近日，武汉大学遥感信息工程学院巫兆聪教授和李明亮博士生在IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing (JSTARS) 发表题为“An Analysis Method of Gas Absorption Spectrum Characteristics Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation”(一种基于模糊综合评价的气体吸收光谱特性分析方法)的研究成果。

大气环境监测需求的快速增加对气体吸收光谱特征的定量化分析和吸收窗口的辐射传输仿真提出了更加严格的要求。然而，吸收光谱特征的提取、分析和吸收窗口的辐射传输仿真的方法和技术细节仍不明确。为此，本研究提出了一种用于气体吸收光谱特性受影响程度分析的模糊综合评价方法，构建了一个面向大气遥感的吸收光谱特性分析技术框架SCATF（图1），并以大气CO2为实例对该框架进行了验证。该框架由三部分组成：吸收光谱模拟与吸收窗口提取、模糊综合评价模型改进与吸收窗口评价以及吸收窗口辐射传输仿真。

图1 面向大气遥感的光谱特性分析技术框架SCATF

为了提取目标气体有效的吸收特征，本文使用吸收率阈值、波段宽度阈值和HITRAN数据库，建立了吸收窗口的提取方法，实现了全谱段范围内大气气体组分吸收谱的模拟及准确提取（图2）。

图2 CO₂吸收窗口及7种气体在吸收窗口内的表现

为了精确的对目标气体的吸收特征进行定量化分析，本文基于梯形隶属度函数，建立了改进模糊综合评价模型IFCE，实现了目标气体吸收通道的受影响等级评价（图3）；其次，引入监督因子α，建立基于监督因子α的改进模糊综合评价模型IFCE-α，实现了对目标气体吸收窗口的受影响程度评价（图4）。在监督因子α取值0.5的情况下，IFCE-α评价结果与专家评价结果一致性达到91.7%。

图3 吸收通道评价结果。蓝色的点代表吸收通道的级别变量加权值H，H越小代表该通道受影响程度越小；红色的线代表CO₂吸收谱。

图 4 吸收窗口敏感性分析结果. (a) 受影响等级值作为波段和监督因子α的函数；(b) 评价结果与专家经验之间的差异作为监督因子α的函数；(c) 评价结果与理论真实值（α=0.5）之间的差异作为监督因子α的函数。

为了明确吸收窗口在遥感探测中的表现，本文基于SCIATRAN模型对吸收窗口进行了辐射传输仿真，分析了CO2遥感探测的光谱分辨率和信噪比需求；在不同的气溶胶、太阳天顶角和地表下垫面条件下，基于最优化技术分析了反演敏感性及误差分配情况（图5）。

图5 不同地表类型不同气溶胶类型下的CO₂柱平均核

总体来看，SCATF框架不仅可以准确提取目标气体的吸收特征，快速评价吸收通道和吸收窗口的受干扰程度，还可以提前明确吸收窗口在遥感探测中的表现，为大气遥感的探测波段设计提供了一个新思路。

文章引用：

Z. Wu, M. Li, K. Rao, Y. Yue and A. Xia, "An Analysis Method of Gas Absorption Spectrum Characteristics Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation," in IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, doi: 10.1109/JSTARS.2023.3322640.（https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2023.108712）