專利名稱：大氣黑碳濃度數(shù)字?jǐn)z像觀測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大氣環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于數(shù)字?jǐn)z像的大氣黑碳濃度觀測方法。
背景技術(shù)：
黑碳是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，它在可見到紅外波段范圍內(nèi)對太陽輻射均有強(qiáng)烈的吸收。黑碳被認(rèn)為是僅次于CO2的第二大的溫室效應(yīng)因子S對全球氣候變化及區(qū)域熱環(huán)境有重要的影響。對于不同來源的黑碳?xì)馊苣z，國內(nèi)外學(xué)者主要通過含碳?xì)馊苣z分析儀，包括黑碳 儀、多角度光散射黑碳?xì)馊苣z分析儀、光聲光譜儀、有機(jī)碳/元素碳分析儀等儀器，采用光學(xué)法、熱光法或光聲光譜法對黑碳?xì)馊苣z及其污染特征進(jìn)行研究。早在上世紀(jì)八十年代，Hansen et al. 2發(fā)明了黑碳儀實時觀測氣溶膠的吸收。黑碳儀通過收集在石英濾膜上的大氣顆粒物對光束的衰減作用計算氣溶膠的吸收系數(shù)，具有時間分辨率高、便攜等特點，可對氣溶膠濃度進(jìn)行實時觀測，但價格比較昂貴。Ahmed et al. 3利用光學(xué)法和熱光法對四種環(huán)境下的黑碳濃度進(jìn)行了比較，分析結(jié)果顯示這兩種方法有較好的相關(guān)性。但熱光分析法具有儀器價格昂貴，操作復(fù)雜，分析時間長等缺點。Park et al.4利用黑碳儀對三種不同環(huán)境下的黑碳濃度進(jìn)行了實時測量，但黑碳儀數(shù)據(jù)會受光學(xué)陰影效應(yīng)的影響，所有觀測點的黑碳濃度與其對光的衰減不都是線性關(guān)系，需要對黑碳儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。Chow et al.5利用三種不同程序的熱法以及反射和透射兩種光法觀測黑碳濃度，其中透射法受樣品沉積量的影響最嚴(yán)重。吳兌等6使用黑碳儀觀測黑碳濃度與吸收系數(shù)，并與聲光法和多向散射法進(jìn)行了平行對比觀測，結(jié)果表明黑碳儀與這兩種方法有比較一致的趨勢性變化。他同時指出黑碳儀存在觀測誤差，主要由于光線在濾膜中多次散射，造成衰減系數(shù)偏大引起濃度值偏高，需要進(jìn)行修正。此外，國內(nèi)不少學(xué)者用不同型號的黑碳儀對城市黑碳的濃度以及污染特征進(jìn)行了研究，但由于不同來源、不同時間的黑碳吸收特性不同，其吸收系數(shù)也不同，而黑碳儀用固定的吸收系數(shù)應(yīng)用到所有黑碳濃度的計算中，存在一定的誤差?？偟脕碇v，目前國內(nèi)外對黑碳濃度的研究還受限于儀器成本高、操作復(fù)雜，檢測精度較低。需要在以往研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)一套成本低、操作簡便、分析時間短、檢測精度較高的數(shù)字?jǐn)z像方法觀測大氣中的黑碳濃度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決常規(guī)大氣黑碳濃度觀測成本高，操作復(fù)雜，分析時間長等問題，提供一種操作上更為簡便，推廣上更具適應(yīng)性的，基于數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)的大氣黑碳濃度觀測方法。本發(fā)明的具體方法包括以下步驟
一、數(shù)字相機(jī)響應(yīng)曲線的獲得
數(shù)字相機(jī)拍攝相片時，不同的曝光量對應(yīng)不同的像素值，這種對應(yīng)可以被下式描述Ε=4 · PVy⑴
其中k和γ為與相機(jī)有關(guān)的常數(shù)，E是曝光量，即入射光輻照度H乘以光圈面積A乘以曝光時間T
E=H · A · T(2)
入射輻照度與輻射輝度即入射光強(qiáng)度I成正比，關(guān)系如下(Kolb et al. 1995) 7
M · (ii/4) · Φ/f) 2 · cos4 a(3)
