CN114720397A - 一种卫星和地面结合测量碳值的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种卫星和地面结合测量碳值的系统和方法，该系统包括：地面控制和计算系统，分别与一个或多个卫星和一个或多个地面碳标设备通信连接，且包括：地面碳标设备通信模块，用于获得地面碳标设备的位置信息；卫星通信模块，用于将该位置信息发送给卫星，使卫星在过顶地面碳标设备时收集其发射的激光的光谱数据，并接收来自卫星的光谱数据；以及计算模块，用于根据光谱数据，计算对应于该卫星的轨道高度和地面碳标设备的位置的实时碳值。该方案可大幅提高碳值测量的准确性和精度，降低成本，且提高碳测量覆盖度，不受具体地形限制。

Description

一种卫星和地面结合测量碳值的系统和方法
技术领域
本发明涉及卫星遥感技术领域，具体涉及一种卫星和地面结合测量碳值的系统和方法。
背景技术
全球变暖会带来显著的气候变化，在造成干旱和洪涝的同时也会引发粮食安全危机，科学界的研究表明，地表温度每上升1℃，粮食产量会下降17%。全球变暖还会导致冰川融化和海平面上升，地表温度每上升1.7℃，海平面将上升30厘米，而全球超过一半的人口居住在海岸线200公里以内，这意味着他们都是潜在的受害者。
过去100 年，人类活动导致地表温度增加了1.1℃，现在的地球比过去几万年的任何时期都要热，大气中的二氧化碳含量达到了有史以来的最高值。在全球变暖的背景下，碳中和已成为全球科学家和政治家的共识，它是保护人类生存环境的必备政策。
碳值是碳中和及碳达峰工程中的最关键的度量指标。这里的“碳值”可以是指大气中二氧化碳（CO2）的浓度，也可以指大气中以二氧化碳为代表的若干种主要温室气体的综合浓度。除二氧化碳（CO2）之外，所述主要温室气体例如有甲烷（CH4），氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFCs）、全氟化碳（PFCs）和六氟化硫（SF6）。这些温室气体的排放将会导致温室效应，对地球的生存环境造成严重影响。其他温室气体，根据官方的当量表，均可以转化为二氧化碳的当量值，比如甲烷相对于二氧化碳（25:1）。因此下文中提到的碳值，可以是指将上述温室气体按当量表转化为二氧化碳后得出的浓度值。
为实现碳中和及碳达峰的目标，需要相对实时地测量某个地点的碳值，以及测量碳值在某个国家、某个区域乃至全球的分布情况。
目前主要有两类碳值测量方案。
1.地面测量方案，除传统的气体传感器（如电化学气体传感器、PID气体传感器等）外，主要包括利用激光光谱技术的方案。在这种方案中，激光发射和接收装置都在地面上且相距一段距离，这种技术方案局部测量精度高，但是覆盖度不够，不适合大区域部署和监测，并且部分场地凸凹不平，不适合展开地对地监测。
2.卫星测量方案。通过卫星的多光谱相机实时拍摄，监测云层下二氧化碳等气体浓度，来测算当前的碳值分布。这种方法覆盖广，实时性高，随着卫星分布越来越广，覆盖度会进一步提升。但这类方案由于无发射源，而是利用较低的自然反射光功率，信号量不足，因此其弊端在于准确性较低，且容易受到天气、其他协同气体等影响。此外，为确保适当的光谱覆盖度和分辨率，涉及相机成本的增加，使得多光谱相机十分昂贵。
因此，本领域中需要改进的碳值测量技术方案。
发明内容
在本发明的一个方面，提供了一种卫星和地面结合测量碳值的系统，包括：
一种地面控制和计算系统，其与一个或多个卫星通信连接，并与一个或多个地面碳标设备通信连接，其中，每个卫星包含多光谱相机，每个地面碳标设备包括至少一个激光发射器，
所述地面控制和计算系统包括：
地面碳标设备通信模块，其被配置为：接收所述一个或多个地面碳标设备的位置信息；
卫星通信模块，其被配置为：将所述一个或多个地面碳标设备的位置信息分别发送给所述一个或多个卫星，使得所述一个或多个卫星在过顶所述一个或多个地面碳标设备时能够将多光谱相机对准所述一个或多个地面碳标设备，并收集由所述一个或多个地面碳标设备的至少一个激光发射器发射的激光的光谱数据，以及接收来自所述一个或多个卫星的光谱数据；以及
计算模块，其被配置为：根据所述光谱数据，计算对应于所述一个或多个卫星的轨道高度和所述一个或多个地面碳标设备的位置的实时碳值。
在本发明的另一个方面，提供了一种卫星和地面结合测量碳值的方法，包括：
接收一个或多个地面碳标设备的位置信息，其中每个地面碳标设备包括至少一个激光发射器；
将所述一个或多个地面碳标设备的位置信息分别发送给一个或多个卫星，其中每个卫星包含多光谱相机，使得所述一个或多个卫星在过顶所述一个或多个地面碳标设备时能够将多光谱相机对准所述一个或多个地面碳标设备，并收集由所述一个或多个地面碳标设备的至少一个激光发射器发射的激光的光谱数据；
接收来自所述一个或多个卫星的光谱数据；以及
根据所述光谱数据，计算对应于所述一个或多个卫星的轨道高度和所述一个或多个地面碳标设备的位置的实时碳值。
