楊可意,韓舸,毛慧琴,董燕妮,馬昕,李四維,龔?fù)?/p>

(1武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430079;2中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院,湖北 武漢 430074;3生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 100094;4武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室,湖北 武漢 430079;5武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北 武漢 430079)

0 引言

甲烷是僅次于二氧化碳的全球第二大溫室氣體,在20年尺度下,它的增溫效應(yīng)約為二氧化碳(CO2)的84倍[1]。據(jù)國際能源機構(gòu)官網(wǎng)統(tǒng)計結(jié)果顯示,2020年全球超7×107t的甲烷從化石燃料開采業(yè)務(wù)被排放到大氣中,占全球能源溫室氣體排放量的5%,相當于2.0 Gt的二氧化碳(https://www.iea.org/reports/methanetracker-2021)。統(tǒng)計資料表明約有三分之一的甲烷排放來自能源部門[2]。近年來基于衛(wèi)星遙感的甲烷排放核算結(jié)果進一步顯示基于核算方法的能源行業(yè)甲烷排放被低估了60%[3]。我國作為世界煤產(chǎn)量第一的國家,相關(guān)行業(yè)的甲烷排放監(jiān)測是實現(xiàn)“雙碳”目標必須面對的挑戰(zhàn)。然而,目前我國尚未構(gòu)建針對煤礦甲烷的排放清單。

掌握甲烷排放情況的第一步是識別強甲烷排放源[4]。而衛(wèi)星遙感是進行大范圍、高重訪觀測的最佳手段[5]。目前已有的甲烷濃度監(jiān)測衛(wèi)星,如GOSAT[6]和TROPOMI[7]衛(wèi)星都無法提供足夠空間分辨率的大氣甲烷濃度產(chǎn)品用于定位點尺度的甲烷排放源。加拿大的商業(yè)衛(wèi)星GHGSat可以提供25 m分辨率的甲烷濃度觀測產(chǎn)品[8],但是其需要預(yù)先給定觀測范圍才能提供觀測服務(wù),這無疑會導(dǎo)致國家敏感信息的外泄,同時數(shù)據(jù)成本高,因此并不適合作為大范圍甲烷排放源定位的數(shù)據(jù)來源。近年來,國外學(xué)者提出匹配濾波法,依托機載高光譜數(shù)據(jù)反演甲烷柱濃度(大氣甲烷干空氣混合比,XCH4)異常,并用于定位和量化甲烷排放源,并在美國圣芭芭拉近海[9]、拉布雷亞焦油坑[10]、落基山油田測試中心[11]等地取得良好的效果。目前,已有學(xué)者將該方法用于處理星載高光譜數(shù)據(jù)(PRISMA),并成功探測到甲烷排放源[12]。當前,利用衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)開展XCH4異常反演的最大挑戰(zhàn)在于地表反射率不均一會造成顯著的反演誤差,從而使真實XCH4增強被掩蓋在大量斑點噪聲之中[10-14]。山西省的煤礦甲烷排放量位居全國第一,而其地表類型非常復(fù)雜,標準的匹配濾波法無法適用于該地區(qū)[12]。這導(dǎo)致目前尚無法利用這種先進的技術(shù)對我國主要煤礦引起的甲烷排放進行探測。

為解決這一問題,提出一種匹配濾波器方法,通過采取L1重加權(quán)與迭代收縮閾值算法(ISTA)的方式,解決了在地表類型復(fù)雜的地區(qū)進行XCH4異常探測的問題,通過使用高分五號(GF-5)搭載的可見光短波紅外高光譜相機(AHSI)的數(shù)據(jù),完成了對山西省甲烷排放點源引起的XCH4異常反演。本文主要工作包括:提出了基于L1重加權(quán)和ISTA的匹配濾波器方法,并將該算法與甲烷指數(shù)法、聚類匹配濾波器算法進行對比實驗,最后利用該算法進行山西省XCH4異常探測工作。

1 區(qū)域介紹與數(shù)據(jù)介紹

1.1 區(qū)域介紹

研究區(qū)域位于山西省,地處我國內(nèi)陸,位于緊鄰華北平原西部的黃土高原之上。山西省為“兩山夾一川”的“凹”字地勢,地貌復(fù)雜,山地和丘陵約占山西省總面積的80%,全省大部分地區(qū)的平均海拔在1500 m以上,省內(nèi)地勢高低分明,最高點位于五臺山葉頭峰,海拔為3058 m,最低點位于運城垣曲縣西陽河入黃河處,海拔僅為180 m。

山西省是我國的煤礦大省,全省煤炭保有儲量約2709.01億噸,約占全國保有資源儲量的17.3%,居全國第三;煤氣層剩余經(jīng)濟可采儲量為2304.09億立方米,居全國第一。研究表明,我國不同地區(qū)煤礦甲烷排放量差異很大,其中山西省作為我國的煤礦開采大省,煤礦甲烷排放量位居全國第一,約占全國因煤炭開采產(chǎn)生的甲烷排放總量的20.65%[15]。此外根據(jù)TROPOMI衛(wèi)星甲烷排放數(shù)據(jù)(圖1)可以看出,山西省甲烷排放量較高,具有較大的XCH4異常探測的意義。

