誤以及添加想要的定制功能。

3 結(jié)果與討論

2019年11月6日,采用地基IDOAS系統(tǒng)對銅陵富鑫鋼鐵廠開展了現(xiàn)場觀測實(shí)驗(yàn)。圖7為富鑫鋼鐵的衛(wèi)星地圖,標(biāo)識IDOAS處即為測量系統(tǒng)的擺放位置。

圖7 富鑫鋼鐵衛(wèi)星圖Fig.7 Satellite picture of Fuxin Steel

圖8為獲取的目標(biāo)區(qū)域的灰度圖像,于上午10:25:32、10:34:53及10:44:17對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行了三次測量,工作過程中將二維轉(zhuǎn)臺設(shè)置為在0°～90°范圍內(nèi)每2秒旋轉(zhuǎn)1°,使用研發(fā)的軟件對所有測得的光譜進(jìn)行反演,得到不同時(shí)段污染氣體NO2(圖9)和SO2(圖10)的二維濃度分布圖。

圖8 觀測區(qū)域示意圖Fig.8 Schematic diagram of observation area

圖9 2019年11月6日不同時(shí)間點(diǎn)NO2的二維濃度分布圖。(a)10:25:32;(b)10:34:53;(c)10:44:17Fig.9 Two dimensional concentration profile of NO2at different time points on November 6,2019.(a)10:25:32;(b)10:34:53;(c)10:44:17

圖10 2019年11月6日不同時(shí)間點(diǎn)SO2的二維濃度分布圖。(a)10:25:32;(b)10:34:53;(c)10:44:17Fig.10 Two dimensional concentration profile of SO2at different time points on November 6,2019.(a)10:25:32;(b)10:34:53;(c)10:44:17

與目標(biāo)區(qū)域的觀測示意圖進(jìn)行對比,比較直觀且清晰地看出污染氣體NO2和SO2的斜柱濃度(SCD)分布信息。NO2主要集中于工廠建筑附近區(qū)域,濃度呈向上逐步遞減的趨勢,且煙囪左邊區(qū)域NO2濃度明顯高于右邊區(qū)域NO2濃度,左邊的NO2斜柱濃度均保持在1×1017molecules·cm-2左右,右邊區(qū)域NO2斜柱濃度均保持在7×1016molecules·cm-2左右。而SO2濃度最高值主要集中在煙囪附近,其斜柱濃度保持在9×1016～1×1017molecules·cm-2,存在隨風(fēng)擴(kuò)散的情況,與目標(biāo)區(qū)域示意圖中所示結(jié)果比較一致。

對銅陵富鑫鋼鐵廠煙囪排放口的觀測實(shí)驗(yàn)成功觀測到SO2與NO2污染氣體的實(shí)時(shí)分布信息,進(jìn)一步也可對其他形式排放(如汽油、柴油燃燒)且存在于大氣邊界層的污染氣體進(jìn)行掃描觀測。成像系統(tǒng)能夠很快得到目標(biāo)區(qū)域的污染氣體濃度分布圖,具有很強(qiáng)的直觀性和時(shí)效性,對分析城市邊界層污染氣體分布和傳輸提供了強(qiáng)有力的支撐,有利于相關(guān)研究人員對地區(qū)的污染情況做更近一步的研究及分析,為大氣環(huán)境監(jiān)測提供了可靠的支持,為應(yīng)急管理提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié) 論

介紹了地基IDOAS掃描系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。在使用QDoas光譜反演軟件的過程中,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理繁瑣、反演耗時(shí)較長及出現(xiàn)錯(cuò)誤難以分析原因等問題,為更高效準(zhǔn)確地使用DOAS系統(tǒng)測量各種大氣痕量氣體,定制研發(fā)了新的反演軟件,基于C++語言使用QT軟件對代碼做了進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化,并成功移植到Windows平臺,滿足數(shù)據(jù)反演的需求,為更加深入的算法反演研究提供了軟件支持。對銅陵富鑫鋼鐵廠開展了現(xiàn)場觀測實(shí)驗(yàn),并通過研發(fā)的定制軟件反演得到污染氣體NO2和SO2的斜柱濃度值,對圖像像元精準(zhǔn)匹配得到污染氣體二維分布信息圖,為大氣環(huán)境監(jiān)測提供了更直觀和實(shí)時(shí)的測量手段。