在本发明的又一个方面，还提供了一种机器可读存储介质，其存储有机器可执行代码指令，所述机器可执行代码指令当被机器执行时使得该机器执行根据本发明的任何一个实施例的卫星和地面结合测量碳值的方法。
在本发明的再一个方面，还提供了一种计算机系统，其包括处理器和与处理器相连接的存储器，所述存储器中存储有程序指令，所述处理器被配置为通过加载和执行所述存储器中的程序指令而执行根据本发明的任何一个实施例的卫星和地面结合测量碳值的方法。
根据本发明的实施例的卫星和地面结合测量碳值的技术方案通过在卫星和地面碳标设备之间的激光发射和接收来测量碳值，与现有的无发射源的卫星测量方案相比，大幅提高了光功率和信号量，而且可以使激光的光谱范围更为集中，因此大幅提高了碳值测量的准确性和精度，且大幅降低了多光谱相机和卫星的成本。与现有的地面测量方案相比，可以大幅提高碳测量的覆盖度，且不受具体地形等的限制，因此适合于在诸如一个国家、一个区域或全球的大区域部署和监测，从而能够为全球碳中和及碳达峰工程提供更有力的技术保障和支持。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的一种卫星和地面结合测量碳值的系统。
图2示出了根据本发明的实施例的地面控制和计算系统110的功能模块图。
图3示出了根据本发明的实施例的一种卫星和地面结合测量碳值的方法。
具体实施方式
下面参照附图详细描述本发明的实施例。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解本发明。但是，对于所属技术领域内的技术人员明显的是，本发明的实现可不具有这些具体细节中的一些。此外，应当理解的是，本发明并不限于所介绍的特定实施例。相反，可以考虑用下面的特征和要素的任意组合来实施本发明，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的方面、特征、实施例和优点仅作说明之用而不应被看作是权利要求的要素或限定，除非在权利要求中明确提出。
现参照图1，其示出了根据本发明的实施例的一种卫星和地面结合测量碳值的系统100，以及图2，其示出了根据本发明的实施例的地面控制和计算系统110的功能模块图。如图1和图2中所示，该卫星和地面结合测量碳值的系统100包括：
地面控制和计算系统110，其与一个或多个卫星120通信连接，并与一个或多个地面碳标设备130通信连接，其中，每个卫星120包含多光谱相机，每个地面碳标设备130包括至少一个激光发射器，
所述地面控制和计算系统110包括：
地面碳标设备通信模块111，其被配置为：接收所述一个或多个地面碳标设备130的位置信息；
卫星通信模块112，其被配置为：将所述一个或多个地面碳标设备130的位置信息分别发送给所述一个或多个卫星120，使得所述一个或多个卫星120在过顶所述一个或多个地面碳标设备130时能够将多光谱相机对准所述一个或多个地面碳标设备130，并收集由所述一个或多个地面碳标设备130的至少一个激光发射器发射的激光的光谱数据，以及接收来自所述一个或多个卫星120的光谱数据；以及
计算模块113，其被配置为：根据所述光谱数据，计算对应于所述一个或多个卫星120的轨道位置和所述一个或多个地面碳标设备130的位置的实时碳值。
所述地面控制和计算系统110例如可以为一个或多个计算机系统，所述计算机系统通常可包括通过总线结构连接的处理器、存储器、持久存储设备、输入输出设备、通信单元等。所述处理器用于执行可被载入到存储器的软件指令和数据，其可以是任何类型的计算和处理设备，也可以是若干处理器、多处理器核或某种其他类型的处理器。所述存储器用于存储由处理器执行的软件指令以及数据，其可以是例如随机存取存储器或任意其他合适的易失性或非易失性存储装置。所述持久存储设备用于持久地存储软件程序及数据，其可以是硬盘驱动器、闪存、可重写光盘、可重写磁盘或上述的某个组合，也可以是可移动硬盘驱动器。所述输入/输出设备用于提供计算机系统与用户之间的交互，其可包括键盘、鼠标等输入设备，以及打印机、显示器等输出设备。所述通信单元用于计算机系统与其他计算机系统和设备之间的交互，其可包括有线通信单元和无线通信单元中的任何一个或两者，且可采用诸如以太网、TCP/IP、WiFI、4G、5G等任何通信协议与远程的其他计算机系统或设备进行通信。如本领域技术人员所知的，计算机系统还可包括其他单元或部件。
所述地面控制和计算系统110的各功能模块（如地面碳标设备通信模块111、卫星通信模块112和计算模块113），可作为软件程序模块持久存储在持久存储设备中，并在工作时被载入到存储器中，以便由处理器执行，从而实现所述各功能模块的功能。
在一些实施例中，所述地面控制和计算系统110通过卫星地面站与一个或多个卫星120通信连接，例如，通过卫星地面站向所述一个或多个卫星发送所述一个或多个地面碳值设备130的位置信息等，以及从卫星地面站接收来自所述一个或多个卫星的光谱数据。
在另一些实施例中，所述地面控制和计算系统110直接与所述一个或多个卫星120通信，例如，直接向所述一个或多个卫星120发送所述一个或多个地面碳值设备130的位置信息等，并直接接收来自所述一个或多个卫星120的光谱数据。在这些实施例中，所述地面控制和计算系统110还包括卫星通信装置，例如卫星信号接收、处理和发送装置。
