《Remote Sensing of Environment》：Comparing the performance of different hyperspectral satellite imaging spectroscopy in mapping methane point-source emissions
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精准监测甲烷点源需依赖高光谱卫星的优异性能。本研究系统评估了EMIT、EnMAP、GF5等六颗在轨卫星在2300nm甲烷吸收区的光谱分辨率（7.4-8.4nm）、信噪比（170-250）及光谱稳定性（中心波长偏移0.3-1.3nm），发现EMIT（σ=18ppb）、EnMAP（σ=33ppb）和GF5系列（σ=31-47ppb）显著优于PRISMA（σ=84ppb）和ZY1-02E（σ=71ppb），其高SNR和稳定光谱校准有效区分了油气设施、煤矿等复杂背景下的甲烷羽流。研究为卫星选型与算法优化提供量化依据。
费莉 | 林克尔 | 严英琪 | 白胜希 | 黄启丹 | 冯晨曦 | 孙世伟 | 赵少华 | 周伟 | 周春燕 | 林俊 | 张新伟 | 张永光
江苏省地理信息资源开发与应用协同创新中心，国际地球系统科学研究所，南京大学，南京 210023，中国
摘要
准确检测和量化甲烷点源对于减缓气候变化至关重要。近年来，星载高光谱成像光谱仪的进步为全球监测提供了新的机会，但跨任务的系统评估仍然有限。在这里，我们评估了六颗在轨高光谱卫星在甲烷羽流检测方面的光谱和辐射性能。结果显示，EMIT、EnMAP和GF5系列卫星具有更优越的能力。EMIT的检索精度最高（σ = 18 ppb），其次是GF5-02-AHSI（σ = 31 ppb）、EnMAP（σ = 33 ppb）和GF5-01 A-AHSI（σ = 47 ppb），优于PRISMA（σ = 84 ppb）和ZY1-02E-AHSI（σ = 71 ppb）。这些差异源于更细的光谱采样距离（SSD：7.4–8.4 nm）、更高的信噪比（SNR：170–250）以及在2300 nm甲烷吸收区域内更稳定的中心波长偏移（0.3–1.3 nm），这些因素共同增强了羽流与地表背景的区分能力。相比之下，PRISMA和ZY1-02E-AHSI由于较大的波长偏移（高达2.8 nm）和较低的SNR（140–150）而表现出较低的灵敏度。案例研究展示了从多种来源成功检测甲烷羽流的情况，包括石油和天然气（O&G）基础设施、煤矿和垃圾填埋场，突显了简单和具有挑战性的检索场景。这种跨传感器比较强调了光谱保真度和辐射性能对甲烷监测的重要性。这些发现为优先考虑现有资产和指导未来任务的设计提供了定量依据，强调了高SNR和稳定的光谱校准对于推进全球点源甲烷排放检测的关键作用。
引言
甲烷是减缓全球变暖的关键因素，因为它在大气中的寿命较短（约12年），其20年的全球变暖潜力是二氧化碳的84倍（Ming等人，2022年）。人为甲烷排放主要来自农业（约40%）、废物（约20%）和化石燃料运营（约35%）。在化石燃料领域，石油和天然气以及煤炭运营被认为是减排策略中最有前景的目标（Johan等人，2021年）。这些行业经常通过点源产生更集中的甲烷羽流（Duren等人，2019年；Omara等人，2022年）。
点源甲烷排放是重要的污染源，需要在减排工作中给予优先关注。它们特别适合通过星载仪器进行检测，从而实现有效的监测和干预。星载成像光谱仪最近已成为这一关键环境监测任务中的宝贵工具，能够提供精确的排放追踪和分析数据（Irakulis-Loitxate等人，2021年）。这些仪器能够重建短波红外（SWIR）范围内的详细辐射光谱，捕捉甲烷独特的旋转振动吸收特征，尤其是在2300 nm附近，甲烷在此处表现出强烈的、分离良好的吸收线。利用这些特征可以更准确地检测和表征超级排放源。它们精细的空间分辨率还允许将检测到的排放精确归因于特定来源（Irakulis-Loitxate等人，2022年）。这种详细的排放量化和来源归因可以直接为有针对性的减排策略提供信息，通过确定具体的泄漏设备或基础设施进行修复，使组织和监管机构能够将精力集中在最能产生影响的领域（Zavala-Araiza等人，2017年）。