D為光圈直徑，/為鏡頭焦距，α為像素所在位置與鏡頭軸線所成的角度。結(jié)合方程(1)-(3),可以得到
I · A · T=k，· PVy(4)
因此，用固定光圈，不同曝光時間，拍攝穩(wěn)定均勻光源照明的均勻白色漫反射表面，把所得到圖像中間部分的平均像素值與相應(yīng)的曝光時間在雙對數(shù)坐標(biāo)上進(jìn)行線性擬合，即可得到Y(jié)。這樣，在曝光時間和光圈都固定的情況下，來自景物的入射光強(qiáng)度與圖像中景物所對應(yīng)部分的像素值有如下關(guān)系
I=k，，.PVY(5)
數(shù)字相機(jī)的拍攝模式設(shè)置為“手動”模式。將其光圈設(shè)置為最小即F8. O。在良好白光照明條件下，尋找一個均勻白色漫反射表面。在距該表面O. 5米處，用數(shù)字相機(jī)在不同曝光時間設(shè)定下對該表面進(jìn)行拍攝。然后把所獲取的彩色相片轉(zhuǎn)成灰度圖像，并讀出圖像中間1/2面積的平均像素值。把所獲得所有相片都進(jìn)行上述處理，并繪出像素值的對數(shù)與曝光時間的對數(shù)的散點圖，即In(像素值)vs. In(曝光時間)。對該散點圖進(jìn)行線性回歸擬合，得到數(shù)字相機(jī)的響應(yīng)曲線(如圖I)。例如，用上述方法得到相機(jī)的響應(yīng)曲線為ln(T)=f(ln(PV))，則In (E) =C+f (In(PV))0 A和B分別為數(shù)字相片上的兩點，由于在相同的曝光時間和光圈大小條件下進(jìn)行拍攝，A、B兩點在相機(jī)感光元件中的曝光量與其相應(yīng)的輻射強(qiáng)度成線性比例關(guān)系，則A、B兩點之間的輻射強(qiáng)度之比可以用下式計算Na/Nb=Ea/EB=exp [f (In (PVa) ) -f (In (PVb))]。二.黑碳濾膜的拍攝
選用中流量采樣器(TH-150C III )，以100L/min的流量，將大氣中的PM2.5采集到石英濾膜(QFF，090mm)上。在黑暗條件下，將空白濾膜和負(fù)載顆粒物的濾膜分別置于一個均勻平板光源之上并應(yīng)用數(shù)字相機(jī)對濾膜/光源平面呈90。方向進(jìn)行拍攝，此外，在同樣拍攝條件下對沒有覆蓋濾膜的光源也進(jìn)行拍攝。相機(jī)拍攝模式為“手動”模式，光圈設(shè)置為最小即F8. 0，感光度ISO 100。設(shè)置曝光時間使對應(yīng)濾膜和光源背景部分的像素值均在相機(jī)響應(yīng)曲線范圍之內(nèi)，該步驟可以通過相機(jī)的曝光量查看功能實時查看像素值的分布。相機(jī)閃光燈關(guān)閉。應(yīng)用相機(jī)的光學(xué)調(diào)焦功能把目標(biāo)物放大到充滿視野。相機(jī)鏡頭與光源距離約為20-30cm，如圖 2。三.黑碳顆粒物負(fù)載量與濃度的確定
圖2中從均勻平板光源發(fā)出的初始光強(qiáng)為Itl，透過空白濾膜的由相機(jī)接收到的光強(qiáng)為If，透過負(fù)載顆粒物濾膜并由相機(jī)接收到的光強(qiáng)為I，根據(jù)透光率的定義，有如下關(guān)系 Tf=If/I0=f(PV0, PVf)(6)
T=I/I0=f(PV0, PV)(7)TP=T/Tf=f (PV0, PV) /f (PV0, PVf)(8)
其中Tf、T、Tp分別為空白濾膜、負(fù)載顆粒物濾膜、顆粒物層的透光率屮％、PVf, PV分別為光源相片、空白濾膜相片、顆粒物濾膜相片的平均像素值。在圖像處理軟件(例如MatIab )中打開光源、空白濾膜、負(fù)載顆粒物濾膜的相片，分別選取圖像中央一塊矩形區(qū)域，要求所選取部分含有的像素數(shù)目大于200。根據(jù)相機(jī)的響應(yīng)曲線由圖像處理軟件計算出所選區(qū)域的平均像素值，根據(jù)方程(8)計算黑碳顆粒物層的透光率。根據(jù)Hansen et al.8的研究，黑碳顆粒物層的消光ATN/透光率Tp (ATN=—IOOlnTp)與其負(fù)載量Lb。成一定比例關(guān)系
Lbc=C* · ATN= — 100C* · In (Tp)(9)
利用熱光分析儀(Sunset Laboratories Model-4)分析得到濾膜上沉積的黑碳顆粒物負(fù)載量。通過分析在廈門采集的25個樣品發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ATNS 150時，黑碳顆粒物負(fù)載量與其消光成線性關(guān)系
