用于测量大气参数以估计空气的质量和气候变量的方法和装置

摘要

本发明涉及一种用于测量至少一个大气参数(气体、温度)的方法和装置，其实施以下步骤：根据断层摄影原理获取紫外和/或可见和/或红外范围中的光谱图像并且进行扫描。光谱图像使用诸如红外相机的光学系统(1A至1D)的网络获取，并且被用于估计地理区域(例如城市群)中的空气质量和/或气象参数和/或气候参数。

说明书

本发明涉及测量大气参数的领域，特别是为了监控、预测和管理空气的质量的目的。

允许监控空气的质量的技术已知为通过测量由测量站收集的空气样本中的污染物浓度。例如，法国领土配备有几百个这种类型的站。然而，这种测量站构成了昂贵的基础设施，并且其密度在领土上相对较低。

这样收集的空气样本通常用于使用数字化学传输模型来估计空气质量。这些数字模型需要大量的计算时间，从而导致了对所研究的地理区域和/或感兴趣区域中实施的测量站的数量的限制。

在这样做时，为了在精细的空间规模下估计污染水平，有必要借助于测量数据平滑和传播技术。

这种技术导致对污染水平的低估，并且更通常地导致这些技术带来的分析和预测的不令人满意的质量。

本发明的目的是通过提出一种能够提高空气质量的分析和预测的质量同时降低基础设施及其实施方式的成本的方法和装置来克服上述缺点。

为此，根据第一方面，本发明涉及一种用于测量至少一个大气参数的方法，包括如下定义的获取步骤和扫描步骤。

在获取步骤中，利用光学系统，特别是在从紫外到红外的波长区内操作的多光谱光学系统，同时获取地球大气层的一系列光谱图像。例如，这些光学系统可以是成像仪和/或辐射计和/或光谱成像仪和/或光谱辐射计。

术语“光谱图像”或“光谱测定图像”是指通常包括N*M个像素的矩阵的图像，其中N≥1且M≥1。例如，在使用辐射计获取图像的特定情况下，N和M可以各自等于1，使得这个图像包括单个像素。

一方面，在根据本发明的方法中实施的光学系统位于地球大气层中，并且相对于地球坐标系是固定的。

另一方面，在这个方法中实施的光学系统被取向成使得它们获取的光谱图像包含沿着所述光学系统的相应视线的所述至少一个大气参数的测量数据。

另一方面，这些光学系统被布置成使得在获取步骤期间，在两条视线之间存在至少一个交点，使得沿着这两条视线同时获取的两个光谱图像包含至少一个大气参数的相互测量数据，这些相互测量数据表示地球大气层的对应于所述交点的点处的至少一个大气参数。

根据本发明，在扫描步骤期间改变光学系统的取向，并且重复获取和扫描步骤，以便获取一连串光谱图像系列，这些光谱图像系列包括表示在地球大气层的一组点处的至少一个大气参数的一组相互测量数据。

这种方法允许使用廉价的基础设施实行大气参数的测量并提高空气质量的分析和预测的质量，特别是在其范围相对较小的地理区域(诸如城市群)的规模下。

作为非限制性示例，至少一个大气参数可以选自大气温度和/或具有紫外和/或可见和/或红外中的特征的至少一个大气气体，诸如O

实际上，本发明的光学系统允许测量符合法规(例如O

在一个实施例中，在扫描步骤期间，可以改变光学系统的取向，使得在这个扫描步骤之前的获取步骤和该扫描步骤之后的获取步骤之间，所述至少一个交点从第一地理坐标经过到第二地理坐标，这个第二地理坐标在经度和/或纬度和/或海拔上不同于所述第一地理坐标。

根据第二方面，本发明还涉及一种用于研究实施以上描述的测量方法的至少一个大气参数的方法。

优选地，用于研究至少一个大气参数的这种方法可以进一步包括分析所获取的光谱图像的步骤。这种分析步骤优选地包括使用包含在这些光谱图像中的一组相互测量数据的至少一部分来反转光谱图像的步骤。

根据第三方面，本发明还涉及一种用于测量至少一个大气参数的装置。这个装置包括光学系统网络，这些光学系统被布置成实施用于测量如上所述的至少一个大气参数的方法。

如上所述，光学系统可以是成像仪和/或辐射计和/或光谱成像仪和/或光谱辐射计。换句话说，光学系统可以是红外相机。

两个相邻光学系统之间的距离通常可以包括在10m和20km之间，优选地在2km和5km之间，更优选地等于3km。

根据第一变型，光学系统可以被紧固在固定到地面的相应支撑件上，诸如塔架、建筑物、水塔或者甚至系留气球。

因此，可以利用现有的基础设施。

根据第二变型，光学系统可以装载在一个或多个静止的飞行器上，诸如无人机或大气气球。

根据第四方面，本发明还涉及使用以上描述的方法和/或装置用于估计其范围优选地包括在100m和100km之间的地理区域的空气的质量和/或气象参数和/或气候参数。不限于此，这个地理区域可以是城市群、工业场地、森林或农业场地。