圖1 山西省TROPOMI衛(wèi)星甲烷排放數(shù)據(jù)Fig.1 TROPOMI satellite methane emission data of Shanxi Province

目前對于XCH4異常的探測工作大部分都集中于地勢平坦的地區(qū),與山西省地表類型復(fù)雜且甲烷排放較高情況類似的地區(qū)相關(guān)研究較少,被認為是XCH4異常探測的難點區(qū)域。本研究試圖發(fā)現(xiàn)可以適用于各種地表的XCH4異常探測算法,假如該算法能夠在山西省這類地表復(fù)雜的地區(qū)得到較好的XCH4異常探測結(jié)果,就表明該算法既可以適用于山地地區(qū),也可以適用于丘陵地區(qū),也預(yù)示著該算法在其他地區(qū)的反演效果同樣會較好。

1.2 數(shù)據(jù)介紹

實驗用到的數(shù)據(jù)主要來自GF-5 AHSI,該傳感器數(shù)據(jù)分為可見光近紅外(VNIR)以及短波紅外(SWIR)兩部分,其具體參數(shù)詳見表1。AHSI傳感器與第一臺星載高光譜圖譜測量儀EO-1 Hyperion相比,信噪比高出約34倍、地面寬幅寬出約8倍、譜段數(shù)增加100多個[16]。GF-5衛(wèi)星的發(fā)射,有力推進了我國高光譜成像技術(shù)的發(fā)展,同時為我國高光譜數(shù)據(jù)的遙感應(yīng)用提供有力的數(shù)據(jù)支持。

表1 AHSI參數(shù)詳情Table 1 AHSI Parameters Details

選取研究區(qū)內(nèi)2019年12月–2021年4月間58景GF-5 AHSI產(chǎn)品作為研究數(shù)據(jù),該產(chǎn)品是L1級產(chǎn)品數(shù)據(jù),是對L0級產(chǎn)品進行預(yù)處理、輻射校正等處理后得到的輻亮度數(shù)據(jù)。對該數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包含輻射定標、正射校正以及去云處理。

2 研究方法

研究內(nèi)容主要包括GF-5云檢測算法以及利用基于L1重加權(quán)和ISTA的匹配濾波器對經(jīng)過去云后的影像進行甲烷高值反演兩部分,其技術(shù)流程圖見圖2。基于L1重加權(quán)和ISTA的匹配濾波器算法主要包括以下兩個部分:

圖2 技術(shù)流程圖Fig.2 Technical flowchart

1)匹配濾波

匹配濾波器的主要原理來自Beer-Lambert定律。根據(jù)Beer-Lambert吸收定律并利用一階泰勒級數(shù)展開可以得到甲烷的增強效應(yīng)[17],即

式中α為甲烷濃度增強,s為甲烷的吸收光譜特征,L0為傳感器在未知非增強環(huán)境下的輻射亮度。

使用傳感器的平均輻射亮度值μ近似代替L0。同時為簡化公式,假設(shè)只對甲烷這一單一氣體感興趣,并且假設(shè)甲烷的吸收特征不會發(fā)生改變;這樣將公式進行高斯對數(shù)似然并取最小值,得到甲烷柱濃度的計算公式,即

式中Li為輻射光譜值,μ為光譜平均值,C為背景協(xié)方差矩陣,t(μ)為依賴于影像特征的目標光譜,其計算公式為

式中?為向量乘法。由于目標光譜是在1 m的路徑長度上甲烷濃度增加0.71 mg·m-3而導(dǎo)致的輻射率的比例變化,因此αi是以mg·m-2為單位路徑上的甲烷濃度增強。

2)L1重加權(quán)與ISTA

在GF-5數(shù)據(jù)中多個點源引起的異常高值可能占幾千個像素,但在偌大的影像中,這些像素只占整個場景中很小一部分,對數(shù)據(jù)進行稀疏處理可以較為有效地消除背景地物的影響,從而達到在地表類型復(fù)雜地區(qū)實現(xiàn)XCH4異常探測的目的。使用ISTA利用L1正則化權(quán)值對數(shù)據(jù)進行稀疏,即在無約束優(yōu)化問題的閉式解的基礎(chǔ)上減去正則化權(quán)值。其中,第k次迭代中,L1正則化權(quán)值ω的計算公式為