在一些实施例中，所述地面控制和计算系统110与一个卫星120通信连接，并与该一个卫星120的轨道所覆盖的一个或多个地面碳标设备130通信连接，从而能够测量该一个卫星120的轨道所覆盖的一个或多个地面碳标设备130上空的碳值。
在另一些实施例中，所述地面控制和计算系统110与多个卫星120通信连接，并与所述多个卫星120的轨道所覆盖的多个地面碳标设备130通信连接，从而能够测量该多个卫星120的轨道所覆盖的多个地面碳标设备上空的碳值。
所述多个卫星120可以不同轨道绕地球飞行，其可具有相同或不同的轨道高度，例如100公里、300公里等。每个卫星120上可搭载有多光谱相机，该多光谱相机用于接收例如地面碳标设备发射的激光，并生成相应的光谱数据，所述光谱数据例如可以是包含了激光光谱信息的激光图像，也可以是经过对激光图像进行处理后生成的光谱数据。每个卫星120还可包括通信单元、控制单元和存储单元等。所述通信单元用于与所述地面控制和计算系统110通信，例如接收所述一个或多个地面碳值设备130的位置信息等，并将其存储在存储单元中，以及将收集的光谱数据发送给所述地面控制和计算系统110。所述控制单元用于对所接收的信息进行处理，并控制卫星及其部件，例如当根据所述一个或多个地面碳标设备130的位置判断卫星120即将过顶一个地面碳标设备130时，控制多光谱相机对该地面碳标设备130发射的激光进行拍照（以及控制卫星的姿态使多光谱相机面向该地面碳标设备130），收集所拍照的激光图像或光谱数据等等。
所述多个地面碳标设备130可分布在地球表面的一个或多个区域（例如一个或多个国家），或整个地球表面，以便测量所述区域上空或全球大气中的碳值。每个地面碳标设备130可以是固定的，也可以是移动的，例如安装在船上从而可以用于测量水面（如海面）上的碳值。
每个地面碳标设备130例如可包括一云台，所述至少一个激光发射器可安装在该云台上，以便随该云台的转动而调整激光发射角度。如本领域技术人员所知的，云台是指包括工作平台、转向机构、电机和传动机构、支架等的装置，该工作平台上用于放置诸如激光发射器等设备，该工作平台安装在转向机构上，从而可以在电机及传动机构的带动下转动，而面向任何方向。
每个地面碳标设备130还可包括一控制单元及通信单元，所述通信单元用于与诸如地面控制和计算系统110等其他设备进行远程通信，所述控制单元用于通过所述通信单元将该地面碳标设备130的位置发送给所述地面控制和计算系统110。所述控制单元例如可以从预先设定的设置获得该地面碳标设备130的位置，或者可以从该地面碳标设备130上安装的一GPS模块实时获得该地面碳标设备130的位置。每个地面碳标设备130还可包括其他部件，例如用于探测周边碳值的碳值传感器等。
应指出的是，所述地面控制和计算系统110除了包括所述地面碳标设备通信模块111、卫星通信模块112、计算模块113之外，还可以包括其他模块，例如一控制模块，其用于协调和控制其他各模块的操作。此外，若干模块可以合并为一个模块，一个模块的功能也可以由另一个模块完成。另外，各模块的名称仅是出于方便而定，而不具有任何限制意义。总之，在本说明书中，重要的是各模块所完成的功能和操作，而不是这些模块的划分和命名。
所述地面碳标设备通信模块111可以从每个地面碳标设备130获得该地面碳标设备的位置信息，或者，也可以从用户输入、通信连接的其他计算设备、存储设备等处获得所述一个或多个地面碳标设备130的位置信息。
所述卫星通信模块112可以将所述一个或多个地面碳标设备130的位置信息分别发送给所述一个或多个卫星120。当任何一个地面碳标设备130的位置发生变化时，所述地面碳标设备通信模块111可获得更新的地面碳标设备130的位置信息，且所述卫星通信模块112可以将更新的地面碳标设备130的位置信息发送给所述一个或多个卫星120。所述卫星通信模块112还可以接收来自所述一个或多个卫星的光谱数据，并将其提供给所述计算模块113，或者存储在所述地面控制和计算系统110的存储器中。
所述计算模块113可以根据来自每个卫星120的光谱数据，计算对应于该卫星120的轨道高度和过顶的地面碳标设备130的位置的实时碳值，即所述地面碳标设备130的位置和该卫星的轨道高度之间的大气所含的实时碳浓度。如本领域技术人员所知的，当激光穿过大气时，大气中含有的不同气体分子会吸收不同波长的光子，完成能级跃迁，从而在激光图像中产生不同的吸收光谱。这样，通过生成和分析激光图像中的光谱及其强度，就可以判断大气中含有的不同气体成份及其浓度。
在一些实施例中，所述卫星通信模块112还被配置为：获得所述一个或多个卫星120的轨道信息；
所述地面碳标设备通信模块111还被配置为：将所述一个或多个卫星120的轨道信息分别发送给所述一个或多个地面碳标设备130，使得所述一个或多个地面碳标设备130能够分别在所述一个或多个卫星过顶时将所述至少一个激光发射器指向所述一个或多个卫星并发射激光。
