基于碳卫星与电力排放数据的碳计量

目前,基于温室气体卫星遥感探测技术的碳感知正逐步成为新一代碳计量方法的重要组成部分。然而,从碳卫星数据中准确提取由人类活动产生的碳排放数据是一项至关重要且极具挑战性的任务。文中结合碳卫星与电力排放数据,提出一种新的人工智能算法,以实现准确的碳排放计量。首先,介绍了所使用的包括碳卫星和电力数据在内的多模态数据源,并设计了相应的数据筛选方法。然后,提出了考虑此多模态数据特性的深度学习方法,构建反映碳卫星数据、发电量数据与碳源碳排放量之间函数关系的数据驱动模型。最后,基于美国OCO-2碳卫星的碳浓度遥感数据及美国1304家火力发电厂的连续烟气监测系统数据验证了所提方法在发电厂碳排放量计量问题上的有效性。

“双碳”背景下我国碳卫星产业市场化运营机制探究

2016年,我国成功发射了首颗碳监测科学实验卫星,从科研数据反馈和应用处理上看,相关技术及星座理论已较为成熟。全球日益紧张的碳排放权与碳金融市场交易以及我国的“双碳”目标规划亟须自主碳卫星监测数据及服务的支持,而依靠国家预算以科研属性为主的碳卫星发射速度和频率不足以应对现有状况,碳卫星信息服务产业的市场化运营势在必行。中国特色社会主义市场经济条件下,以国有资本、科研院所、民营资本三方架构共建的产业主体模式,在有效履行各自优势权责的基础上,利用市场力量,进行科研成果实践转化,将成为我国碳卫星产业市场化运营、维护我国政治经济与金融可持续发展的优势路径选择。

陆地生态碳卫星植被激光雷达大动态激光探测技术

陆地生态碳卫星搭载了基于脉冲时间飞行法的全波形激光雷达。针对林业高保真大动态的高精度测量需求,激光雷达设计了双增益探测通道,通道带宽优于80 MHz,采样率1.2 GHz,量化位数12 bit,双通道动态范围覆盖超过40 dB,实现了对激光主波和回波信号的不失真记录。时间测量单元利用优于10-8的高稳定恒温晶振作为时间基准,通过高效波形提取和高精度质心提取算法,达到了时间测量精度优于300 ps的技术指标。对双通道数据的相对延时进行了测量标定,利用其单次测量延时固定的特性提出了双通道测量数据的融合应用建议。目前激光雷达已在轨运行1年,运行良好,在轨标定测距精度优于0.15 m,满足研制要求。

面向大区域碳卫星数据的分布式Kriging插值算法优化

针对基于原生Kriging算法在大区域尺度上对碳卫星数据进行插值时存在的计算耗时长、并行加速难等问题,对Kriging插值算法进行调整,优化其中的关键计算环节,并根据数据特征与时序依赖关系对插值过程进行拆分重组,细化插值粒度,将其构建为可在分布式环境下并行执行的DAG结构工作流,最后基于一套双层架构的DAG任务调度引擎实现整个插值工作流在分布式环境下的并行加速。实验结果表明,在不同区域尺度上,以上方法框架均具有较高的插值效率,与Spark相比,在大区域尺度上具有明显的速度优势。

碳卫星高光谱CO_2探测仪发射前光谱定标

为了完成碳卫星高光谱CO_2探测仪的发射前光谱定标,建立了光谱定标系统,并对定标系统设计、所采用的自动化数据采集和数据处理算法等进行了研究。根据CO_2探测仪的探测原理介绍了载荷的光谱性能要求,描述了定标系统的设计与所采用的仪器设备,说明了采用自动化数据采集、旋转积分球、功率校正与暗背景校正等改进的定标方法。最后,介绍了光谱定标的数据处理方法。发射前定标结果表明:载荷三个波段的ILS能量集中度分别大于0.80,0.81和0.78;FWHM分别为0.039 2~0.042 4nm,0.123~0.128nm和0.157~0.168nm;光谱采样率区间分别为2.12~2.95、1.97~2.27和1.92~2.26。对发射后实测太阳夫朗禾费光谱进行了评估,结果表明:中心波长偏差小于0.0013,0.058和0.065nm。CO_2探测仪整体的光谱性能指标能够达到系统设计要求。