當無氣體增強時,ε＞0是一個足夠小的實際量。

最終基于L1重加權(quán)和ISTA的匹配濾波器算法計算甲烷異常高值的計算公式為

式中光譜平均值μk和背景協(xié)方差C k要在每次重加權(quán)迭代中以前一次迭代計算結(jié)果的為基礎(chǔ)重新進行計算。

3 結(jié)果討論

3.1 甲烷反演算法對比

為驗證基于L1重加權(quán)和ISTA的匹配濾波器算法在山西省地表類型復(fù)雜地區(qū)反演甲烷異常高值的可行性,通過查閱資料找到甲烷指數(shù)法與聚類匹配濾波器算法兩種反演效果較好的甲烷反演算法。資料顯示,Scafutto等[18]使用AVIRIS-NG數(shù)據(jù)利用甲烷指數(shù)法對已知的甲烷排放地區(qū)進行甲烷反演工作,反演結(jié)果較為理想;Funk等[19]使用含甲烷排放的模擬高光譜數(shù)據(jù)利用聚類匹配濾波器算法進行甲烷反演工作,最終也得到較好的反演結(jié)果。因此,選擇Scafutto等使用的甲烷指數(shù)法與Funk等使用的聚類匹配濾波器算法進行對比實驗,驗證本研究算法的可行性。

通過查閱相關(guān)文獻資料找到山西省五個已知甲烷排放點源(詳細信息見表2,地表地物見圖3),其所在的GF-5影像(相關(guān)信息見表3)為對比實驗的數(shù)據(jù)。

表2 已知甲烷排放點源相關(guān)信息表Table 2 Information about known methane emission point sources

表3 排放點源所在影像信息Table 3 Image information of emission point source location

圖3 已知點源地物影像。(a)點源1;(b)點源2;(c)點源3;(d)點源4;(e)點源5Fig.3 Feature images of known point sources.(a)Point source 1;(b)point source 2;(c)point source 3;(d)point source 4;(e)point source 5

三種反演算法的實驗結(jié)果見圖4,圖中黑框標出了甲烷排放點1–5。其中甲烷指數(shù)法結(jié)果數(shù)據(jù)顯示范圍1～1.07;基于L1重加權(quán)和ISTA的匹配濾波器結(jié)果數(shù)據(jù)顯示范圍0～571.43 mg·m-2;聚類匹配濾波器結(jié)果數(shù)據(jù)顯示范圍0～571.43 mg·m-2。由圖4的對比結(jié)果可以看出,在山西省地表類型復(fù)雜的情況下,甲烷指數(shù)法無法較好突顯GF-5影像中甲烷高排放地區(qū),受背景地物的影響較大;基于L1重加權(quán)和ISTA的匹配濾波器算法與聚類匹配濾波器算法都可以較好地突顯GF-5數(shù)據(jù)中的甲烷高排放地區(qū)并且抑制背景噪聲,但是前者可以更好地識別甲烷低排放地區(qū),得到的甲烷羽流形狀更加完整。因此,基于L1重加權(quán)和ISTA的匹配濾波器算法是三個GF-5算法中的在地標類型復(fù)雜地區(qū)表現(xiàn)最優(yōu)的算法。

圖4 三種算法甲烷異常高值反演結(jié)果。(a)甲烷指數(shù)法;(b)L1重加權(quán)ISTA匹配濾波器算法;(c)聚類匹配濾波器算法Fig.4 Results of the inversion of methane anomaly high values for the three algorithms.(a)CH4 index;(b)L1 reweighted ISTA matched filter algorithm;(c)clustered matched filter algorithm

3.2 山西省XCH4異常探測

利用基于L1重加權(quán)和ISTA的匹配濾波器算法處理研究區(qū)內(nèi)58景GF-5影像。對于匹配濾波器處理結(jié)果,結(jié)合拍攝日期當天影像所在地區(qū)的風向以及地物類型找到XCH4異常高值所在的甲烷排放點源。

對于處理的58景影像,在山西省內(nèi)共找到羽流特征明顯的甲烷強點源23處,以TROPOMI衛(wèi)星的甲烷排放遙感數(shù)據(jù)作為底圖繪制山西省甲烷排放點源分布圖,結(jié)果如圖5所示。由圖可以看出,本算法找出的甲烷排放點源主要集中于呂梁市西部,長治市南部以及陽泉市、太原市和晉中市的三市交界處,這些地區(qū)同樣都是TROPOMI衛(wèi)星中甲烷高濃度地區(qū),可見找尋結(jié)果是比較準確的。

圖5 山西省甲烷排放點源分布圖Fig.5 Methane emission point source distribution map in Shanxi Province

4 結(jié)論

1)與甲烷指數(shù)法、聚類匹配濾波器算法相比,基于L1重加權(quán)和ISTA匹配濾波器算法在山西省地表類型復(fù)雜的情況下,不僅可以突顯甲烷高排放地區(qū)而且可以識別甲烷濃度較低的像素,能夠較為完整地顯示甲烷排放羽流。該方法對于復(fù)雜地表類型環(huán)境的適應(yīng)程度較高,因而具有更廣闊的應(yīng)用前景。

2)利用基于L1重加權(quán)和ISTA匹配濾波器算法對山西省內(nèi)58景GF-5AHSI衛(wèi)星進行XCH4異常探測工作,利用探測結(jié)果找到影像覆蓋地區(qū)甲烷排放點源。最終找到23個明顯點源,主要集中于呂梁市西部,長治市南部以及陽泉市、太原市和晉中市的三市交界處三個地區(qū)。