所述卫星通信模块112可以从所述一个或多个卫星120或者从卫星地面站获得所述一个或多个卫星的轨道信息，或者也可以从卫星发射、运营、监管机构等处获得卫星轨道信息。
当所述地面碳标设备通信模块111将所述一个或多个卫星120的轨道信息分别发送给所述一个或多个地面碳标设备130后，每个地面碳标设备130就能够根据该轨道信息实时监视是否有任何卫星120即将过顶，即是否有任何卫星120即将飞行到该地面碳标设备130上空附近，例如，是否有某个卫星将在1分钟之内飞行到某个地面碳标设备130上空10度角以内的区域（即以地面碳标设备为顶点、指向天空、角度为10度的圆锥区域）中。当判断有任何卫星120中即将过顶时，该地面碳标设备130将至少一个激光发射器指向该卫星120并发射激光，从而使得该卫星120能够收集来自该激光的光谱数据。
当然，在其他一些实施例中，每个地面碳标设备130可以从其他途径获得所述一个或多个卫星120的轨道信息，例如可以出厂预置有所述一个或多个卫星120的轨道信息，或者从用户输入或其他设备获得所述一个或多个卫星的轨道信息，这样，就不再需要从所述地面控制和计算系统110获得该信息。
每个地面碳标设备130的所述至少一个激光发射器可以具有适当的发射功率，以使得卫星能够接收该激光并能刚好对其清晰成像，从而能够从中获得足够的相关光谱信息。该发射功率可以根据本领域中的相关知识、经验以及通过试探法来确定和调整。所述至少一个激光发射器的发射光谱范围可以包括待测的二氧化碳等温室气体的吸收光谱范围。
在一些实施例中，所述地面碳标设备通信模块111还被配置为：接收所述至少一个地面碳标设备130在其至少一个激光发射器发射激光后传送的发射数据，所述发射数据包括激光发射时间、发射角度、对应卫星轨道、地面碳标设备的位置、周边碳值、发射功率和发射激光光谱中的一个或多个；
所述计算模块还被配置为：将计算的碳值与所述发射数据相关联。
当所述计算模块113根据来自多个卫星120的对应于多个地面碳标设备130的光谱数据，计算出分别对应于多个卫星120的轨道高度和多个地面碳标设备130的位置的多个实时碳值后，就可以获得分布有所述多个地面碳标设备130的整个区域的碳值分布数据，该碳值分布数据可包括该整个区域中每个地面碳标设备130位置处的碳值，且还可以包括相应的地面碳标设备位置、周边碳值、激光发射时间以及相应的卫星轨道信息等。
根据本发明的实施例的卫星和地面结合测量碳值的系统100由于采用了地面碳标设备130发射的激光作为信号源，与现有的无发射源的卫星测量方案相比，大幅提高了光功率和信号量，而且可以使激光的光谱范围更为集中，因此大幅提高了碳值测量的准确性和精度，测量精度通常可以提高至少一个数量级。同时，可以在卫星上使用能够感知激光的低成本的多光谱相机，与现有的使用昂贵的多光谱相比或其他复杂的测碳装置的卫星测量方案相比，大幅降低了相机和卫星的成本。此外，根据本发明的实施例的卫星和地面结合测量碳值的系统100由于使用了卫星和地面碳标设备130结合测量碳值的方案，与现有的地面测量方案相比，可以大幅提高碳测量的覆盖度，且不受具体地形等的限制，因此适合于在诸如一个国家、一个区域或全球的大区域部署和监测，从而能够为全球碳中和及碳达峰工程提供更有力的技术保障和支持。
在一些实施例中，所述一个或多个地面碳标设备130中的至少一个地面碳标设备130包括一个主激光发射器和一个从激光发射器，两者之间的距离大于卫星120在地面的分辨率，主激光发射器的发射功率大于从激光发射器的发射功率，其发射光谱范围包括待测气体的光谱范围，从激光发射器的发射功率大于周边环境光的功率，其发射光谱范围包括周边可能含有的气体的光谱范围；
所述卫星通信模块112进一步被配置为：接收来自于所述一个或多个卫星120中的至少一个卫星120的分别来自于所述主激光发射器和从激光发射器的光谱数据；
所述计算模块113进一步被配置为：通过从来自于所述主激光发射器的光谱数据减去来自于所述从激光发射器的光谱数据，获得最终的光谱数据，以及根据所述最终的光谱数据，计算对应于所述至少一个卫星120的轨道高度和所述至少一个地面碳标设备130的位置的实时碳值。
在这些实施例中，所述主激光发射器和从激光发射器之间的距离大于卫星120在地面的分辨率，例如，如果卫星在地面上的分辨率为1米，则主激光发射器和从激光发射器的距离要大于1米，以便所述主激光发射器和从激光发射器发射的激光能够在卫星的多光谱相机上成像为两个分离的激光图像（例如光点）。在这些实施例中，如果所述主激光发射器和从激光发射器相距较远，例如大于1米，则可以分别安装在各自的云台上；如果所述主激光发射器和从激光发射器相距较近，例如1米以内，也可以安装在同一个云台上。
