曹代勇,楊 光,豆旭謙,宋現(xiàn)鋒,杜曉敏

(1.中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京 100083;2.中國科學院大學資源與環(huán)境學院,北京 100049)

基于遙感技術的內(nèi)蒙古烏達煤田火區(qū)碳排放計算

曹代勇1,楊 光1,豆旭謙1,宋現(xiàn)鋒2,杜曉敏1

(1.中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京 100083;2.中國科學院大學資源與環(huán)境學院,北京 100049)

為了獲得煤田火區(qū)的碳排放量,建立了計算煤田火區(qū)CO2排放通量法模型,其中,確定火區(qū)面積是該模型的關鍵基礎參數(shù)。采用2011-01-24的ASTER L1B熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演內(nèi)蒙古烏達煤田火區(qū)的地表溫度,提出基于梯度的自適應閾值法,以熱紅外圖像梯度極值為閾值圈定火區(qū)范圍,估算得到烏達煤田火區(qū)面積為239.6 hm2。利用排放通量法模型,依據(jù)遙感和其他手段獲得的基礎參數(shù)數(shù)據(jù),計算了烏達煤田火區(qū)的碳排放量,結果顯示烏達煤田火區(qū)每年的CO2碳排放量達37.9×104t。

碳排放;烏達煤田;ASTER熱紅外遙感;煤田自燃

煤田自燃不僅破壞了寶貴的煤炭資源[1],而且向大氣中排放了大量的溫室氣體[2-4]。煤田火區(qū)碳排放問題已經(jīng)引起了國際社會的高度重視。由于煤層自燃氣體排放系統(tǒng)的復雜性,其碳排放量的計算是一個尚未解決的難題。筆者[5]提出了通過燒失煤量法估算煤田自燃中碳排放量的計算模型,并在明確煤田火區(qū)定義的基礎上,給出了計算模型的關鍵技術流程。Mark A.Engle等[6]通過監(jiān)測火區(qū)地表出口處濃度和垂直地表氣體流速的方法計算碳排放量。

遙感在煤田火區(qū)碳排放量的計算中具有快捷、方便、經(jīng)濟的特點[7],前人應用熱圖像數(shù)據(jù)集,使用控制模型仿真預測煤火的位置與實際探測到的熱點重疊,并使用輻射轉(zhuǎn)換模型來識別CO2吸收帶[8]。筆者使用ASTER熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演煤田火區(qū)溫度,通過統(tǒng)計學方法得到的閾值來圈定煤田火區(qū)(異常區(qū))的面積,為采用排放通量法計算煤田火區(qū)碳排放量提供基礎數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

烏達煤田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部烏海市烏達區(qū)境內(nèi),是全球范圍內(nèi)較大的煤田火區(qū)之一,也是被最廣泛研究的區(qū)域之一[9]。它位于賀蘭山北緣,烏蘭布和沙漠的南緣,東緣距黃河西部河岸約10 km,如圖1所示。烏達煤田主要火區(qū)為蘇海圖火區(qū)、黃白茨火區(qū)和五虎山火區(qū),主要含煤地層為石炭系的太原組和山西組,屬于埋藏較淺、緩傾斜煤層群。該煤田發(fā)火的主要原因是小煤窯的開挖[10],特點是火區(qū)分布在煤層露頭廢棄小煤窯處并由露頭向深部蔓延。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

2 基于ASTER熱紅外遙感數(shù)據(jù)地表溫度反演

2.1 ASTER熱紅外遙感和溫度反演方法

Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer(ASTER)是極地軌道環(huán)境遙感衛(wèi)星Terra(EOS-AM1)上載有的5種對地觀測儀器之一,它提供了可見光-近紅外(VNIR)、短波紅外(SWIR)和熱紅外(TIR)3個通道的遙感數(shù)據(jù),具有較高的空間分辨率和光譜分辨率(表1)[11]。筆者采用2011-01-24烏達煤田ASTER L1B熱紅外遙感影像數(shù)據(jù)。

遙感反演地表溫度的方法經(jīng)過多年的發(fā)展取得了很大的成果。目前常用的方法包括單通道法、劈窗算法和溫度與發(fā)射率分離算法[12]。單窗算法中,大氣輪廓線數(shù)據(jù)在實際運用中較難獲得。劈窗算法雖然可以通過兩個通道輻射亮溫的某種組合來消除大氣影響,但其要求下墊面均勻且發(fā)射率已知,因此主要適用于海面溫度遙感,在陸面溫度遙感中的精度遠不能達到海面溫度遙感中的水平[13]。筆者選用溫度與發(fā)射率分離的參考通道法相對簡便,具有一定實用價值[14-16]。

表1 ASTER遙感數(shù)據(jù)基本性能參數(shù)Table 1 Characteristics of the ASTER sensor systems

