一种利用Sentinel-2日间影像探测火炬的方法

一种利用sentinel-2日间影像探测火炬的方法
技术领域
1.本发明涉及一种利用sentinel-2日间影像探测火炬的方法，属于遥感地学应用技术领域。


背景技术：

2.在石油生产过程中，会产生伴生天然气，因为天然气大量堆积会造成的安全隐患以及天然气回收利用过高的经济成本，往往会采用燃烧的方式处理伴生天然气，燃除的天然气被称为火炬。火炬会排放大量的二氧化碳和黑炭加剧全球变暖，还会排放so2、nox、pm、co，等污染气体严重影响燃烧区域周边区域的空气质量，使长期暴露在燃除区域工作的工人和居民产生呼吸道疾病，目前，已有80个政府和石油天然气公司做出了“零常规燃除”的承诺，但是由于天然气燃除行为通常位于偏远地区，很少有国家会有详细的燃除地点和燃除量的公开报告，因此，需要采用遥感探测技术来跟踪全球的天然气燃除情况。
3.由于夜间没有来自背景的太阳辐射的干扰，早期大部分研究使用的都是夜间传感器来探测火炬，但是夜间传感器的空间分辨率往往都较低，一些燃烧比较微弱的火炬常常无法被探测出来，或者距离较近的火炬无法被区分开。为了解决这一问题，目前已经开始有研究在日间高空间分辨率影像上使用多波段阈值算法或热异常指数等进行火炬的探测，但是日间影像探测结果往往会受到太阳辐射的干扰，将一些高反射率地物如：建筑物，生物质燃烧等误认为是火炬，有研究采用全球居住建成数据对建筑物进行剔除，但是该数据集具有一定的误差，无法完全剔除建筑物的干扰，有时还可能将邻近建成区的火炬误判为建筑物进行剔除。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明提出一种首先使用日间影像进行火炬的初步探测，再根据潜在火炬的夜间温度进行筛选，在保证火炬的高精度的探测下，尽最大可能减少其他高反射率地物的干扰，以获取精准无误的火炬分布结果的利用sentinel-2日间影像探测火炬的方法。
5.技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
6.一种利用sentinel-2日间影像探测火炬的方法，包括如下步骤：
7.步骤1：下载研究区域sentinel-2 msi影像，再将各波段重采样为20m空间分辨率，预处理得到大气表观反射率图像；
8.步骤2：使用近红外（narrow nir）波段、短波红外1（swir1） 波段、短波红外2（swir2）波段，计算热异常指数（thermal anomaly index, tai）,并结合火炬样本确定提取火炬的tai阈值；
9.步骤3：基于下载的全年的sentinel-2 影像，根据tai阈值和一年被探测到的次数确定潜在火炬；
10.步骤4：下载研究区域noaa-20 viirs夜间影像，基于普朗克定律计算出潜在火炬
一年的夜间温度，并结合火炬样本得到火炬在燃烧月份出现温度高于1600k的平均次数作为在潜在火炬中筛选出真实火炬的阈值；
11.步骤5：对潜在火炬使用步骤4得到的阈值进行筛选，最终得到研究区域的火炬分布结果。
12.进一步地，步骤1中，下载的sentinel-2 msi 影像为level 1c的大气表观反射率数据，再使用snap软件将各个波段的空间分辨率都重采样为20m，之后在envi中用波段计算器将影像记录的dn值除以1000转换为真实的大气表观反射率。
13.进一步地，步骤2的具体实施方法为：
14.步骤21：首先使用处理好的sentinel-2的遥感影像的近红外（narrow nir）波段、短波红外1（swir1） 波段、短波红外2（swir2）波段，计算热异常指数（thermal anomaly index, tai），所述tai指数计算公式如下：
[0015][0016]
式中：, , 分别为sentinel-2 遥感影像的短波红外2波段（swir2）、短波红外1波段（swir1）和近红外波段（narrow nir）的大气表观反射率数据。
[0017]
步骤22：再统计所有火炬样本在sentinel-2影像对应位置像元的tai值，有90%以上的火炬点的tai值是高于0.45的，所以将提取火炬的tai阈值设定为0.45。
[0018]
进一步地，步骤3中基于下载的全年的sentinel-2 影像，根据tai阈值和一年被探测到的次数确定潜在火炬的具体判断条件是当影像中某一处像元位置的tai计算值在一年内大于0.45的次数大于两次，或者一年中最大的tai值超过了1，就将其判定为潜在火炬。
[0019]
进一步地，步骤4的具体实施方法为：
[0020]
步骤41：下载研究区域noaa-20 viirs夜间sdr影像，提取出m7、 m8、 m10这三个波段的夜间辐亮度数据，基于普朗克定律计算出潜在火炬一年的夜间温度，所述普朗克定律公式如下：
[0021][0022]
式中： λ 是m7、m8、m10这三个波段的波长，值分别为0.87μm、1.24μm、1.6μm, 是影像中记录的m7、m8、m10这三个波段的夜间辐亮度，h是普朗克常数，值为6.6310-34 js， c是光速，值为3.010