在这些实施例中，所述主激光发射器的发射功率通常远大于从激光发射器的发射功率，例如可以大1-2个数量级。所述主激光发射器发射的激光用于碳值测量，其发射功率例如可以为确保激光穿透大气、并刚好能在卫星上的多光谱相机中清晰成像，从而能够从中获得足够的相关光谱信息的功率；所述从激光发射器的发射功率可以大于周边环境光的功率，例如可以为刚好能够在卫星上的多光谱相机中成像的发射功率。所述主激光发射器的发射光谱范围可包括待测气体的光谱范围，例如可大于待测的二氧化碳等温室气体的光谱范围；所述从激光发射器的发射光谱范围可包括周边可能含有的气体的光谱范围，该光谱范围通常大于所述待测气体的光谱范围。这样，在卫星的多光谱相机的图像上会得到两个相邻的像素点，形成有效的信号和噪声对比，从而排除周边其他气体的影响。此外，还可以滤除环境光的影响。例如，在地面碳标设备130处，假设周围环境光强度为0db，卫星图像接收主激光发射器发射的激光的强度是100db，卫星图像接收从激光发射器发射的激光的强度是10db。当周围环境光强度为5db时，卫星图像接收主激光发射器发射的激光的强度是105db，卫星图像接收从激光发射器发射的激光的强度是15db。这样，通过将两个图像相减，尽管周围环境光是时变的，卫星图像接收每个激光发射器发射的激光的强度也是时变和不精准的，仍可以得到不变和精确的卫星图像。
在这些实施例中，当所述地面碳标设备130根据卫星轨道信息判断任何一个卫星120即将过顶后，可以通过转动云台将所述主激光发射器和从激光发射器分别指向该卫星120并分别发射激光，从而使得该卫星120能够收集来自所述主激光发射器和从激光发射器的激光的光谱数据。
在这些实施例中，当所述卫星通信模块112接收到来自于该卫星120的分别来自于所述主激光发射器和从激光发射器的光谱数据（例如多光谱图像）后，所述计算模块113可以从来自于所述主激光发射器的光谱数据减去来自于所述从激光发射器的光谱数据，获得最终的光谱数据，并根据所述最终的光谱数据，计算对应于该卫星120的位置和所述一个地面碳标设备的位置的实时碳值。由于来自从激光发射器的光谱数据代表了地面碳标设备130的周边其他气体的信号噪声，因此，从来自主激光发射器的光谱数据中减去该信号噪声所获得最终的光谱数据，是反映了待测温室气体的浓度的更精确的光谱数据。因此，据此计算出的碳值是更精确的碳值。例如，当所述地面碳标设备130的位置附近突然发生某种气候的大面积泄露时，来自主激光发射器的光谱数据会受到影响，但来自从激光发射器的光谱数据同样会受到影响，这样，将两个光谱数据相减就可以消除这种影响，并且可以同时消除变化的环境光的影响，从而获得更精确的碳值数据。
在一些实施例中，所述一个或多个地面碳标设备130中的至少一个地面碳标设备130还包括碳值传感器，其被配置为探测周边的碳值；
所述至少一个地面碳标设备130还被配置：响应于判断所述一个或多个卫星120中的一个卫星120即将过顶，使得碳值传感器探测周边的碳值，并根据该碳值调整该地面碳标设备130的激光发射器的发射功率。
在这些实施例中，所述碳值传感器例如可以是任何一种类型的二氧化碳传感器。所述地面碳标设备130可以根据所探测的周边碳值调整激光发射功率，以便在任何大气条件或气体泄露等突发事件下，激光发射器发射的激光都能被卫星120上的多光谱相机适当地接收和成像。例如，当碳值传感器探测到周边碳值异常大时，地面碳标设备130可以增大激光发射功率，以提高激光在大气中的穿透力。例如，在正常天气条件下，碳值传感器探测到周边碳值例如在10到100μg/m3之间，此时激光发射功率可以采用默认值,例如100db；而当碳值传感器探测到周边碳值大于例如100μg/m3时，可以将激光发射功率增大到例如110db。
在一些实施例中，所述卫星和地面结合测量碳值的系统100系统还包括：所述一个或多个卫星120；以及所述一个或多个地面碳标设备130。
当然，在上文中所述的另一些实施例中，所述卫星和地面结合测量碳值的系统100系统可以不包括所述一个或多个卫星120，以及所述一个或多个地面碳标设备130，而是仅包括所述地面控制和计算系统110。
以上参照附图描述了根据本发明的实施例的卫星和地面结合测量碳值的系统100，应指出的是，以上描述和图示仅为示例，而不是对本发明的限制。在本发明的其他实施例中，该卫星和地面结合测量碳值的系统100可具有更多、更少或不同的部件，且各部件之间的连接、包含和功能等关系可以与所描述和图示的不同。例如，某些部件可以组合为一个更大的部件，一个部件可以分解为几个较小的部件，由某个部件执行的功能也可能由另一个部件执行。所有这些变化都处于本发明的精神和范围之内。
在本发明的另一个方面，还提供了一种卫星和地面结合测量碳值的方法。该方法可以由上述根据本发明的实施例的卫星和地面结合测量碳值的系统100执行。因此，为简明起见，在以下描述中省略了该方法的各步骤的一些细节，可参照以上描述获得对该方法的更详细的了解。
现参照图3，其示出了根据本发明的实施例的一种卫星和地面结合测量碳值的方法。如图3所示，该方法包括以下步骤：
在步骤301，接收一个或多个地面碳标设备的位置信息，其中每个地面碳标设备包括至少一个激光发射器；
在步骤302，将所述一个或多个地面碳标设备的位置信息分别发送给所述一个或多个卫星，其中每个卫星包含多光谱相机，使得所述一个或多个卫星在过顶所述一个或多个地面碳标设备时能够分别将多光谱相机对准所述一个或多个地面碳标设备，并收集由所述一个或多个地面碳标设备的至少一个激光发射器发射的激光的光谱数据；