2.2 參考通道法ASTER影像溫度反演

反演流程如圖2所示。

圖2 地溫反演流程Fig.2 Processes of inversing surface temperature by ASTER image

(1)DN值轉(zhuǎn)化為天頂輻射亮度TOA。

ASTER L1B數(shù)據(jù)記錄的是Digital Number(DN值),而進行地表溫度反演需要的是天頂輻射亮度值。采用輻射定標公式可得到天頂輻射亮度值,即

其中,kgain與Δoffset分別為增益與偏差,可以在ASTER數(shù)據(jù)的頭文件中得到。本次使用的L1B數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過輻射定標,即kgain=1,Δoffset=0,可以直接使用。

(2)TOA轉(zhuǎn)化為地表輻射亮度。

這個過程中的關鍵步驟是消除大氣的影響,即大氣校正。為得到地表的輻射亮度,只要知道相關的大氣的參數(shù),就能使用輻射傳輸模型來估計大氣透射率、上行輻射亮度與下行輻射亮度,然后就能把天頂輻射亮度轉(zhuǎn)化成地表輻射亮度[17]。筆者使用ENVI中的熱紅外大氣校正模塊進行校正。

(3)地表輻射亮度轉(zhuǎn)化為地表溫度。

使用參考通道法來進行地表溫度反演。參考通道法其基本思想為:假設在一個確定的通道覆蓋的波長范圍內(nèi),每個像元都有固定的發(fā)射率,然后通過先驗知識,給出目標物在某一個光譜通道的發(fā)射率的假定值,該通道就稱為參考通道。有了這個參考通道發(fā)射率的經(jīng)驗值,根據(jù)普朗克公式就可計算出該通道的溫度。因為地表地物在11～12 μm波段的發(fā)射率普遍較高,并且變化相對較小,因此這里發(fā)射率的值取為經(jīng)驗平均值0.96[18]。ASTER數(shù)據(jù)有5個熱紅外波段,本次測量的平均溫度為261 K,由維恩定律可知此溫度時的最大波長在11.15 μm附近,因此地表溫度反演選用ASTER第14波段。根據(jù)普朗克公式和基爾霍夫定律可反演出地表溫度[19],采用Surfer軟件繪制了烏達煤田火區(qū)溫度分布平面圖和頻率直方圖(圖3,4)。

3 基于閾值法火區(qū)面積圈定

在煤田火區(qū)邊界提取時,蔣衛(wèi)國等[20]使用TESADE算法,通過分析地表溫度直方圖及煤火區(qū)溫度,將地表溫度均值與2倍標準偏差之和作為煤火區(qū)與背景區(qū)的閾值分割點。也有人將大于50℃作為煤火區(qū)與背景區(qū)的閾值分割點,但此絕對溫度標準受季節(jié)、晝夜等因素影響。筆者采用基本梯度的自適應閾值法進行影像的閾值選取和分割[21],以盡量消除人為主觀因素和背景溫度差異的影響。該方法的基本原理認為從火區(qū)內(nèi)部到外部的邊界地區(qū),溫度有較快的衰減,從而導致較為明顯的溫度梯度的峰值。在對溫度影像進行梯度計算后,使用一種數(shù)學形態(tài)學的細化方法得到梯度極值的輪廓線,對應于這些輪廓線上的平均溫度被認為是該幅影像中火區(qū)邊界的平均溫度。使用該平均溫度閾值對溫度影像進行分割,可得到溫度異常區(qū)和背景區(qū)[21]。對反演的溫度分布(圖3)進行閾值分割,得到烏達煤田火區(qū)的溫度異常分布(圖5)。

圖3 ASTER影像反演的溫度分布Fig.3 Temperature distribution from ASTER image

圖4 ASTER影像溫度分布直方圖Fig.4 Histogram of temperature distribution by ASTER image

根據(jù)圖5提取的火區(qū)邊界,通過計算得到2011年1月烏達煤田的火區(qū)面積為239.6 hm2。由于缺乏2011年烏達煤田火區(qū)面積數(shù)據(jù),筆者選取2012年3月神華地勘公司航測遙感分公司采用航空高分辨熱紅外成像光譜儀TASI-600熱紅外數(shù)據(jù)(地面分辨率1.5 m)圈定煤火異常,得到的火區(qū)范圍為265.5 hm2。其值與本次利用2011年1月ASTER數(shù)據(jù)反演得到的火區(qū)面積239.6 hm2較為接近,故認為該統(tǒng)計方法得到的火區(qū)面積可作為計算碳排放通量的依據(jù)。