Lbc=O. 0086ATN — O. 2116= — O. 861n (Tp) — O. 2116(10)
當(dāng)ATN ^ 200時，黑碳顆粒物負(fù)載量與其消光成指數(shù)關(guān)系
Lbc=O. 0745exp (O. 02ATN) =0. 0745 (Tp)(11)
當(dāng)150 < ATN < 200，將公式(10)和公式(11)的平均值，作為黑碳顆粒物的負(fù)載量。經(jīng)驗證，此公式適用于廈門地區(qū)，其他地區(qū)顆粒物層消光與其負(fù)載量也呈現(xiàn)相同趨勢。若將此方法應(yīng)用到其他地區(qū)，只需對公式中比例關(guān)系數(shù)值進(jìn)行重新標(biāo)定。利用標(biāo)定結(jié)果，再結(jié)合濾膜上顆粒物的沉積面積A cm2，采樣流量Q L/min以及采樣時間t hr,即可計算大氣中黑碳的濃度CBC； μ g/m3
Cbc=Lbc-A/(Q-T)(12)


圖I為數(shù)字相機(jī)標(biāo)定曲線，橫坐標(biāo)為各種曝光時間條件下拍攝的相片平均像素值的對數(shù)，縱坐標(biāo)為該相片被拍攝時的曝光時間的對數(shù)。圖2為均勻平板光源分別照射空白濾膜與負(fù)載顆粒物的濾膜，相機(jī)鏡頭與濾膜的距離約為20-30cm，來自均勻平板光源的初始光強(qiáng)為Itl，透過空白濾膜由相機(jī)接收到的光強(qiáng)為If，透過負(fù)載顆粒物濾膜并由相機(jī)接收到的光強(qiáng)為I。
具體實施例方式為更好的理解本發(fā)明，下面通過具體實施來作進(jìn)一步說明。例如，應(yīng)用數(shù)字?jǐn)z像方法對一張采樣時間為8hr的濾膜進(jìn)行拍攝，利用Matlab軟件分析相片平均像素值，應(yīng)用公式(8) TP=T/Tf=f (PV0, PV) /f (PV0, PVf)得到該濾膜上黑碳顆粒物層的ATN為61. 8，應(yīng)用公式(10) Lbc=O. 0086ATN — O. 2116得到該濾膜上的黑碳負(fù)載量為O. 3199yg/cm2 ;此濾膜采樣時的流量為100L/min，濾膜上顆粒物的沉積面積為50. 24cm2,因此，根據(jù)公式(12) Cbc=Lbc · A/(Q · T)，計算采樣時間段內(nèi)大氣中黑碳的平均濃度為O. 3348 μ g/m3。同理，對另一張采樣時間為36hr，ATN為173. 5的濾膜，取公式(10)Lbc=O. 0086ATN - O. 2116 和公式(II)Lbc=O. 0745exp (O. 02ATN) =0. 0745 (Tp) 得到 Lbc 的平均值I. 8373 μ g/cm2作為此濾膜黑碳顆粒物的負(fù)載量，則Cbc=Lbc · A/ (Q · T) =0. 4273 μ g/m3。數(shù)字?jǐn)z像方法定量顆粒物層透光率Tp的精度決定了此方法觀測大氣黑碳濃度Cbc的精度?；跀?shù)字?jǐn)z像方法觀測Tp的精度為3. 5%，根據(jù)顆粒物負(fù)載量與顆粒物層透光率的關(guān)系得到，dLBC= - (100/ΤΡ) · O. 0086 · dTp。對于顆粒物透光率為50%的濾膜，數(shù)字?jǐn)z像方法觀測其黑碳負(fù)載量的精度為O. 06 μ g/cm2。對于采樣時間為8hr，采樣流量100L/min的濾膜，應(yīng)用數(shù)字?jǐn)z像方法監(jiān)測大氣中黑碳濃度的精度可達(dá)到O. 06 μ g/m3。根據(jù)方法檢測限的公式MDL= (Student，t-value) · standard deviation (USEPA40 CFR 136)9，基于數(shù)字?jǐn)z像方法得到的ATN的下限為9.1，該方法相應(yīng)能觀測到的顆粒物負(fù)載量的下限為O. 08 μ g/cm2。數(shù)字?jǐn)z像方法定量ATN的精度隨ATN的增長而降 低，因此當(dāng)ATN超過一定值時會產(chǎn)生很大誤差。將相對誤差控制在15%之內(nèi)時，ATN的上限為248，相應(yīng)可以觀測到的顆粒物負(fù)載量的上限為10. 6 μ g/cm2。最低、最高檢測限可以用來估算某一地區(qū)的采樣時間范圍。例如，北京冬季大氣中黑碳的濃度在9 μ g/cm3左右，根據(jù)數(shù)字?jǐn)z像方法定量黑碳顆粒物負(fù)載量的下限O. 08 μ g/cm2,上限10. 6 μ g/cm2，可以計算出北京地區(qū)的采樣時間范圍在5min-600min,使用戶可以選擇合理的采樣時間。參考文獻(xiàn)
