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Methane retrievals from airborne HySpex observations in the shortwave infrared

Hochstaffl, Philipp und Schreier, Franz und Köhler, Claas Henning und Baumgartner, Andreas und Cerra, Daniele (2023) Methane retrievals from airborne HySpex observations in the shortwave infrared. Atmospheric Measurement Techniques (AMT), 16 (18), Seiten 4195-4214. Copernicus Publications. doi: 10.5194/amt-16-4195-2023. ISSN 1867-1381.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
23MB

Offizielle URL: https://dx.doi.org/10.5194/amt-16-4195-2023

Kurzfassung

Monitoring anthropogenic emissions is a crucial aspect in understanding the methane budget. Moreover, a reduction of methane emissions could help to mitigate global warming on a short timescale. This study compares various retrieval schemes for estimating localized methane enhancements around ventilation shafts in the Upper Silesian Coal Basin in Poland using nadir observations in the shortwave infrared acquired from the airborne imaging spectrometer HySpex. Linear and nonlinear solvers are examined and compared, with special emphasis put on strategies that tackle degeneracies between the surface reflectivity and broad-band molecular absorption features --- a challenge arising from the instrument's low spectral resolution. Results reveal that the generalized nonlinear least squares fit, employed within the Beer InfraRed Retrieval Algorithm (BIRRA), can measure enhanced methane levels with notable accuracy and precision. This is accomplished by allowing the scene's background covariance structure to account for surface reflectivity statistics. Linear estimators such as matched filter (MF) and singular value decomposition (SVD) are able to detect and, under favorable conditions, quantify enhanced levels of methane quickly. Using k-means clustering as a preprocessing step can further enhance the performance of the two linear solvers. The linearized BIRRA fit (LLS) underestimates methane but agrees on the enhancement pattern. The non-quantitative spectral signature detection (SSD) method does not require any forward modeling and can be useful in the detection of relevant scenes. In conclusion, the BIRRA code, originally designed for the retrieval of atmospheric constituents from spaceborne high-resolution spectra, turned out to be applicable to hyperspectral airborne imaging data for the quantification of methane plumes from point-like sources. Moreover, it is able to outperform well-established linear schemes such as the MF or SVD at the expense of high(er) computing time.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/197418/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Methane retrievals from airborne HySpex observations in the shortwave infrared
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Hochstaffl, PhilippPhilipp.Hochstaffl (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-9537-3050NICHT SPEZIFIZIERT
Schreier, FranzFranz.Schreier (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-7196-6599NICHT SPEZIFIZIERT
Köhler, Claas Henningclaas.koehler (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-0127-935XNICHT SPEZIFIZIERT
Baumgartner, AndreasAndreas.Baumgartner (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-8495-5407143033387
Cerra, Danieledaniele.cerra (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2984-8315NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:September 2023
Erschienen in:Atmospheric Measurement Techniques (AMT)
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:16
DOI:10.5194/amt-16-4195-2023
Seitenbereich:Seiten 4195-4214
Verlag:Copernicus Publications
ISSN:1867-1381
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Anthropogenic emissions, hyperspectral imaging, radiative transfer, retrieval methods, HySpex
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HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Spektroskopische Verfahren der Atmosphäre
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Methodik der Fernerkundung > Atmosphärenprozessoren
Institut für Methodik der Fernerkundung > Experimentelle Verfahren
Institut für Methodik der Fernerkundung > Photogrammetrie und Bildanalyse
Hinterlegt von: Hochstaffl, Dr. Philipp
Hinterlegt am:26 Sep 2023 14:03
Letzte Änderung:26 Okt 2023 15:22

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