碳卫星CO_2探测仪发射前的漫反射板定标

为了提高CO_2探测仪的在轨辐射定标精度,建立了在轨辐射校正原理,并对关键环节漫反射板的制备、BRDF定标和应用进行了系统的研究。根据CO_2探测仪的工作原理与系统组成,介绍了星上定标设备和在轨辐射定标策略,确定了漫反射板的制备方法和优化工艺参数,制定了以标准灯和标准探测器为传递链路的漫反射板BRDF的精确定标方法。对漫反射板基准BRDF、角度修正因子和半球反射率进行了测试,对其实验室定标精度进行了分析,并通过在轨初期的应用结果予以验证。发射前的定标结果表明,漫反射板在760nm、1 610nm和2 060nm 3个波段的定标精度均优于3%。在轨初期的测试结果表明CO_2探测仪1 610nm波段在轨绝对辐射定标精度优于5%。CO_2探测仪漫反射板的定标结果满足仪器辐射定标对漫反射板定标的精度要求。

试验区碳卫星载荷航空校飞综合试验方案设计

为了充分了解全球碳循环过程及其对气候的影响,并对CO_2排放状况提供数据支撑,扩大我国在国际气候变化方面的话语权,国家高技术研究发展计划(863计划)支持开展了"全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范"项目的研究,卫星搭载了高光谱与高空间分辨率CO_2探测仪(以下简称CO_2探测仪)与云与气溶胶探测仪(以下简称CAPI探测仪),它们的监测数据将用于精确反演全球大气CO_2含量,为全球大气环境变化、温室气体探测、光化学过程、气候变迁等方面的研究与业务的需求发展提供技术依据。CO_2探测仪作为我国首台温室气体遥感监测仪器,研制难度极大,亟需通过航空校飞试验完善载荷发射前的试验环,对载荷功能和性能进行有效评估,以进一步降低卫星发射后的运行风险。此外通过航空校飞获取的对地观测数据还将为CO_2浓度反演算法的开发与验证提供较为理想的模拟数据集,对卫星发射前数据应用技术体系的贯通和卫星发射后的航空伴飞验证具有极大助益,同时为我国机载温室气体探测积累了宝贵前期经验。课题利用我国正在研制的碳卫星载荷,CO_2探测仪和CAPI探测仪,通过适应性改造,搭载在航空飞行平台上进行2个试验区的航空校飞综合试验及其地基同步综合观测试验,验证CO_2探测仪载荷对CO_2探测的功能及部分性能指标;同时为大气CO_2浓度反演算法提供试验数据,并综合地基观测等手段对校飞反演数据进行精度检验,为卫星发射后尽快发挥效益奠定技术基础。

中国开放碳卫星数据

中国国家卫星气象中心网站2017年10月23日报道，自2017年10月24日开始，中国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星（简称碳卫星）数据已通过国家卫星气象中心网站面向社会公众开放共享，用户可以登录该网站（http：／／data．nsmc．org．cn）检索和下载碳卫星数据。这意味着，继美国和日本之后，中国成为第三个可以提供碳卫星数据的国家。

国际碳卫星观测数据分析合作计划

气候变化关乎人类生存发展,面对气候变化,需要全球采取统一行动。2015年12月达成的首个全球性协定《巴黎协定》提出,要把全球平均气温较工业化前升高程度控制在2℃之内,并为把升温控制在1.5℃内而努力;2018年10月联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的《全球升温1.5℃特别报告》呼吁开展快速且深远的气候行动.

中国碳卫星核心仪器数据对外开放共享

从10月24日开始,我国全球二氧化碳监测科学实验卫星数据正式对外开放共享。这也意味着,继美国、日本之后,我国成为第三个可以提供碳卫星数据的国家。据中国气象局卫星专家介绍,这颗由我国自主研制的碳卫星于2016年12月22日发射,目前在轨运行良好。碳卫星克服了地面监测站在空间分布上的局限性。

北京市基于4种碳卫星产品的100 m XCO_(2)全覆盖重构研究

碳卫星观测数据的应用急需解决时空不连续、时空分辨率低的问题。其中XCO_(2)产品数据重构后的高时空分辨率的再分析数据将为区域、行业CO_(2)源、汇研究缺乏实时观测数据提供解决途径。基于4套XCO_(2)产品数据,DataCube多维数据建模可集成不同产品数据的时空信息,进而实现4套XCO_(2)产品数据的时空信息统一存储、关联和格网化,提出一种可实现多种XCO_(2)产品数据动态映射、交互、关联分析和特征融合的XCO_(2)重构方法,最后得到北京区域100 m全覆盖格网XCO_(2)重构产品。结果表明:重构结果与TCCON香河站观测值具有较高的一致性(R^(2)=0.90,RMSE=0.89),且与CarbonTracker模拟结果和TCCON观测结果时间变化趋势一致;2020年北京地区XCO_(2)总体呈北部较低,中北部和南部较高,中部最高的空间分布,低值区小于410 ppm,高值区大于416 ppm;动态揭示了北京区域“生态涵养区”和“发展区”之间受地表碳源、汇影响而呈现出的高低值时空变化的规律和垂直、水平输送特征。