在步骤303，接收来自所述一个或多个卫星的光谱数据；以及
在步骤304，根据所述光谱数据，计算对应于所述一个或多个卫星的轨道高度和所述一个或多个地面碳标设备的位置的实时碳值。
在一些实施例中，所述方法还包括以下可选步骤：
获得所述一个或多个卫星的轨道信息；
将所述一个或多个卫星的轨道信息分别发送给所述一个或多个地面碳标设备，使得所述一个或多个地面碳标设备能够分别在所述一个或多个卫星过顶时将所述至少一个激光发射器指向所述一个或多个卫星并发射激光。
在一些实施例中，所述方法还包括以下可选步骤：
响应于判断所述一个或多个卫星中的一个卫星即将过顶一个地面碳标设备，调整该卫星上的多光谱相机的方向，使其面向该地面碳标设备。
在一些实施例中，所述一个或多个地面碳标设备中的至少一个地面碳标设备包括一个主激光发射器和一个从激光发射器，两者之间的距离大于卫星在地面的分辨率，主激光发射器的发射功率大于从激光发射器的发射功率，其发射光谱范围包括待测气体的光谱范围，从激光发射器的发射功率大于周边环境光的功率，其发射光谱范围包括周边可能含有的气体的光谱范围，所述方法进一步包括以下步骤：
接收来自于所述一个或多个卫星中的至少一个卫星的分别来自于所述主激光发射器和从激光发射器的光谱数据；
通过从来自于所述主激光发射器的光谱数据减去来自于所述从激光发射器的光谱数据，获得最终的光谱数据；
根据所述最终的光谱数据，计算对应于所述至少一个卫星的轨道高度和所述至少一个地面碳标设备的位置的实时碳值。
在一些实施例中，所述方法还包括以下可选步骤：
接收所述至少一个地面碳标设备在其至少一个激光发射器发射激光后传送的发射数据，所述发射数据包括激光发射时间、发射角度、对应卫星轨道、周边碳值、发射功率和发射激光光谱中的一个或多个；以及
将计算的碳值与所述发射数据相关联。
在一些实施例中，所述一个或多个地面碳标设备中的至少一个地面碳标设备还包括碳值传感器，其被配置为探测周边的碳值，所述方法还包括以下可选步骤：
响应于判断所述一个或多个卫星中的一个卫星即将过顶所述至少一个地面碳标设备，使得该地面碳标设备的碳值传感器探测周边的碳值，根据该碳值调整该地面碳标设备的激光发射器的发射功率。
以上参照附图描述了根据本发明的实施例的卫星和地面结合测量碳值的方法，应指出的是，以上描述和图示仅为示例，而不是对本发明的限制。在本发明的其他实施例中，该卫星和地面结合测量碳值的方法可具有更多、更少或不同的步骤，且各部件之间的顺序、包含和功能等关系可以与所描述和图示的不同。例如，通常多个步骤可合并为一个更大的步骤，一个步骤也可以拆分为多个步骤，等等。所有这些变化都处于本发明的精神和范围之内。
在本发明的另一个方面，还提供了一种机器可读存储介质，其存储有机器可执行代码指令，所述机器可执行代码指令当被机器执行时使得该机器执行根据本发明的任何一个实施例的卫星和地面结合测量碳值的方法。
在本发明的又一个方面，还提供了一种计算机系统，其包括处理器和与处理器相连接的存储器，所述存储器中存储有程序指令，所述处理器被配置为通过加载和执行所述存储器中的程序指令而执行本发明的任何一个实施例的卫星和地面结合测量碳值的方法。
根据本发明的实施例的卫星和地面结合测量碳值的技术方案通过在卫星和地面碳标设备之间的激光发射和接收来测量碳值，与现有的无发射源的卫星测量方案相比，大幅提高了光功率和信号量，而且可以使激光的光谱范围更为集中，因此大幅提高了碳值测量的准确性和精度，且大幅降低了多光谱相机和卫星的成本。与现有的地面测量方案相比，可以大幅提高碳测量的覆盖度，且不受具体地形等的限制，因此适合于在诸如一个国家、一个区域或全球的大区域部署和监测，从而能够为全球碳中和及碳达峰工程提供更有力的技术保障和支持。此外，在本发明的一些实施例中，由于采用了主从激光发射器分别发射激光的方案，巧妙地去除了光谱图像中的噪声影响，进一步提高了碳值测量的精度。在另一些实施例中，通过地面碳标设备上安装的碳值传感器测量碳值，并据此调整激光发射器的发射功率，进一步提高了本发明的技术方案在各种大气条件及突发事件下的适应性。
所属技术领域的技术人员知道，本发明的多个方面可以体现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本发明的多个方面可以具体实现为以下形式，即，可以是完全的硬件、完全的软件（包括固件、驻留软件、微代码等）、或者本文一般称为“电路”、“模块”或“系统”的软件部分与硬件部分的组合。此外，本发明的多个方面还可以采取体现在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可用的程序码。