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權(quán)利要求
1.大氣黑碳濃度數(shù)字?jǐn)z像觀測方法，其特征在于通過數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)獲得石英濾膜上黑碳顆粒物層的消光，利用濾膜上黑碳顆粒物負(fù)載量與其消光特性的關(guān)系，定量濾膜上黑碳的負(fù)載量，再結(jié)合采樣條件得到大氣中的黑碳濃度。
2.該方法包括以下處理流程 A.數(shù)字相機(jī)的標(biāo)定 數(shù)字相機(jī)的拍攝模式設(shè)置為“手動”模式，光圈設(shè)置為最小即F8. O ;在良好白光照明條件下，用數(shù)字相機(jī)在不同曝光時間設(shè)定下對一個均勻白色漫反射表面進(jìn)行拍攝；然后將所獲得的所有彩色相片轉(zhuǎn)成灰度圖像，并讀出圖像中間部分的平均像素值；繪出像素值對數(shù)與曝光時間對數(shù)的散點圖；對該散點圖進(jìn)行線性擬合，得到數(shù)字相機(jī)的響應(yīng)曲線。
3.B.濾 旲的拍攝 將大氣中的ΡΜ2.5采集到石英濾膜上，在黑暗條件下，將空白濾膜和負(fù)載顆粒物的濾膜先后置于一個均勻平板光源之上，并應(yīng)用數(shù)字相機(jī)分別對光源、空白濾膜和負(fù)載顆粒物的濾膜進(jìn)行拍攝。
4.相機(jī)拍攝模式為“手動”模式，光圈設(shè)置為最小即F8.0，感光度ISO100，相機(jī)閃光燈關(guān)閉。
5.相機(jī)鏡頭與光源距離約為20-30cm，應(yīng)用相機(jī)的光學(xué)調(diào)焦功能把目標(biāo)物放大到充滿視野。
6.設(shè)置曝光時間使對應(yīng)濾膜和光源背景部分的像素值均在相機(jī)響應(yīng)曲線范圍之內(nèi)。
7.C.黑碳負(fù)載量與其消光關(guān)系的定量 利用圖像處理軟件得到光源、空白濾膜、顆粒物濾膜相片的平均像素值，根據(jù)步驟A.中的相機(jī)響應(yīng)曲線計算黑碳顆粒物層的消光。
8.利用熱光分析儀獲得顆粒物濾膜上的黑碳負(fù)載量。
9.定量黑碳顆粒物負(fù)載量與其消光的關(guān)系方程。
10.D.大氣黑碳濃度的計算 由數(shù)字?jǐn)z像方法得到濾膜黑碳顆粒物層的消光，根據(jù)步驟C.中黑碳顆粒物負(fù)載量與其消光的關(guān)系方程，獲得濾膜上黑碳顆粒物的負(fù)載量，再結(jié)合采樣時的流量、采樣時間、濾膜上顆粒物的沉積面積，計算出大氣中的黑碳濃度。
全文摘要
本發(fā)明“大氣黑碳濃度數(shù)字?jǐn)z像方法”提供了一種基于數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)的大氣黑碳濃度觀測方法。該方法從大氣黑碳對光的衰減特性出發(fā)，將大氣中的黑碳顆粒物采集到石英濾膜上，利用數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)得到黑碳顆粒物層的消光，再根據(jù)黑碳顆粒物層的消光與其負(fù)載量的比例關(guān)系來確定濾膜上的黑碳負(fù)載量，最后根據(jù)采樣流量、采樣時間以及濾膜上黑碳顆粒物的沉積面積，計算出大氣中的黑碳濃度。該方法成本低，操作簡便，具有分析時間短，檢測精度高等特點。
文檔編號G01N21/59GK102721671SQ20111007873
公開日2012年10月10日 申請日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月30日
發(fā)明者杜可, 王楊 申請人:中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所