煤矿区甲烷排放遥感监测模型与方法研究

Methane is a kind of greenhouse gas that strongly absorbs Earth outward long-wave radiation, a gas whose greenhouse effect is 21 times worse than carbon dioxide. Coal mine area is one major source of industrial methane emission and the emission sources are principally coal mines and coal bed methane (CBM) ground development zones. One of the type areas at present is southern Qinshui Basin in Shanxi province. With the support from the advantages of remote sensing monitoring technology in real time monitoring of mine area environment and on the basis of the optimal waveband from the sieving process of remote sensing monitoring of methane, this paper takes southern Qinshui Basin as the focus of research in order to perfect and progress the theoretical model of methane remote sensing response, to develop the hyperspectral monitoring method of methane concentrations, with which furthermore, to make a preliminary analysis of the temporal and spatial distribution regularity of atmospheric concentrations of methane so as to provide groundwork for further research and development of real time and high sensitive monitoring method of the atmosphere environment in mine areas.

甲烷是一种强烈吸收地球向外长波辐射的"温室气体"，其温室效应是二氧化碳的21倍。煤矿区是大气甲烷的重要排放源之一，但目前缺乏实时有效的高灵敏度监控手段。为此，本项目在分析该领域现存科学问题及发展趋势的基础上，拟进一步研究大气甲烷分子辐射/吸收特征的基本原理，筛分对甲烷分子吸收强度大且灵敏度高的波段及其组合，建立大气甲烷遥感响应理论模型，优选煤矿区大气甲烷浓度变化的遥感影像；选择山西沁水盆地南部为主要对象，对比分析矿区地物光谱与矿区遥感响应之间的耦合关系，建立煤矿区大气甲烷浓度遥感监测模型，并运用此模型对区内大气甲烷浓度的时空分布规律进行初步分析。研究成果可望推动煤矿区大气环境遥感理论的发展，并为研发煤矿区大气甲烷排放监测技术的提供理论依据。

以CH4为主要成分的煤层气，是一种重要的矿产资源，但因其易燃易爆而形成煤矿安全生产的隐患，也是诱发煤矿瓦斯灾害的根源。同时，CH4还是一种强烈吸收地球向外长波辐射的“温室气体”，是造成大气环境污染的重要因素。本项目借助遥感技术在环境实时监控中发挥其他方法所无法比拟的优势，基于遥感基本原理开发甲烷高光谱监控模型，为进一步研发大气环境实时高灵敏度监控手段奠定研究基础。研究筛分出了遥感监测甲烷气体的最佳波段：7.6um波段适用于中高层5-15km CH4的反演，而3.3um和2.3um波段更适用于底层CH4的反演。因此采用7.6um与3.3um或者7.6um与2.3um波段进行组合的方式进行遥感，可包含不同高度的CH4浓度信息；建立了大气甲烷遥感响应理论模型：开展实验室波谱分析，系统测量和分析不同浓度甲烷气体的光谱曲线，确定特定波段与甲烷浓度响应的数量关系。通过实地测量不同浓度甲烷气体的光谱曲线，基于光谱数据库技术、光谱建模、匹配及分类识别技术，并进一步采用地物光谱方法研究其在遥感影像中的表现特征，选用不同的函数进行模拟，建立不同浓度甲烷气体与遥感影像光谱值间的相关关系，测量分析大气中甲烷浓度的遥感影像间的数量化响应特征；研制了低层大气甲烷浓度便携式监测仪：针对CH4地表浓度监测方法进行比较分析，引入CH4红外吸收型传感器，设计数据采集发送终端的硬件结构和固件开发，选择可支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI-S内核的微控制器，内置：56KB的SRAM、512KB的片内Flash程序存储器、系统编程（ISP）和应用编程（IAP）功能等，设计数据采集接收和GPRS的网络连接驱动的固件程序，从而实现CH4浓度数据采集和无线传输的自动控制；构建了基于3S的大气甲烷浓度监测模型：基于HYSPLIT模型，对近地表大气样品进行红外监测、对高空进行遥感监测，以此为基础，进一步对比分析地物光谱与遥感响应之间的耦合关系，建立大气甲烷浓度监测模型，并与正射影像叠合对研究区域内大气甲烷浓度的时空分布规律进行分析。以地面实测光谱数据处理、卫星高光谱影像分析及实验室甲烷化学分析等多种研究方式，利用高光谱数据挖掘技术、弱信息提取技术、光谱建模及分类技术，建立了甲烷浓度与遥感影像光谱值的相关关系，对甲烷气体浓度进行遥感监测。