(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211110049.3 (22)申请日 2022.09.13 (71)申请人 中国科学院合肥物质科 学研究院 地址 230031 安徽省合肥市蜀山湖路3 50号 (72)发明人 叶函函　王先华　施海亮　熊伟　 吴时超　 (74)专利代理 机构 北京尚诚知识产权代理有限 公司 11322 专利代理师 龙淳　池兵 (51)Int.Cl. G01N 33/00(2006.01) G01D 21/02(2006.01) G01W 1/02(2006.01) (54)发明名称 基于地面遥感测量的点源排放强度预测方 法 (57)摘要 本发明提供一种基于地面遥感测量的点源 排放强度预测方法。 在烟羽测量点位和背景测量 点位测量到达地表的太阳光谱， 反演获得点源排 放烟羽中特定污染气体在大气中的测量浓度值。 利用高斯扩散模 型， 仿真计算特定污染气体的排 放烟羽3维结构， 获得烟羽测量点位特定污染气 体的仿真浓度值。 利用测量浓度值和仿真浓度值 进行反演， 计算出点源的排放强度和风速。 根据 反演的排放强度和风速， 重新计算高斯扩散模 型， 重构出烟羽3维结构。 本发明采用便携的地面 遥感设备在点源周边开展烟羽的柱浓度测量， 利 用多角度测量数据开展烟羽3维结构的反演重 构， 不仅能够同步计算出排放强度， 还能够降低 传统排放强度计算方法中风场误差的影响。 权利要求书3页 说明书9页 附图4页 CN 115480032 A 2022.12.16 CN 115480032 A 1.一种基于地 面遥感测量的点源排 放强度预测方法， 其特 征在于， 包括： 步骤S1， 利用气象仪测量获得排放污染气体的点源的周边区域的气象数据， 利用测距 仪测量获得所述点源的高度， 利用定位仪测量获得所述点源的经纬度， 根据所述气象数据 中的风向和风速来估算所述点源的排放烟羽的范围， 在太阳光线穿过所述点源的排放烟羽 在地面上形成的烟羽投影区域中选择多个烟羽测量点位， 在所述烟羽投影区域以外的地面 上选择至少1个背 景测量点位， 对所述多个烟羽测量点位和所述至少1个背景测量点位中的 各个测量点位， 利用光谱仪测量 获得到达地表的太阳光谱的光谱数据并记录对应的测量时 刻， 利用定位仪测量获得所述测量点位的经纬度， 利用测距仪测 量获得所述测量点位与所 述点源的距离； 步骤S2， 对步骤S1中的每个所述测量点位， 利用该测量点位的所述经纬度和所述测量 时刻， 计算出 该测量点位的在所述测量时刻的太阳高度角和太阳 方位角； 步骤S3， 利用步骤S1中获得的所述各个测量点位的光谱数据、 同步获得的气象数据、 测 量时刻以及步骤S2中计算出的太阳高度角和太阳方位角， 根据光谱反演算法进行反演计 算， 计算出在所述各个测量点位测得的所述点源排放的污染气 体中的特定污染气体在大气 中的测量浓度值； 步骤S4， 以从所述点源沿铅垂方向向地面引的垂线与地面的交点为原点、 以所述气象 数据中的风向为x轴方向、 以所述点源的高度方向即铅垂方向为z轴方向、 以与所述x轴方向 和所述z轴方向垂直的方向为y轴方向， 建立3维坐标系， 根据步骤S1 中获得的所述气象数据 中的风速与作为先验排放数据的所述点源的排放时间、 高度和排放 强度， 在所述3维坐标系 中， 利用高斯扩散模型进行仿真获得 所述排放烟羽的3维仿真结构； 步骤S5， 在步骤S4中建立的所述3维坐标系中， 根据步骤S1中获得的所述多个烟羽测量 点位的经纬度相对于所述点源的经纬度的差值以及所述多个测量点位与所述点源的距离， 定位出步骤S1中的所述多个烟羽测量点位， 对每个所述烟羽测量点位， 根据其测量时刻的 太阳高度角和太阳方位角来构建测量光路， 计算出该测量光路的穿烟羽部 分的所述特定污 染气体的浓度积分值， 获得 所述多个烟羽测量 点位的所述特定 污染气体的仿真浓度值； 和 步骤S6， 利用步骤S3中反演计算出的所述特定污染气体的所述测量浓度值和步骤S5中 仿真计算出的与所述测量浓度值对应的所述仿 真浓度值进 行反演， 计算出作为反演结果的 所述点源的反演排 放强度和反演风速 。 2.