圖5 溫度異常分布Fig.5 Temperature anomaly distribution image

4 煤田火區(qū)碳排放量計算

4.1 煤田火區(qū)碳排放量計算模型

煤田自燃區(qū)的碳排放量計算是一個比較復雜的問題,要獲得準確的碳排放量更是一個巨大的挑戰(zhàn)。煤田自燃產(chǎn)生的CO2是溫室氣體排放的主要組成部分,但是在國際政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發(fā)布的《國家溫室氣體清單指南》中,并沒有給出煤田自燃過程中碳排放的計算方法[22]。筆者結合遙感圈定的火區(qū)面積,監(jiān)測火區(qū)地表出口處CO2濃度以及野外地質(zhì)調(diào)查結果,初步建立了基于排放通量估算法的煤田火區(qū)的碳排放量計算模型,即

式中,C為碳排放量;Ai為i火區(qū)的排放因子;Si為i火區(qū)面積,km2;Fi為排放通量(單位時間單位面積火區(qū)的碳排放量,t/(s·km2);T為估算時間間隔。

(1)排放通量Fi。

火區(qū)內(nèi)地下的煤層能夠燃燒,主要的原因是煤田內(nèi)由構造裂隙、采動塌陷裂隙和燃燒裂隙構成的裂隙系統(tǒng)提供了燃燒所必須的通風供氧條件,裂隙系統(tǒng)同時也成為煤層燃燒所產(chǎn)生的熱量和煙氣的排放通道[23-26]。裂隙系統(tǒng)在不同火區(qū)的發(fā)育狀態(tài)受到區(qū)域地質(zhì)控制,具有類似的發(fā)育特征,所以烏達煤田火區(qū)的溫室氣體排放特征也具有相似性。

基于以上特點,通過監(jiān)測煤火裂隙周邊環(huán)境數(shù)據(jù),在煤田火區(qū)裂隙地區(qū)周邊環(huán)境設置監(jiān)測塔,同步采集風向、風速、溫度、氣壓、CO2濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)。對采集的野外環(huán)境數(shù)據(jù)基于傳統(tǒng)空氣動力學方法[27]可以估算出煤火裂隙CO2的排放通量值。由于排放通量與火區(qū)溫度有一定的聯(lián)系,空氣動力學方法顯示火區(qū)的溫度梯度與碳排放通量成反比,即溫度梯度越大,碳排放通量越小,而碳排放通量與地表溫度的聯(lián)系則需要考慮到地表裂隙的發(fā)育程度,野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)地表溫度越高,裂隙越發(fā)育,碳排放通量就越大。筆者取2012-06-22在烏達實驗區(qū)通過煤火裂隙帶野外環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測計算得到的CO2的平均排放通量,其值為8.5 mg/(s·m2)。

(2)排放因子Ai。

在利用排放通量法計算烏達煤田碳排放時,煤田火區(qū)范圍內(nèi)的裂隙起主要的控制因素,燃燒產(chǎn)生的煙氣主要通過裂隙排放到大氣中,同時小部分煙氣通過地層在高溫下固碳和滲流擴散方式進入大氣。

筆者等曾將煤田火區(qū)的裂隙劃分為3種簡單類型:構造裂隙、采動塌陷裂隙和燃燒裂隙,總結出5種復合裂隙類型[28]。烏達煤田裂隙密度背景值為10～20條/(100 m2),對Ⅷ號、Ⅸ號、Ⅹ號火區(qū)的裂隙發(fā)育特征研究表明,Ⅷ號火區(qū)為大礦采空區(qū)-小煤窯型火區(qū),Ⅸ號火區(qū)為小煤窯型火區(qū),Ⅹ號火區(qū)為大礦采空區(qū)型火區(qū),3個火區(qū)的裂隙密度明顯高于背景值(表2)。以火區(qū)裂隙密度異常值(裂隙密度均值與背景值之差)與裂隙密度均值的比值反映碳排放因子Ai,Ⅷ號、Ⅸ號、Ⅹ號火區(qū)的比值分別為:0.40,0.70, 0.57,平均值為0.56,即取Ai=0.56。

表2 烏達煤田火區(qū)裂隙密度統(tǒng)計Table 2 Crack density statistical table of the Wuda coalfield fires

4.2 烏達煤田火區(qū)碳排放量的計算

利用排放通量估算法估算碳排放量,應基于以下假設:

(1)火區(qū)范圍在給定時間段內(nèi)的變化可以忽略不計。采用遙感反演并初步得到相互驗證的2011-01-24遙感反演的烏達煤田地面溫度觀測自燃區(qū)面積239.6 hm2,即S=239.6 hm2。2012年3月神華地勘航空遙感反演烏達煤田火區(qū)面積265.5 hm2,假設火區(qū)范圍的變化忽略不計,取兩者的平均值Save= 252.55 hm2作為烏達煤田火區(qū)的面積。