本说明书中涉及的各术语的含义一般为本领域中的通常含义，或者为本领域技术人员在阅读本说明书之后所正常理解的含义。在此使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并非对本发明进行限制。正如在此使用的那样，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在同时包括复数形式，除非上下文另外明确指出。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在所述特性、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除其中存在或添加一个或多个其他特性、整数、步骤、操作、元件、组件和/或由此构成的组。本说明书中的用语 “连接”、“相连”等类似术语通常包括机械连接、电连接、通信连接或其组合，且通常既可以包括直接连接，也包括经由其他部件的间接连接。本说明书中的用语“第一”、“第二”等仅用于区别不同的步骤、元件或要素，而不表示任何顺序或重要性上的意义。此外，本说明书中的各部件、元素等的名称仅表示本领域中通常具有的含义，或本领域技术人员通过阅读本申请说明书所理解的含义，且仅用于区分和说明，而不应理解为对本发明的限制。
出于说明和描述目的给出了对本发明的描述，但是所述描述并非旨在是穷举的或是将本发明限于所公开的形式。在不偏离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的技术人员来说都将是显而易见的。实施例的选择和描述是为了最佳地解释本发明的原理和实际应用，并且使得本领域的其他技术人员能够针对具有各种修改的适合于所构想的特定使用的各种实施例理解本发明。因此，尽管根据实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员将理解，本发明的实现可以具有修改并且处于所附权利要求的精神和范围中。

Claims (11)

1.一种卫星和地面结合测量碳值的系统，包括：
地面控制和计算系统，其与一个或多个卫星通信连接，并与一个或多个地面碳标设备通信连接，其中，每个卫星包含多光谱相机，每个地面碳标设备包括至少一个激光发射器，
所述地面控制和计算系统包括：
地面碳标设备通信模块，其被配置为：接收所述一个或多个地面碳标设备的位置信息；
卫星通信模块，其被配置为：将所述一个或多个地面碳标设备的位置信息分别发送给所述一个或多个卫星，使得所述一个或多个卫星在过顶所述一个或多个地面碳标设备时能够将多光谱相机对准所述一个或多个地面碳标设备，并收集由所述一个或多个地面碳标设备的至少一个激光发射器发射的激光的光谱数据，以及接收来自所述一个或多个卫星的光谱数据；以及
计算模块，其被配置为：根据所述光谱数据，计算对应于所述一个或多个卫星的轨道高度和所述一个或多个地面碳标设备的位置的实时碳值。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述卫星通信模块还被配置为：获得所述一个或多个卫星的轨道信息；
所述地面碳标设备通信模块还被配置为：将所述一个或多个卫星的轨道信息分别发送给所述一个或多个地面碳标设备，使得所述一个或多个地面碳标设备能够分别在所述一个或多个卫星过顶时将所述至少一个激光发射器指向所述一个或多个卫星并发射激光。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个地面碳标设备中的至少一个地面碳标设备包括一个主激光发射器和一个从激光发射器，两者之间的距离大于卫星在地面的分辨率，主激光发射器的发射功率大于从激光发射器的发射功率，其发射光谱范围包括待测气体的光谱范围，从激光发射器的发射功率大于周边环境光的功率，其发射光谱范围包括周边可能含有的气体的光谱范围，
所述卫星通信模块进一步被配置为：接收来自于所述一个或多个卫星中的至少一个卫星的分别来自于所述主激光发射器和从激光发射器的光谱数据；
所述计算模块进一步被配置为：通过从来自于所述主激光发射器的光谱数据减去来自于所述从激光发射器的光谱数据，获得最终的光谱数据，以及根据所述最终的光谱数据，计算对应于所述至少一个卫星的轨道高度和所述至少一个地面碳标设备的位置的实时碳值。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述地面碳标设备通信模块还被配置为：接收所述至少一个地面碳标设备在其至少一个激光发射器发射激光后传送的发射数据，所述发射数据包括激光发射时间、发射角度、对应卫星轨道、周边碳值、发射功率和发射激光光谱中的一个或多个；
所述计算模块还被配置为：将计算的碳值与所述发射数据相关联。
5.根据权利要求1-4中任何一个所述的系统，还包括：
所述一个或多个卫星；以及
所述一个或多个地面碳标设备。
6.一种卫星和地面结合测量碳值的方法，包括：
接收一个或多个地面碳标设备的位置信息，其中每个地面碳标设备包括至少一个激光发射器；
将所述一个或多个地面碳标设备的位置信息分别发送给一个或多个卫星，其中每个卫星包含多光谱相机，使得所述一个或多个卫星在过顶所述一个或多个地面碳标设备时能够将多光谱相机对准所述一个或多个地面碳标设备，并收集由所述一个或多个地面碳标设备的至少一个激光发射器发射的激光的光谱数据；
