[发明专利]一种基于高光谱成像仪快速识别并提取甲烷点源的方法

说明书

本发明公开了一种基于高光谱成像仪快速识别并提取甲烷点源的方法，包括以下步骤：获取覆盖2230nm‑2330nm范围的高光谱数据并进行辐射定标，正射校正等预处理，计算地表反射率校正因子(albedo factor)来消除不同地表发射率给结果带来的影响；计算2230nm‑2330nm的n个波段的均值μ和协方差Cov，根据影像2230nm‑2330nm范围内波段的中心波长和半峰全宽(FWHM)，利用辐射传输模拟得到单位甲烷吸收光谱，利用匹配滤波法可以得到甲烷增强值图像；利用最大类间方差法(OSTU)将甲烷增强值图像分成背景和目标两部分，再利用连通域面积检测剔除掉一些孤立的点，最终得到甲烷排放点源的二值图像。

技术领域

本发明涉及大气技术领域，尤其涉及一种基于高光谱成像仪快速识别并提取甲烷点源的方法。

背景技术

甲烷(CH4)是仅次于二氧化碳(CO2)的人为增强温室效应的最重要贡献者。对全球变暖的贡献率约占四分之一，单个甲烷分子的温室效应是CO2的25 倍，近年来大气甲烷浓度加速上升再次引起了科学界的高度关注。相较于其他温室气体，甲烷减排具有成本低、响应快、效果明显等优势。因此，有效控制甲烷排放对于有效应对全球气候变化、实现温室气体净零排放具有重要作用。政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的报告中明确指出，甲烷等非二氧化碳温室气体的深度减排是将全球升温控制在1.5℃以下的必要条件。煤炭开采和油气行业(Oil and Gas)是全球人为甲烷排放的主要来源，国际能源署(IEA) 发布的《世界能源展望2019》指出，2018年全球煤矿甲烷泄漏量达4000万吨，全球油气行业的甲烷泄漏量为8000万吨。生态环保部门的监管和治理过程中，一个重要的前提就是得知甲烷排放点源的精确地理位置，目前在轨运行的免费公开的温室气体卫星空间分辨率无法满足该要求。

作为温室气体卫星的补充手段，高光谱成像仪在甲烷热点探测方面有着巨大的潜力，这些仪器覆盖甲烷的2300nm吸收带，空间分辨率可达30m，典型光谱分辨率为7-15nm。该光谱分辨率虽然不足以准确计算出甲烷的柱丰度，但是可以大概绘制出甲烷的增强图，这对于点源的精准定位帮助非常大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有免费公开的温室气体卫星空间分辨率无法满足精准定位甲烷点源的缺陷，提出了一种基于高光谱成像仪快速识别并提取甲烷点源的算法。

本发明的技术方案：一种基于高光谱成像仪快速识别并提取甲烷点源的方法，包括如下步骤：

(1)获取覆盖一定范围的高光谱数据，并进行辐射定标和正射校正，然后利用云掩膜将有云的地方设为空值，将条带位置设为空值，作为预处理影像，然后计算地表反射率校正因子，对预处理影像进行修正，作为待处理影像；

(2)根据(1)中处理后的影像，计算一定范围的n个波段背景辐射的均值μ和协方差Cov，根据影像一定范围内波段的中心波长和半峰全宽FWHM，利用辐射传输模拟得到单位甲烷吸收光谱，利用匹配滤波法可以得到甲烷增强值图像；

(3)对于(2)中得到的甲烷增强值图像，利用最大类间方差法将原图像分成背景和目标两部分，再利用连通域面积检测剔除掉一些离散的点，最终得到甲烷排放点源的二值图像，1代表有甲烷排放，0代表无甲烷排放。

进一步的，步骤(1)中高光谱数据包括EO-1的Hyperion、PRISMA和GF-5 的AHSI，获取的是2230nm-2330nm的高光谱数据。

进一步的，步骤(1)中生成预处理影像的具体方法为；

根据卫星数据的头文件或者元数据中提供的相关系数，包括比例因子ScaleFactor和零偏置Offset，将传感器记录的DN值转换为绝对辐射亮度，再根据DEM数据对影像进行正射校正以获得精确的定位，再根据卫星数据提供的云掩膜将有云的地方设为空值，将条带位置设为空值，作为预处理影像。