目前，有几种在轨高光谱成像光谱仪用于点源甲烷监测。这些包括意大利的PRISMA（PRecursore IperSpettrale della Missione Applicativa）（Cogliati等人，2021年）、德国的EnMAP（Environmental Mapping and Analysis Program）（Storch等人，2023年）、美国的EMIT（Earth Surface Mineral Dust Source Investigation）（Thompson等人，2024年）以及中国的GF5（Gaofen-5）和ZY1（Ziyuan-1）系列（Bai等人，2024年；Han等人，2024年；Irakulis-Loitxate等人，2021年）。EMIT采用了一种独特的操作方法，专注于干旱和半干旱地区。它从国际空间站（ISS）运行，与太阳同步卫星相比具有可变的观测角度，这影响了其观测几何形状。尽管EMIT缺乏任务调度能力，但它提供了60 m的空间分辨率和80 km的显著幅宽。相比之下，PRISMA、EnMAP、GF5-01 A/02和ZY1-02E任务提供了30 m的空间分辨率，但幅宽范围从30到60 km不等。值得注意的是，PRISMA、EnMAP和EMIT在甲烷排放检测方面有着良好的记录（Guanter等人，2021年；Irakulis-Loitxate等人，2021年；Roger等人，2024年；Thorpe等人，2023年），而中国的GF5-01 A/02和ZY1-02E任务在当前研究中的甲烷点源映射验证有限。尽管存在这些操作差异，但这些核心仪器技术在光谱分辨率和采样特性上具有基本相似性，特别是在2300 nm甲烷吸收窗口。鉴于这一共同的技术基础和不同的操作策略，有必要对这些在轨高光谱仪器在甲烷点源映射能力上进行全面的比较和评估。然而，缺乏标准化的比较框架使得研究人员和政策制定者难以评估它们的相对优势和操作权衡。本研究通过提供第一个系统性的、多传感器的比较，在同质场景中使用一致的方法来填补这一空白。
在这项研究中，我们旨在系统地评估和比较这六个在轨高光谱成像任务的光谱和辐射性能，重点关注2300 nm甲烷检索光谱窗口。此外，我们还研究了这些仪器在各种全球环境中的甲烷羽流检测情况，包括陆上石油和天然气设施、煤矿和垃圾填埋场。虽然我们提供了排放率估计，但我们的主要关注点是通过甲烷浓度映射进行羽流检测。通过对这六个高光谱成像任务进行严格的比较分析，我们旨在推进对基于卫星的甲烷排放检测的当前理解，并为传感器设计、算法开发和监测资产的战略部署提供关键见解，以支持全球气候变化减缓工作。
章节片段
卫星成像光谱数据集
这里我们介绍了六个在轨高光谱成像任务的信息（表1）。GF5-01 A/02和ZY1-02E卫星分别是中国GF5和ZY1系列的第二代和第三代，分别于2021年9月7日、2021年12月26日和2022年12月9日发射。在过去几年中，它们共同进行了广泛的全球观测。这些任务的数据可向中国资源卫星数据中心请求获取。
光谱性能
图2展示了六个卫星任务在2300 nm吸收窗口内的光谱特性比较分析。对跨轨道变化的详细检查显示，EnMAP具有最精细的光谱分辨率，其平均FWHM在约2300 nm范围内为7.8 nm，比PRISMA窄约2.4 nm，比ZY1-02E-AHSI窄约9.0 nm。这种更精细的光谱分辨率使EnMAP能够更有效地捕捉甲烷吸收变化。
卫星任务之间的光谱和辐射性能比较
光谱性能的比较分析揭示了直接影响甲烷监测效果的关键权衡。光谱稳定性和光谱分辨率是两个最重要的性能指标，每个指标在检索精度中都发挥着独特但同样重要的作用。光谱稳定性由中心波长偏移决定，它决定了仪器视场内测量的一致性。
结论
本研究对六个在轨卫星任务的甲烷检测能力进行了全面评估：PRISMA、EnMAP、EMIT、GF5-01 A/02和ZY1-02E。通过使用MF技术关注2300 nm吸收窗口，分析展示了这些卫星平台在多种行业中映射甲烷排放的有效性。性能评估揭示了这些星载仪器的不同优势。
CRediT作者贡献声明
费莉：撰写——原始草稿，可视化，正式分析。林克尔：可视化。严英琪：正式分析。白胜希：数据管理。黄启丹：数据管理。冯晨曦：概念化。孙世伟：正式分析，数据管理。赵少华：验证。周伟：数据管理。周春燕：数据管理。林俊：数据管理。张新伟：概念化。张永光：撰写——审稿与编辑，监督，调查，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