基于国产碳卫星的在轨光谱性能评估及大气二氧化碳的高精度反演(特邀)

采取在轨二次定标的方法全面评估了TanSat的光谱性能,对波长漂移、辐照度失真、光谱噪声结构等问题进行了定量校正,以有效地提升光谱质量和反演效果,使得二氧化碳(CO_(2))的反演成功率上升约24%,光谱拟合残差(RMS)下降约15%,不确定度下降约30%。与全球碳柱总量观测网(TCCON)和国际同类卫星产品进行交叉对比后发现:利用在轨二次定标校正的光谱所反演得到的大气CO_(2)产品整体精度达到1.24×10^(-6),平均偏差仅为5×10^(-8),在全球范围内各个TCCON站点附近均保持较高的准确性。同时,TanSat的反演结果与日本GOSAT和美国OCO-2等卫星具有高度的一致性,大部分相关性对比指标甚至优于两颗标杆卫星之间的对比结果。本研究为新一代国产碳卫星的在轨定标和数据反演提供了借鉴思路和方法。

基于轨道碳观测卫星2号的四川省二氧化碳排放量估算

为实时量化区域大气二氧化碳(CO_(2))排放和监控地面CO_(2)浓度变化,利用2014年9月6日至2021年12月31日轨道碳观测卫星2号卫星观测数据,通过获取经过四川地区的有效轨道观测数据,对当地CO_(2)羽流进行识别,基于曲线积分方法,结合ERA5再分析风场资料,对四川省CO_(2)排放进行估算。研究结果表明,利用OCO-2卫星观测数据可有效估算区域CO_(2)截面通量,估算结果在0.08~4.78 kt/h,不确定度介于0.0031~0.2692 kt/h,除个别案例,不确定度占比在1.1%~8.46%,其估算结果与全球大气研究排放数据库和人为二氧化碳的开源数据清单两种排放清单的估算结果呈弱相关。

陆地碳监测卫星光学立体影像定位精度分析

陆地碳监测(terrestrial carbon monitor satellite,CM-1)卫星主要应用于陆地生态资源调查监测,因此,对其光学立体影像定位精度及DSM质量分析具有重要意义。首先,利用参考影像和AW3D30 DEM数据,在CM-1卫星立体影像上匹配一定量控制点,进行区域网平差,以验证CM-1卫星影像立体定位精度;随后,将CM-1立体影像提取的DSM数据分别与AW3D30 DEM和ICESat-2激光测高数据对比分析;最后,利用平均值、标准差和均方根误差3项指标评估CM-1立体影像提取的DSM精度。结果表明,有控条件下,相对于数字正射影像,CM-1卫星立体影像在平原地区平面定位精度达到1 m,相对于AW3D30 DEM,平原地区高程定位精度达到1.57 m。前视后视立体影像提取的DSM精度高于前视正视、后视正视立体影像提取的DSM精度。

陆地生态系统碳监测卫星系统设计与技术创新

由国家民用空间基础设施支持的陆地生态系统碳监测卫星“句芒号”瞄准森林碳汇储量评估的需求,配置了多波束激光雷达、多角度多光谱相机、超光谱探测仪和多角度偏振成像仪等4个载荷。卫星采用主被动遥感相结合的体制,综合运用激光、多角度、多光谱、超光谱、偏振等遥感手段,可实现植被生物量、叶绿素荧光、气溶胶分布的高精度定量测量。通过在轨定标和真实性检验,发布了包括森林树高、生物量、叶绿素荧光等反演产品。目前该卫星处于在轨测试阶段,预期在地面坡度小于5°的区域,树高测量精度优于1.5 m,区域尺度的生物量反演精度优于85%。该卫星将在碳汇储量监测、生态资源详查、国家重大生态工程监测评价等方向上提供遥感监测服务,为“碳达峰、碳中和”战略发挥遥感力量。

面向全球碳盘点的我国下一代碳卫星方案

为减少温室气体排放,世界各国纷纷加大对碳排放、碳汇的现状和变化过程的监测力度,特别是一些发达国家开始探索推进新一代碳监测卫星计划。我国在发射首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星(TanSat)的基础上,开展了下一代碳卫星技术方案研究,将形成探测要素更全、探测精度更高、空间覆盖更宽、时空分辨率更精细的全球温室气体与示踪物监测卫星/星座方案,为我国气候变化研究和温室气体盘点提供全球质量统一、高时频连续覆盖的温室气体与示踪物观测数据。

