使用AVIRIS-3机载成像光谱仪识别和量化温室气体排放

《Remote Sensing of Environment》：Identifying and quantifying greenhouse gas emissions with the AVIRIS-3 airborne imaging spectrometer

遥感数据可识别甲烷和二氧化碳排放增强，从而量化排放并支持减排策略。本文首次验证了NASA AVIRIS-3成像光谱仪从航空平台检测温室气体排放的能力，通过多流量率和多飞行高度的受控释放实验，展示了其在0.59米地面分辨率下可检测4-10千克/小时的甲烷排放，并与国际空间站EMIT仪器实现时空协同观测。相较于前代AVIRIS传感器，该设备通过F/1.8光学系统、汞镉碲探测器及更优的光谱响应特性，将信噪比提升约3倍，支持更精细的排放源识别。研究涵盖油气田、垃圾填埋场、冻土区及垃圾处理厂等典型排放源，结合实时探测算法和大气校正技术，为大气边界层观测提供了新范式。

　　在当前全球气候变化问题日益严峻的背景下，温室气体排放的监测和量化已成为科学研究与政策制定的重要组成部分。尤其是甲烷（CH?）和二氧化碳（CO?）等主要温室气体，其对气候的影响尤为显著。由于这些气体在大气中的生命周期较短，且其对辐射强迫的贡献较大，因此，识别和量化局部的甲烷排放对于制定有效的减排策略至关重要。同时，由于甲烷排放往往具有突发性和不稳定性，相较于二氧化碳，其控制和减少的难度较低，这使得甲烷成为地方和国家层面减排行动的重要目标。为此，科学家们不断研发更先进的遥感技术，以期实现对温室气体排放的高精度监测和定位。

遥感技术，特别是成像光谱仪，在这一领域展现出了巨大潜力。成像光谱仪能够通过分析反射的太阳辐射，识别并量化大气中温室气体的浓度变化。随着技术的发展，NASA研发的Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer 3（AVIRIS-3）成为了当前最先进的空中成像光谱仪之一。该设备不仅提升了对温室气体的敏感度，还通过更宽的扫描宽度和更优的信噪比（SNR）设计，提高了数据采集的效率和精度。这些改进使得AVIRIS-3能够在多种飞行高度和不同排放源的背景下，准确地检测到甲烷和二氧化碳的增强信号。

为了验证AVIRIS-3在温室气体检测方面的性能，研究团队进行了多项受控释放实验。这些实验覆盖了不同排放速率（如4-10 kg CH?/h）和多种飞行高度（如2500英尺和27000英尺）。实验结果显示，AVIRIS-3在各种条件下均能有效检测到温室气体的增强信号，并且通过引入“匹配滤波器敏感度调整”技术，能够显著降低由于背景地表变化引起的浓度估计偏差。此外，团队还展示了AVIRIS-3与地球表面矿物尘源调查（EMIT）成像光谱仪在国际空间站上的同步数据采集，进一步验证了该设备在温室气体监测中的应用潜力。

研究团队还强调了AVIRIS-3在实际应用中的重要性。其高灵敏度和高分辨率不仅有助于识别和量化各种排放源，还能够通过实时数据处理和分析，为减排策略提供及时支持。例如，在一次实验中，AVIRIS-3能够在短时间内检测到甲烷排放，并将相关信息实时反馈给地面团队，从而提高了监测的效率和准确性。这种能力对于协调地面和空中采样活动，以及与卫星平台进行同步观测，具有重要意义。

此外，AVIRIS-3的检测能力也体现在多个不同的排放领域。从油气基础设施到农业和废弃物管理，再到北极地区的永久冻土和海上油气设施，该设备展示了其在不同环境和不同排放源下的广泛应用潜力。研究团队在2023和2024年参与了多项温室气体相关的科研项目，包括SCOAPE-II和AiRMAPS等，进一步拓展了AVIRIS-3的应用范围和检测精度。这些项目不仅涵盖了陆地上的排放源，还包括水面上的排放监测，如在加利福尼亚州的海上油气设施和洛杉矶港口附近的排放源。

在对温室气体的检测过程中，研究团队还发现了一些挑战和局限性。例如，受控释放实验通常在较为平坦且光照条件良好的地表进行，这可能无法完全反映复杂地形和多样植被覆盖下的实际排放情况。因此，未来的实验应考虑在更复杂的环境中进行，以评估AVIRIS-3在不同辐射条件下的性能。同时，风速测量的不确定性也影响了排放量的估算，因此，需要更精确的风速数据来提高检测的准确性。团队建议在未来的实验中使用更多高时空分辨率的风速测量设备，如三维声学风速仪和风速激光雷达，以更好地捕捉地表附近的风场特征。

在卫星平台方面，EMIT作为国际空间站上的成像光谱仪，虽然不是专门用于温室气体检测，但其已成功识别了超过1500个甲烷羽流和超过220个二氧化碳羽流。EMIT和AVIRIS-3的性能互补，前者具有更大的扫描范围和更宽的像素尺寸，而后者则提供了更高的空间分辨率和更强的检测能力。这种组合使得研究人员能够在不同的空间尺度上进行温室气体监测，从而更全面地理解排放特征和分布情况。

研究团队还指出，未来的温室气体监测工作需要更多地依赖多传感器协同观测。通过将空中成像光谱仪与卫星平台相结合，可以实现对温室气体排放的多层次检测和量化。这种“提示和跟进”策略不仅提高了检测的准确性，还增强了对排放源的定位能力。例如，利用高分辨率卫星进行源定位后，再通过空中成像光谱仪进行详细分析，可以进一步确认排放源的性质和规模。

总的来说，AVIRIS-3的出现标志着空中成像光谱技术在温室气体监测方面取得了重要进展。其先进的设计和高灵敏度使其能够有效识别和量化多种温室气体的排放，为全球和地方的减排策略提供了有力支持。然而，要充分发挥其潜力，还需要进一步改进风速测量方法和扩大实验范围，以适应更加复杂和多样化的环境条件。随着技术的不断进步和多传感器系统的完善，温室气体的监测和量化将变得更加精准和高效，为应对气候变化提供更加坚实的科学依据。