安徽省典型煤矿区点源甲烷柱浓度遥感监测

甲烷是大气中具有辐射活性与化学活性的气体，既影响地气辐射平衡，也参与大气化学过程。作为第二大温室气体，其年均浓度已达工业革命前的2.5倍以上。甲烷的全球增温潜势在20年尺度上约为二氧化碳的84倍，百年尺度约为30倍。甲烷在大气中寿命仅约12年，远短于二氧化碳（持续数百年），控制甲烷排放对减缓全球变暖具有更快速的成效，对实现碳中和目标尤为重要。

甲烷监测卫星的工作原理是通过温室气体监测载荷对甲烷在不同波长位置的光谱吸收的探测来估计，反演是一种结合观测数据和大气传输模型对排放进行优化的自上而下方法（蔡小莉，2025）。CH4反演方法主要包括大气化学传输模型算法、物理算法、多波段多通道方法、深度学习算法等。

本文以安徽省19个典型煤矿区域为研究对象，基于高分五号02星（GF5B）AHSI高光谱遥感数据，利用匹配滤波算法开展典型煤矿区域的甲烷柱浓度遥感监测，旨在为区域甲烷排放源动态监管提供数据支撑与科学依据。

石炭-二叠纪期间，华北板块在构造演化下发育多套含煤岩系，形成两淮、鲁西等大型煤炭基地。两淮煤田地跨皖北五市，保有煤炭储量338.17亿吨，是华东重要能源基地。大地构造上，其位于华北板块东南缘的徐淮地块，南北以蚌埠隆起为界分为淮北和淮南煤田。

图1. 华北板块大地构造纲要和两淮煤田构造位置及废弃煤炭矿井分布（蒋健明，2024）

图2. 研究区遥感影像及矿点位置分布图

匹配滤波算法是一种基于数据驱动的方法，该算法的光谱信息可以表征为平均光谱上叠加光谱扰动，而这种光谱扰动是由甲烷柱浓度变化而引起的。该算法能最大化信噪比，是甲烷点源遥感反演常用算法之一。基于Beer-Lambert定理，将其进行泰勒一阶展开线性化：

其中k为单位甲烷吸收系数，表征大气甲烷在特定波长上辐射吸收的能力。即垂直方向上甲烷分子吸收截面之和，是由吸收路径长度和甲烷吸收截面共同决定。I_o可以用卫星接收到的平均辐射强度μ来近似代替，即参考光谱。而目标光谱t(I_o)为甲烷柱浓度增强对背景辐射强度的扰动。系数k可以通过辐射传输模型求取。

假定光谱变化仅由甲烷浓度变化引起，且甲烷的吸收特征不会发生改变，将式（3-1）进行高斯对数似然并对目标公式进行最优化可得到甲烷柱浓度增强，如式（3-2）所示：

式中C为背景协方差矩阵，而μ近似表达I_o，t(μ)的计算公式为t(μ)= μ·k

基于高分五号02星AHSI数据和匹配滤波法（MF）开展安徽省19个典型煤矿区域的甲烷柱浓度遥感监测，甲烷柱浓度增强空间分布图和部分煤矿区域的羽流空间分布图如下所示：

图3. 典型煤矿区域甲烷柱浓度增强空间分布图

图4. 丁集煤矿位置及甲烷羽流空间分布

图5. 潘三煤矿位置及甲烷羽流空间分布

图6. 朱集东煤矿位置及甲烷羽流空间分布

本研究基于高分五号02星（GF5B）AHSI高光谱遥感数据，利用匹配滤波算法开展了对安徽省19个典型煤矿区域的甲烷柱浓度遥感监测。但由于真实性检验体系的不完善以及复杂气象条件的干扰，导致甲烷点源柱浓度遥感反演存在较大不确定性，亟待进一步深入研究。

参考文献

[1] 蔡小莉,鲍云飞,黄巧林.基于卫星遥感的大气甲烷探测反演技术综述[J].航天返回与遥感,2025,46(01):160-173.

[2] 蒋健明,韩锋,丁海等.安徽省两淮煤田废弃煤炭矿井剩余资源综合调查、开发利用现状及展望[J].中国矿业,2024,33(08):46-58.

[3] 李飞,孙世玮,张永光等.高分五号02星高光谱成像仪中美典型甲烷超级排放源遥感反演与分析[J].遥感学报,2024,28(08):1986-2001.

[4] 秦凯,何秦,康涵书等.煤炭行业甲烷排放卫星遥感研究进展与展望[J].光学学报,2023,43(18):118-130.

[5] 蒋雨菡.针对甲烷点源卫星遥感探测的性能研究[D].中国气象科学研究院,2025.