如权利要求1所述的基于地 面遥感测量的点源排 放强度预测方法， 其特 征在于： 在步骤S1中， 在设与所述风向平行且通过所述点源的平面为第一平面， 设与所述风向 垂直且通过所述点源的平面为第二平面， 设所述第一平面与所述烟羽投影区域相交的线段 为第一线段， 设所述第二平面与所述烟羽投影区域相交的线段为第二线段时， 选择所述第 一线段和所述第二线段上的多个位置作为所述多个烟羽测量点位， 选择上风向远离工业和 人为排放源的至少1个位置作为所述至少1个背景测量 点位。 3.如权利要求1所述的基于地 面遥感测量的点源排 放强度预测方法， 其特 征在于： 在步骤S2中， 太阳高度角h0的计算公式如下： h0＝sin‑1[sin ψsinσ +cos ψcosσ cos(15t0+λ‑300)] 式中ψ为纬度， 单位是度， λ为经度， 单位是度， t0为观测时刻， 单位是时， σ 为太 阳方位角， 单位是度， h0的单位是度，权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115480032 A 2太阳方位角的计算公式如下： 式中θ0＝360dn/365， 单位是弧度， 其中dn为所选日期在本年度 中的次序， 取值范围为0 至364。 4.如权利要求1所述的基于地 面遥感测量的点源排 放强度预测方法， 其特 征在于： 在步骤S3中， 对步骤S1中获得的所述多个烟羽测量点位和所述至少1个背景测量点位 的所述光谱数据， 采用最优估算法， 利用Tikhonov ‑Philips约束条件， 结合非线性逐次迭 代， 构建出反演计算公式， 将步骤S1中获得的所述各个测量点位的所述光谱数据转换成对 数光谱数据， 与同步获得的气象数据、 测量时刻以及步骤S2中计算出的太阳高度角和 太阳 方位角一并输入所述反演计算公式， 计算出所述特定污染气体的柱浓度， 将与各个所述烟 羽测量点位对应的各个所述特定污染气 体的柱浓度分别减去与所述至少1个背景测量点位 对应的所述特定污染气 体的柱浓度的平均值， 获得与各个所述烟羽测量点位对应的所述特 定污染气体的所述测量浓度值。 5.如权利要求1所述的基于地 面遥感测量的点源排 放强度预测方法， 其特 征在于： 在步骤S4 中， 当设所述风速为 μ、 所述排放时间为t、 所述 高度为H、 所述排放强度 为Q时， 计算所述 排放烟羽的3维仿真结构的所述高斯扩散模型由下述的(1)式表示： 其中， (x,y,z)是所述3维坐标系中的烟羽位置的坐标， C(x,y,z)为所述3维坐标系中 (x,y,z)位置处的所述特定污染气体的浓度， σx、 σy、 σz分别为x轴方向、 y轴方向、 z轴方向上 的扩散系数， 所述风速 μ的单位是米/秒， 所述排放时间t的单位是秒， 所述高度H的单位是米， 所述排 放强度Q的单位是g/s， 所述浓度C(x,y,z)的单位是g/m2， 所述扩散系数σx、 σy、 σz是根据与大气稳定度等级相应的经验公式计算出的值， 单位是 米。 6.如权利要求1所述的基于地 面遥感测量的点源排 放强度预测方法， 其特 征在于： 在步骤S5中， 在对每个所述烟羽测量点位构建的所述测量光路中， 分别计算穿烟羽路 径中的所述特定污染气体的第一浓度积分值以及非烟羽路径中的所述特定污染气体的第 二浓度积分值， 将所述第一浓度积分值和所述第二浓度积分值相加获得所述特定污染气 体 的柱浓度， 将该柱浓度作为所述特定 污染气体的所述仿真浓度值。 7.如权利要求1所述的基于地 面遥感测量的点源排 放强度预测方法， 其特 征在于： 在步骤S6中， 在进行反演时， 利用步骤S3中反演计算出的所述特定污染气体的所述测 量浓度值和步骤S 5中仿真计算出的与所述测量浓度值对应的所述仿 真浓度值， 采用最优估 算法， 利用Gaus s‑Newton迭代反演出 所述特定 污染气体的排 放强度和风速， 求 解公式如下： ui+1＝ua+(KiTSε‑1Ki+Sa‑1)‑1KiTSε‑1[v‑F(ui)‑Ki(ui‑ua)]   (2) 式中u表示所述特定污染气体的排放强度和风速， 下标i表示第i次迭代， ui+1为第i+1次 迭代结果， ua为所述特定污染气体的排放强度和风速的初始猜值， 为权重 函数， T表示矩阵转置， Sε为所述特定污染气体测量误差协方差， Sa为所述特定污染气体的排权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115480032 A 3