因此，本发明允许构成能够在住宅规模下测量城市空气的质量的地面遥感断层摄影网络。例如，这种解决方案由于在本地规模下进行的可靠且连续的测量而允许用户或居民知道他们个人暴露于空气污染物。

在阅读以下非限制性描述和附图时，本发明的其他特征和优点将会显现出来，在附图中：

图1示意性地表示了根据本发明的处于第一配置的光学系统的网络；

图2示出了处于第二配置的图1的光学系统的网络。

在所有附图中，相同的元件由相同的附图标记标识。

本发明涉及一种用于测量至少一个大气参数的装置和方法，该装置和方法实施使用光学系统同时获取地球大气层的一系列光谱图像的步骤。

(多个)大气参数可以例如由具有紫外和/或红外中的特征的大气气体(诸如O

获取步骤示意性地在图1中示出。

图1示出了四个光学系统1A至1D的网络。这些光学系统1A至1D通常是能够获取从紫外到红外的波长区内的光谱图像的相机(诸如成像仪、辐射计、光谱成像仪或光谱辐射计)。

光学系统1A至1D位于地球大气层，并且相对于地球坐标系R1固定。术语“固定光学系统”是指相对于所述地球坐标系R1具有相对位置的光学系统，所述地球坐标系R1在本发明方法的实施期间是不变的，与这些光学系统的、在本发明方法的实施期间可以改变的取向无关。

为此目的，光学系统1A至1D可以安装在固定到地面的相应支撑件上，诸如塔架、建筑物、水塔或甚至系留。优选地，这些支撑件具有电源和/或互联网，以便为光学系统供电。该装置还可以包括太阳能电池类型的电源装置和/或wifi连接装置(例如3G或4G)，和/或任何其他类型的远程连接装置。

替代性地，光学系统1A至1D可以装载在一个或多个静止的飞行器上，诸如无人机或大气气球。

作为非限制性示例，两个相邻光学系统之间的距离可以是大约3km。更一般地说，根据要研究的地理区域，这一距离可以包括在10m至20km之间。当然，每对相邻光学系统之间的距离可以相同或不同。在图1的示例中，光学系统1A和1B之间的距离与光学系统1B和1C之间的距离以及与光学系统1C和1D之间的距离相同。

参考图1，光学系统1A至1D被取向成使得它们获取的光谱图像包含沿着所述光学系统1A至1D的相应视线2A1至2D1的至少一个大气参数的测量数据。

换句话说，光学系统1A至1D中的每一个对应于相应的视线2A1至2D1，沿着该视线，这些光学系统1A至1D中的每一个获得光谱图像或一系列光谱图像。特别地，光学系统1A沿着视线2A1获取光谱图像或一系列光谱图像，光学系统1B沿着视线2B1获取光谱图像或一系列光谱图像等(参见图1)。

在获取步骤期间，在图1中示出的配置中，光学系统1A至1D被布置成使得存在在两条视线之间的至少一个交点。在这个示例中，存在在视线2A1和2B1之间的至少一个交点I1，并且存在在视线2C1和2D1之间的至少一个交点I2。

这种布置允许光学系统1A和1B沿着视线2A1和2B1同时获取两个光谱图像。这两个光谱图像包含至少一个大气参数的相互测量数据。这些相互测量数据表示在地球大气层的点(在这种情况下对应于交点I1)处的至少一个大气参数。

同样地，这种布置允许由光学系统1C和1D沿着视线2C1和2D1同时获取两个光谱图像。这两个光谱图像包含至少一个大气参数的相互测量数据。这些相互测量数据表示在地球大气层的点(在这种情况下对应于交点I2)处的至少一个大气参数。

因此，在图1中示出配置下的获取步骤期间，获取包括两个光谱图像的第一系列，这个系列光谱图像包括表示在地球大气层的对应于交点I1和I2的一组两个点处的至少一个大气参数的一组相互测量数据。

根据断层摄影原理，由于扫描步骤的实施，本发明允许获取一连串光谱图像系列。

扫描步骤包括通过在图1的配置和图2的配置之间改变与这些光学系统相关联的视线的取向来改变所示出的光学系统1A至1D的取向。

根据本发明，连续重复这种获取和扫描步骤，以便获取一连串光谱图像系列，这些光谱图像系列包括表示在地球大气层的一组点处的至少一个大气参数的一组相互测量数据。

在图1和图2的示例中，在图1中示出的配置下获取两个光谱图像并且然后改变光学系统1A至1D的取向以实现图2中示出的配置之后，在图2的配置下实行获取步骤。

更准确地说，在图2的配置中，光学系统1A至1D被布置成使得存在在视线2A2和2B2之间的交点I3，存在在视线2C2和2D2之间的交点I4，以及存在在视线2A2和2D2之间的交点I5。在图2的配置中，视线2A2、2B2、2C2和2D2分别对应于光学系统1A、1B、1C和1D。

