快速高光谱成像遥感技术精准量化船舶NO2与SO2排放及其环境效应研究

为解决船舶排放对大气环境污染监测精度不足的问题，研究人员开发了快速高光谱成像遥感技术，通过多相机协同设计、温控光谱仪系统和气溶胶分类AMF计算方案，实现了对海洋船舶NO2和SO2排放的高精度成像与通量量化，为动态排放清单建立和污染控制提供了关键技术支撑。

　　

船舶是全球经济的重要支柱，承担着超过80%的国际贸易货物运输，但其排放的污染物对海洋和沿海大气环境的负面影响日益凸显。船舶排放主要包括颗粒物、硫氧化物（SO_x）和氮氧化物（NO_x），这些物质不仅加剧空气污染，还可能通过大气化学反应影响区域气候和生态系统健康。尽管卫星和机载遥感技术已用于排放监测，但受海表高反照率和探测器噪声干扰，往往低估污染物浓度；便携式测量系统虽精度高，但成本昂贵且无法评估烟羽扩散；长光程差分吸收光谱（DOAS）技术在内河和港口动态监测中应用广泛，但多船排放烟羽重叠和气象湍流会严重影响其有效性。因此，开发一种兼具高精度和高时空分辨率的高光谱成像技术，成为当前船舶排放监测的迫切需求。

在此背景下，中国科学技术大学和中国科学院合肥物质科学研究院的研究团队在《Light-Science & Applications》上发表了一项研究，提出了一种快速高光谱成像遥感技术，实现了对海洋船舶氮 dioxide（NO₂）和硫 dioxide（SO₂）排放的高精度量化。该技术通过多系统协同观测、温控光谱仪和烟羽重建算法，显著提升了污染成像的准确性和空间分辨率，为船舶排放动态监测和环境影响评估提供了新方案。

研究采用的关键技术方法主要包括：1）多相机协同观测系统（高光谱相机、可见光相机和多波长滤光片UV相机），通过滤光片对（如310/330 nm for SO₂、405/470 nm for NO₂）增强烟羽轮廓识别和气体分布分析；2）高精度温控光谱仪系统（20°C±0.5°C），抑制光谱噪声；3）基于O₄变化的氣溶胶分类与空气质量因子（AMF）计算方案，区分有/无氣溶胶烟羽并采用不同辐射传输模型（RTM）优化垂直柱浓度（VCD）反演；4）烟羽重建算法，结合滤光片差分吸收与高光谱数据融合，提升空间分辨率至<0.5 m×0.5 m；5）排放通量计算模型，整合风速、烟羽截面和气体浓度数据。观测样本来源于青岛海域的大型远洋货船和近海小型货船，通过“S”形扫描轨迹覆盖预设成像区域，单次扫描时间<4分钟。

仪器设计与观测方案

研究团队开发了一套快速高光谱成像遥感仪器，由可见光相机、多通道UV相机系统、高光谱相机系统、二维扫描系统、电源控制模块和工业控制计算机（IPC）组成。可见光相机用于实时记录成像区域画面，多通道UV相机通过滤光轮切换波长（如310 nm和330 nm for SO₂，405 nm和470 nm for NO₂），实现高空间分辨率成像以识别烟羽轮廓和污染物吸收强度。高光谱相机系统负责采集太阳散射光谱，通过光纤传输至光谱仪，光谱范围300-400 nm，分辨率0.46 nm。二维扫描系统控制望远镜俯仰和水平旋转，实现“S”形轨迹连续扫描，覆盖整个观测区域。温控系统采用恒温对流腔设计，通过Peltier元件和温度传感器（pt100）维持光谱仪内部温度稳定在20°C±0.5°C，有效降低噪声。观测时，以天顶光谱为参考，单光谱积分时间3秒，完整扫描过程<4分钟，空间分辨率取决于高光谱相机视场（FOV）与排放源距离。

空气质量因子计算

垂直柱浓度（VCD）计算精度高度依赖于空气质量因子（AMF），而AMF受氣溶胶立体分布影响显著。研究通过分析不同方位角下O₄差分斜柱浓度（DSCD）的变化，间接判定烟羽内氣溶胶存在与否：若O₄ DSCD标准偏差<20%，则认为烟羽内无氣溶胶，直接检索氣溶胶垂直剖面输入辐射传输模型（RTM）计算AMF；若存在氣溶胶，则借助光学估计方法（OEM）和三维RTM模拟重建氣溶胶立体分布，直至模拟与观测O₄ DSCD一致，从而优化AMF计算。该方法将氣溶胶误差控制在10-16%，提升了VCD反演可靠性。

烟羽重建

烟羽范围的不确定性会严重影响痕量气体排放通量评估。研究提出一种烟羽重建方案：以SO₂为例，通过310 nm和330 nm滤光片采集信号，计算差分吸收强度并归一化，建立SO₂分布权重，再与高光谱相机成像结果融合，获得高空间分辨率的真实烟羽分布。重建结果显示，烟羽内SO₂最大浓度可达0.94 mg·m^?3，且最高浓度并非出现在排放口，可能与燃料性质变化和气象条件导致的积累效应有关。相比传统成像DOAS技术，该方法在污染物精确量化的同时实现了更高空间分辨率，能详细表征污染烟羽结构。

船舶NO₂和SO₂排放成像

研究针对青岛海域的大型远洋货船和近海小型货船开展了NO₂和SO₂排放成像。大型远洋货船NO₂最大浓度为0.124–0.201 mg·m^?3，SO₂为0.342–0.425 mg·m^?3；近海小型货船NO₂为0.134–0.251 mg·m^?3，SO₂为0.334–0.397 mg·m^?3。排放通量分析表明，大型远洋货船NO₂通量为1.57–3.42 kg·h^?1，SO₂为2.65–2.77 kg·h^?1；近海小型货船NO₂为0.78–2.75 kg·h^?1，SO₂为1.01–1.85 kg·h^?1。大型船SO₂通量较高源于重油使用，而靠近港口时通量降低则与改用优质燃料和动力减少有关。不同距离成像显示，距港口300–1000 m处，NO₂和SO₂浓度和通量存在显著差异，反映了船舶运行状态和燃料策略的影响。

讨论与结论

该研究开发的快速高光谱成像遥感技术成功解决了船舶排放监测中精度不足和时空分辨率低的难题。通过多系统协同、温控设计和算法优化，实现了对NO₂和SO₂的高精度成像与通量量化，为动态排放清单的建立提供了实测驱动方案。未来需进一步解决痕量气体吸收截面温度依赖性、夜间成像缺失和温室气体监测等技术挑战。研究还展望了夜间高光谱成像技术（结合无人机反射器模块和多波长LED光源）和碳监测应用（需发展高分辨率光谱技术），以支持中国“碳达峰与碳中和”目标。总体而言，该技术不仅推动了船舶污染控制与海洋大气环境改善，还为多源排放动态评估和区域尺度痕量气体清单建立提供了新范式。