(2)火區(qū)碳排放通量在給定時間段內(nèi)保持恒定。筆者采用自主研發(fā)的煤田火區(qū)氣體排放環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置,實測了烏達煤田煤火裂隙帶CO2排放通量。2012-06-22實驗區(qū)煤火裂隙帶觀測的平均通量值是8.5 mg/(s·m2),即Fiave=8.5 mg/(s·m2),將其作為2012年1—12月時間內(nèi)裂隙帶碳排放通量的基準值。

利用碳排放通量計算公式C=∑AiSiFiT(i=1, 2,…,m),計算得到烏達煤田2012年的年碳排放量約為37.9×104t。

5 結論和展望

(1)所提出的碳排放通量估算法通過熱紅外遙感技術和野外地質(zhì)調(diào)查手段獲取基礎數(shù)據(jù),研究結果顯示該方法對煤田火區(qū)碳排放量的合理估算是可行的。

(2)采用熱紅外遙感技術進行地表溫度的反演,可以經(jīng)濟有效地獲得火區(qū)地表溫度,筆者采用基于梯度的自適應閾值方法,估算火區(qū)異常范圍,2011年1月烏達煤田的火區(qū)面積為239.6 hm2。

(3)利用2011年1月烏達地區(qū)ASTER熱紅外遙感影像圈定了烏達火區(qū)面積,并借助烏達煤田火區(qū)野外碳排放通量和相關裂隙測量,計算得出烏達煤田火區(qū)每年以CO2計算的等效溫室氣體排放量多達37.9×104t。

本研究是對于煤田自燃碳排放估算的一個嘗試。通過遙感影像圈定火區(qū)面積、實測排放通量和燃燒裂隙密度三者的結合,使得碳排放估算得到定量數(shù)據(jù)的支撐,從而提高了估算結果的可信度。由于研究經(jīng)費的限制以及現(xiàn)場作業(yè)情況的復雜性,前期工作未能實現(xiàn)火區(qū)溫室氣體排放的連續(xù)觀測,作為方法學研究,采用某一時間點的實測排放通量替代1 a的排放量變化;此外,基于本文依托項目的研究任務,碳排放估算僅限于煤層自燃主要排放氣體——CO2,忽略了CH4和CO等其他溫室氣體對火區(qū)碳排放的作用。下一步工作將在條件許可情況下,開展火區(qū)排放通量的連續(xù)觀測,以獲得碳排放量的季節(jié)變化特征;根據(jù)火區(qū)實測氣體成分譜分析,在碳排放通量計算公式中考慮CH4和CO等其他溫室氣體,使碳排放量估算更加全面;開展熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演煤田火區(qū)的地表驗證調(diào)查,優(yōu)化基于梯度的自適應閾值法。

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Calculation of carbon emission of Wuda coalfield fires in Inner Mongolia based on remote sensing technology

CAO Dai-yong1,YANG Guang1,DOU Xu-qian1,SONG Xian-feng2,DU Xiao-min1

(1.College of Geoscience&Surveying Engineering,China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.College of Natural Resources and Environment,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

This paper aims to put forward an emission flux method for calculating the amount of CO2carbon emission in coalfield fires.In this method,the area of coalfield fires is an essential modeling parameter.In order to obtain this basic data,the thermal infrared remote sensing data on January 24,2011 obtained by Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer(ASTER)were used to inverse the surface temperature of fires in Wuda coalfield,Inner Mongolia,China.Then a Self-Adaptive Gradient Based Thresholding method was applied to segment the thermal infrared image by a threshold,the mean temperature of the extreme gradient points for the temperature image.This threshold was applied to delineate the coalfield fire areas.The total area of coalfield fires in Wuda coal field was estimated as 239.6 hm2in January 2011.Through the emission flux method and basic parameters generated by the density model of the fissures in the coalfield,the amount of CO2carbon emissions by coalfield fires in Wuda coalfield was estimated and the result shows that the annual equivalent carbon dioxide emission in Wuda coalfield fires is up to 37.9× 104tons.

carbon emissions;Wuda coalfield;ASTER thermal infrared remote sensing;coalfield spontaneous combustion

P66

A

0253-9993(2014)12-2489-06

2013-12-13 責任編輯:韓晉平

中國科學院戰(zhàn)略先導科技專項資助項目(XDA05030200)

曹代勇(1955—),男,重慶人,教授,博士生導師。Tel:010-62339301,E-mail:cdy@cumtb.edu.cn

曹代勇,楊 光,豆旭謙,等.基于遙感技術的內(nèi)蒙古烏達煤田火區(qū)碳排放計算[J].煤炭學報,2014,39(12):2489-2494.

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Cao Daiyong,Yang Guang,Dou Xuqian,et al.Calculation of carbon emission of Wuda coalfield fires in Inner Mongolia based on remote sensing technology[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2489-2494.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1840