基于OCO-2卫星观测的浙江省典型城市CO_(2)柱浓度变化特征及碳排放重点源识别应用

为有效制定城市层面的低碳发展政策,实现碳达峰的发展目标,利用碳卫星2号(OCO-2)监测的高分辨率大气CO_(2)柱浓度数据(XCO_(2)),分析浙江省杭州、宁波和嘉兴3个典型城市的XCO_(2)变化特征,以及人类活动和XCO_(2)变化的关系;识别城市碳排放热点区域,评估碳排放热点源对XCO_(2)的影响,并利用拉格朗日粒子扩散模型(LPDM)进行验证。结果表明:(1)2016—2021年3个城市的XCO_(2)年增长量分别为3.1×10^(-6),2.3×10^(-6)和2.2×10^(-6),杭州的增长量最为明显;杭州和宁波在2019—2021年XCO_(2)增量明显,分别为8.0×10^(-6)和5.7×10^(-6)。杭州XCO_(2)的变化趋势与临安大气本底站CO_(2)观测数据的变化趋势一致。(2)与2017年相比,3个城市的建筑用地面积都略有增加,分别增加了0.9%,2.2%和4.8%;从人口和GDP数据来看,2016—2021年3个城市也均呈持续增加的变化趋势。表明CO_(2)浓度升高与人类活动密切相关。(3)XCO_(2)正距平高值区域基本都对应了碳排放热点源(电力企业)的下风向地区,电力企业CO_(2)的排放会导致下风向地区的XCO_(2)出现局地性增长,增量为7×10^(-6)~9×10^(-6)。

陆地生态系统碳监测卫星多角度偏振成像仪细粒子气溶胶反演

细粒子气溶胶光学厚度是大气环境监测、气候变化评估所需的关键参数。对2022年8月发射的陆地生态系统碳监测卫星(CM-1)上搭载的多角度偏振成像仪(DPC)进行了较为系统的介绍。DPC/CM-1的主要改进是星下点空间分辨率从3.3 km提升到2.4 km。针对DPC/CM-1载荷及数据特点,发展了基于偏振与光谱特征和空间纹理特征的云检测方法,同时耦合了多角度信息实现较严格的云像元判识。该方法对于沙漠、植被、丘陵,以及海表耀光及非耀光区域等不同下垫面,均有较好的检测效果。发展了基于改进气溶胶模型的细粒子气溶胶光学厚度(FAOD)反演算法,利用全球地基气溶胶观测网(AERONET)数据对FAOD反演结果进行了验证,拟合直线斜率达到0.95以上,且有接近73%的数据分布于期望误差以内,说明了反演算法的可靠性。FAOD反演结果清晰显示出全球FAOD空间分布特征,其中,印度、非洲中部等地区受人口分布、工/农业排放、生物质燃烧等影响,FAOD高值达到0.7~0.9。DPC/CM-1在轨测试期间的初步反演结果表明其在大气环境监测、污染传输分析等方面的潜力,能够提供更精细尺度的大气参数反演结果。

陆地生态系统碳监测卫星松材线虫病变色木识别指数研究

松材线虫病是一种严重威胁松树生存的林业有害生物疫情。高分辨率卫星遥感技术是松材线虫病变色松木识别的有效手段。通过研究植被指数阈值法,利用2022年8月4日发射的陆地生态系统碳监测卫星(句芒号)优于2 m高分辨率4谱段相机的特点,开展基于指数的松材线虫病木识别示范,验证该卫星松材线虫病监测应用能力。基于松材线虫染病松木光谱特征,提出基于与生物量和色素相关的双指数识别策略,设计了松材线虫病指数(PWDI),并在山东省栖霞市疫区进行句芒号松材线虫病识别测试。结果表明,双指数识别策略相比单指数策略性能更优,其中PWDI与NDVI组合的松材线虫病变色松木识别能力最强,总体精度达到84.5%,NWI—NDVI,NGRDI—NDVI组合次之。在单指数策略下,PWDI的识别性仍能优于其他5个测试植被指数。研究表明,句芒号卫星具有可靠识别松材线虫病变色松木的良好潜力,松材线虫病变色松木双指数识别策略及新的识别指数PWDI可为其他类似卫星的松材线虫病监测提供借鉴。

中国碳卫星大气CO_2反演方法:GOSAT数据初步应用

中国全球二氧化碳监测科学实验卫星(TanSat)预计将于2015年发射升空.针对TanSat的高精度遥感观测科学目标,基于最优估计理论建立能够监测全球碳源汇变化的大气二氧化碳混合比(XCO2)的高精度反演方法.利用碳源汇监测卫星(GOSAT)观测光谱数据开展了反演试验,XCO2反演值与中纬度地面观测结果(TCCON)的对比分析表明:90%的反演误差小于4ppm(1%)(1ppm=1LL1),与日本、美国的反演精度相当;同时,XCO2反演结果也表现出南、北半球碳浓度的季节变化特征.