接收来自所述一个或多个卫星的光谱数据；以及
根据所述光谱数据，计算对应于所述一个或多个卫星的轨道高度和所述一个或多个地面碳标设备的位置的实时碳值。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：
获得所述一个或多个卫星的轨道信息；
将所述一个或多个卫星的轨道信息分别发送给所述一个或多个地面碳标设备，使得所述一个或多个地面碳标设备能够分别在所述一个或多个卫星过顶时将所述至少一个激光发射器指向所述一个或多个卫星并发射激光。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述一个或多个地面碳标设备中的至少一个地面碳标设备包括一个主激光发射器和一个从激光发射器，两者之间的距离大于卫星在地面的分辨率，主激光发射器的发射功率大于从激光发射器的发射功率，其发射光谱范围包括待测气体的光谱范围，从激光发射器的发射功率大于周边环境光的功率，其发射光谱范围包括周边可能含有的气体的光谱范围，该方法进一步包括：
接收来自于所述一个或多个卫星中的至少一个卫星的分别来自于所述主激光发射器和从激光发射器的光谱数据；
通过从来自于所述主激光发射器的光谱数据减去来自于所述从激光发射器的光谱数据，获得最终的光谱数据；
根据所述最终的光谱数据，计算对应于所述至少一个卫星的轨道高度和所述至少一个碳标设备的位置的实时碳值。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括：
接收所述至少一个地面碳标设备在其至少一个激光发射器发射激光后传送的发射数据，所述发射数据包括激光发射时间、发射角度、对应卫星轨道、周边碳值、发射功率和发射激光光谱中的一个或多个；以及
将计算的碳值与所述发射数据相关联。
10.一种机器可读存储介质，其存储有机器可执行代码指令，所述机器可执行代码指令当被机器执行时使得该机器执行根据权利要求6-9中任何一个所述的卫星和地面结合测量碳值的方法。
11.一种计算机系统，其包括处理器和与处理器相连接的存储器，所述存储器中存储有程序指令，所述处理器被配置为通过加载和执行所述存储器中的程序指令而执行根据权利要求6-9中任何一个所述的卫星和地面结合测量碳值的方法。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102507586A (zh) * 2011-11-14 2012-06-20 辽宁师范大学 碳排放遥感监测方法
US20130128271A1 (en) * 2011-11-17 2013-05-23 The Aerospace Corporation System and apparatus for monitoring concentration of greenhouse gas
CN104657566A (zh) * 2013-11-15 2015-05-27 中国科学院地理科学与资源研究所 基于卫星红外遥感的大气二氧化碳浓度快速计算方法
CN205449158U (zh) * 2016-03-31 2016-08-10 陕西水禾测绘信息有限公司 一种一体化遥感测量系统
CN108132064A (zh) * 2017-12-15 2018-06-08 吉林省远大光学检测技术有限公司 基于主动照明源的空间光学遥感器在轨绝对辐射定标方法
CN110006463A (zh) * 2019-05-23 2019-07-12 中国科学院合肥物质科学研究院 一种光学遥感卫星的在轨绝对辐射定标方法及系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102507586A (zh) * 2011-11-14 2012-06-20 辽宁师范大学 碳排放遥感监测方法
US20130128271A1 (en) * 2011-11-17 2013-05-23 The Aerospace Corporation System and apparatus for monitoring concentration of greenhouse gas
CN104657566A (zh) * 2013-11-15 2015-05-27 中国科学院地理科学与资源研究所 基于卫星红外遥感的大气二氧化碳浓度快速计算方法
CN205449158U (zh) * 2016-03-31 2016-08-10 陕西水禾测绘信息有限公司 一种一体化遥感测量系统
CN108132064A (zh) * 2017-12-15 2018-06-08 吉林省远大光学检测技术有限公司 基于主动照明源的空间光学遥感器在轨绝对辐射定标方法
CN110006463A (zh) * 2019-05-23 2019-07-12 中国科学院合肥物质科学研究院 一种光学遥感卫星的在轨绝对辐射定标方法及系统

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