Surveillance par télédétection de la concentration de méthane en colonne à partir de sources ponctuelles dans les zones minières de charbon typiques de la province d'Anhui

Le méthane est un gaz radioactif et chimiquement réactif présent dans l'atmosphère, qui influe sur le bilan radiatif terrestre et les processus chimiques atmosphériques. Deuxième gaz à effet de serre le plus important, sa concentration moyenne annuelle est plus de 2,5 fois supérieure à celle d'avant la révolution industrielle. Le potentiel de réchauffement climatique du méthane est environ 84 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone sur une période de 20 ans et environ 30 fois supérieur sur une période de 100 ans. La durée de vie atmosphérique du méthane n'est que d'une douzaine d'années, bien plus courte que celle du dioxyde de carbone (qui persiste pendant des centaines d'années). La réduction des émissions de méthane permet d'atténuer plus rapidement le réchauffement climatique et est essentielle pour atteindre la neutralité carbone.

Le principe de fonctionnement des satellites de surveillance du méthane repose sur l'estimation des émissions de ce gaz à effet de serre par la détection de son absorption spectrale à différentes longueurs d'onde. L'inversion est une méthode descendante qui combine données d'observation et modèles de transport atmosphérique pour optimiser les émissions (Cai Xiaoli, 2025). Les méthodes d'inversion du CH₄ comprennent principalement des algorithmes de modélisation du transport chimique atmosphérique, des algorithmes physiques, des méthodes multibandes et multicanaux, ainsi que des algorithmes d'apprentissage profond.

Cet article porte sur 19 zones d'extraction de charbon typiques de la province d'Anhui. À partir de données de télédétection hyperspectrale AHSI du satellite Gaofen-5 02 (GF5B), un algorithme de filtrage adapté est utilisé pour effectuer une surveillance par télédétection de la concentration de méthane dans ces zones, afin de fournir des données et une base scientifique pour la surveillance dynamique des sources d'émissions de méthane à l'échelle régionale.

Durant le Carbonifère-Permien, la plaque de Chine du Nord a connu une évolution tectonique, donnant naissance à de multiples strates houillères et à d'importants bassins houillers tels que le bassin du fleuve Huaihe et l'ouest du Shandong. Le bassin du fleuve Huaihe, qui s'étend sur cinq villes du nord de l'Anhui, recèle des réserves de charbon de 33,817 milliards de tonnes et constitue une ressource énergétique majeure pour l'est de la Chine. Géologiquement, il se situe dans le bloc de Xuhuai, à la limite sud-est de la plaque de Chine du Nord, et est divisé en deux zones : le bassin du fleuve Huaihe et le bassin houiller sud du fleuve Huaihe, par le soulèvement de Bengbu.

Figure 1. Contour tectonique de la plaque de Chine du Nord, emplacement tectonique du bassin houiller de Lianghuai et répartition des mines de charbon abandonnées (Jiang Jianming, 2024).

Figure 2. Image de télédétection de la zone d'étude et carte de répartition des gisements minéraux.

Le filtrage adapté est une méthode basée sur les données où l'information spectrale peut être caractérisée comme une perturbation spectrale superposée au spectre moyen, causée par les variations de la concentration de méthane dans la colonne. Cet algorithme maximise le rapport signal/bruit et est couramment utilisé pour l'inversion des données de télédétection de sources ponctuelles de méthane. Basé sur le théorème de Beer-Lambert, il est linéarisé à l'aide d'un développement de Taylor au premier ordre.

Où k représente le coefficient d'absorption unitaire du méthane, caractérisant la capacité du méthane atmosphérique à absorber le rayonnement à une longueur d'onde spécifique. Autrement dit, la somme des sections efficaces d'absorption des molécules de méthane dans la direction verticale, déterminée à la fois par la longueur du trajet d'absorption et par la section efficace d'absorption du méthane._leL'intensité de rayonnement moyenne μ reçue par le satellite peut être utilisée comme approximation, c'est-à-dire comme spectre de référence. Le spectre cible t(I)_leCette valeur représente la perturbation de l'intensité du rayonnement de fond causée par l'augmentation de la concentration de méthane dans la colonne. Le coefficient k peut être obtenu à l'aide d'un modèle de transfert radiatif.

En supposant que le changement spectral soit uniquement dû au changement de concentration du méthane et que les caractéristiques d'absorption du méthane ne changent pas, l'amélioration de la concentration de la colonne de méthane peut être obtenue en effectuant une vraisemblance logarithmique gaussienne sur l'équation (3-1) et en optimisant la formule cible, comme indiqué dans l'équation (3-2) :

Dans la formule, C est la matrice de covariance de fond, tandis que μ exprime approximativement I._leLa formule pour calculer t(μ) est t(μ) = μ·k

Une surveillance par télédétection de la concentration de méthane dans la colonne de charbon a été réalisée dans 19 zones minières typiques de la province d'Anhui, à l'aide des données AHSI du satellite Gaofen-5 02 et d'un filtrage adapté (MF). La carte de distribution spatiale de l'augmentation de la concentration de méthane dans la colonne de charbon et la carte de distribution spatiale du panache dans certaines zones minières sont présentées ci-dessous :

Figure 3. Distribution spatiale de l'augmentation de la concentration de la colonne de méthane dans une zone minière de charbon typique.

Figure 4. Localisation de la mine de charbon de Dingji et répartition spatiale du panache de méthane

Figure 5. Localisation de la mine de charbon de Pansan et répartition spatiale du panache de méthane

Figure 6. Localisation de la mine de charbon de Zhujidong et répartition spatiale du panache de méthane

Cette étude a utilisé des données de télédétection hyperspectrale AHSI du satellite Gaofen-5 02 (GF5B) et un algorithme de filtrage adapté pour effectuer un suivi par télédétection des concentrations de méthane dans 19 zones minières de charbon typiques de la province d'Anhui. Cependant, en raison d'imperfections dans le système de vérification de la précision et d'interférences dues à des conditions météorologiques complexes, l'inversion par télédétection des concentrations de méthane issues de sources ponctuelles présente des incertitudes importantes, nécessitant des recherches plus approfondies.

Références

[1] Cai Xiaoli, Bao Yunfei, Huang Qiaolin. Un examen de la technologie de détection et d'inversion du méthane atmosphérique basée sur la télédétection satellitaire [J]. Retour spatial et télédétection, 2025, 46(01):160-173.

[2] Jiang Jianming, Han Feng, Ding Hai, et al. Étude complète, développement et état d'utilisation et perspectives des ressources restantes dans les mines de charbon abandonnées du bassin houiller de Lianghuai, province d'Anhui [J]. China Mining, 2024, 33(08):46-58.

[3] Li Fei, Sun Shiwei, Zhang Yongguang, et al. Inversion et analyse par télédétection des sources typiques de super-émissions de méthane en Chine et aux États-Unis à l'aide de l'imageur hyperspectral du satellite Gaofen-5 02 [J]. Journal of Remote Sensing, 2024, 28(08):1986-2001.

[4] Qin Kai, He Qin, Kang Hanshu et al. Progrès de la recherche et perspectives de la télédétection par satellite des émissions de méthane dans l'industrie charbonnière [J]. Acta Optica Sinica, 2023, 43(18):118-130.

[5] Jiang Yuhan. Étude des performances de la détection par télédétection satellitaire des sources ponctuelles de méthane [D]. Académie chinoise des sciences météorologiques, 2025.