在这种布置中，因此可以沿着包含至少一个大气参数的相互测量数据的视线2A2和2B2同时获取两个光谱图像。这些相互测量数据表示在对应于地球大气层的交点I3的点处的至少一个大气参数。

图2中示出的布置还允许沿着包含至少一个大气参数的相互测量数据的视线2C2和2D2同时获取两个光谱图像。这些相互测量数据表示在地球大气层的对应于交点I4的点处的至少一个大气参数。

此外，在这个配置中，由光学系统1A和1D沿着视线2A2和2D2获取的两个光谱图像还包含表示在对应于地球大气层的交点I5的点处的至少一个大气参数的相互测量数据。

因此，在图2中示出的配置下实行的获取步骤允许获取第二系列的两个光谱图像，该第二系列的两个光谱图像包括表示在对应于地球大气层的对应于交点I3、I4和I5的一组三个点处的至少一个大气参数的一组相互测量数据。

这种获取和扫描步骤的连续重复可以被实行为使得该组相互测量数据表示位于基本水平平面和/或基本竖直平面和/或地球大气层的体积中的、地球大气层的一组点处的至少一个大气参数。

为此，光学系统1A至1D在扫描步骤期间的取向可以被改变成使得从这个扫描步骤之前的获取步骤到这个扫描步骤之后的获取步骤，一个或多个交点各自从第一地理坐标经过到第二地理坐标，这个第二地理坐标在经度和/或纬度和/或海拔上不同于所述第一地理坐标。

视线和交点的密度(也就是说，获取和扫描步骤的重复的数量以及光学系统的取向角的间距或增量)可以根据感兴趣区域的拓扑、期望的水平和竖直分辨率、光学系统的密度和/或每个光学系统的每个光谱带或通道的光学水平来调整。

光学系统优选地设置在升高的位置，也就是说呈最大化几何水平的配置。

在示例性实施例中，光学系统1A至1D安装在机器人转台(未示出)上，从而允许以包括在经度方向上的-180°和+180°之间的角度以及包括在纬度方向上的0°和+90°之间的角度来取向这些光学系统。纬度角是相对于地面上的水平线正朝向天顶计数的。这样的实施例允许扫描上半半球。

在另一实施例中，纬度角度可以包括在-90°和+90°之间以便也扫描下半半球，并且因此评估表面反射率的测量值的可能贡献及其在辐射传递(直接建模)和反转(见下文)中的入射。

在不脱离本发明的范围的情况下，可以考虑任何类型的扫描，并且前面的示例性实施例决不是限制性的。

本发明允许通过分析根据以上描述的原理获取的光谱图像来研究大气参数。

为此，优选实施分析步骤，包括通过使用包含在这些光谱图像中的相互测量数据组的至少一部分来反转光谱图像的步骤。

可以使用贝叶斯多视线反转软件实行分析。

为了考虑至少一个大气参数的时间演变，可以通过在时间t和时间t-1h之间异常地工作来顺序地实行分析。例如，可以通过在t-1h时对气体计算的场(field)和通过在t时对气象场类型的互补产物(如T和H

顺序时间处理允许消除地球物理变量(大气变量或反射表面的特性)的演变中的一部分，并且因此保持线性直接模型。它还允许大大加快计算时间。

当然，本发明不限于刚刚已经描述的特定示例，并且本领域技术人员将能够在不脱离本发明的范围的情况下实行任何调整或者实施附加步骤或特征。

因此，可以实施相机校准步骤，例如使用其光谱被很好地表征的光发射器(辐射校准)，或者甚至使用具有预定几何图案的黑白目标物(几何校准)。

在其他优点中，本发明允许：

-以小于250m/h的住宅时空测量分辨率估计空气质量，

-通过直接测量而不是数字模型实时产生研究结果，这具有在15至25％范围内的精确度，

-利用是现有网络密度的400倍密集的测量站的网络完全覆盖城市群，

-实行大气层的三维表征，

-得到互补产物(诸如气象场(例如T，H

本发明的应用领域很多，并且特别地包括城市空气的质量的局部和连续监控，例如通过以温室气体为目标来监控工业场所、例如通过检测森林火灾、农业、建筑物的红外热成像、国土开发来监控居民安全、例如通过研究污染和疾病流行之间的相关性来监控健康等。