8 m/s，k是玻尔兹曼常数，值为1.3810-23 j/k，t 是燃烧火炬的绝对温度， 是燃烧火炬占据的像元比例,
ꢀꢀ
是燃烧火炬的比辐射率。
[0023]
将存在潜在火炬的像元位置的m7、m8、m10波段的夜间辐亮度值和各个波段的波长作为普朗克定律拟合的输入条件，拟合程序的初始t为1000k，初始为1，约束条件为温度介于600k-6000k，使用matlab进行函数最优解的拟合，最终得到潜在火炬在一年的夜间拟合温度。
[0024]
步骤42：汇总火炬样本的夜间拟合温度，当温度大于1600k时，认为火炬的状态为燃烧，统计火炬在燃烧月份出现燃烧状态的平均次数作为在潜在火炬中筛选出真实火炬的阈值，平均次数的计算公式为：
[0025][0026]
式中：是火炬样本在一年燃烧月份中夜间温度大于1600k的总次数，是火炬样本在一年燃烧月份中夜间温度大于600k的总次数，31为一个月的总天数。
[0027]
进一步地，步骤5中，对潜在火炬使用步骤4得到的阈值进行筛选，判定条件为：当潜在火炬在一年燃烧月份中至少有一个月的夜间温度大于1600k的天数大于n，则为真实火炬，或者当潜在火炬在一年燃烧月份中至少有两个月的夜间温度大于1600k的天数大于n/2，则为真实火炬，最终得到研究区域的火炬分布结果。
[0028]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0029]
本发明的利用sentinel-2日间影像探测火炬的方法，解决了以往使用夜间影像探测火炬分辨率较粗的问题，可以很好的探测到燃烧较微弱的火炬并且区分开空间位置相近的火炬。本发明进一步使用noaa-20 viirs影像对初步探测的火炬结果进行夜间温度的计算，利用温度和频率对探测结果进一步筛选，剔除掉由于日间太阳辐射的干扰造成的错误探测。在保证了火炬的高精度的探测下，尽最大可能减少其他高反射率地物的干扰，以获取精准无误的火炬分布结果。
附图说明
[0030]
图1为本发明的流程图；
[0031]
图2为实施例研究区域示意图；
[0032]
图3为实施例的夜间拟合温度频数分布图；
[0033]
图4为实施例的火炬探测结果空间分布图。
具体实施方式
[0034]
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0035]
如图1所示，为本发明的一种利用sentinel-2日间影像探测火炬的方法，具体步骤流程如下：
[0036]
步骤1：下载研究区域sentinel-2 msi影像，再将各波段重采样为20m空间分辨率，预处理得到大气表观反射率图像；
[0037]
本实施例选用位于俄罗斯奥伦堡州、伊朗波斯、伊拉克巴士拉、美国得克萨斯州的局部地区作为研究区域，如图2所示。首先在欧空局官网下载研究区域一年的sentinel-2 msi level 1c的大气表观反射率数据，再使用snap软件将各个波段的空间分辨率都重采样为20m，最后在envi中用波段计算器将影像各个波段的dn值除以1000，得到真实的大气表观反射率。
[0038]
步骤2：使用近红外（narrow nir）波段、短波红外1（swir1）波段、短波红外2（swir2）波段，计算热异常指数（thermal anomaly index, tai），并结合火炬样本确定提取火炬的tai阈值；
[0039]
首先对重采样后的影像数据计算热异常指数，热异常指数tai的计算公式如下：
[0040][0041]
式中：, , 分别为sentinel-2遥感影像的短波红外2波段（swir2）、短波红外1波段（swir1）和近红外波段（narrow nir）的大气表观反射率数据。
[0042]
再统计研究区域火炬样本在sentinel-2影像对应位置像元的tai值，有90%以上的火炬点的tai值是高于0.45的，所以将提取火炬的tai阈值设定为0.45。
[0043]
步骤3：基于下载的全年的sentinel-2 影像，根据tai阈值和一年被探测到的次数确定潜在火炬。
[0044]
对下载的研究区域全年的影像都计算tai，用阈值0.45来探测火炬，当像元值大于0.45时则被认为是火炬，汇总一年的探测结果，当影像中某一处像元位置的tai计算值在一年内大于0.45的次数大于两次，或者一年中最大的tai值超过了1，就将其判定为潜在火炬，最终得到的一个二值栅格影像，值为1则为火炬，值为0则为其他地物。最后在arcgis中将栅格影像转为矢量多边形，生成多边形的质心作为潜在火炬点。
[0045]
步骤4：下载研究区域noaa-20 viirs夜间影像，基于普朗克定律计算出潜在火炬点一年的夜间温度，并结合火炬样本得到火炬在燃烧月份出现高温的平均次数作为在潜在火炬中筛选出真实火炬的阈值。
[0046]
首先根据研究区域范围下载对应位置的viirs夜间sdr影像，本实施例下载影像时的影像时间应该设置为得克萨斯州地区下载utc时间为07:00-10:00的影像，其他三个地区下载utc时间为21:00-00:00的影像。因为夜间viirs传感器的m7、m8、m10波段的辐亮度数据只包括了仪器噪声和火炬燃烧放出的热量，所以将这三个波段的辐亮度提取出来用于普朗克定律公式中进行温度的拟合，所述普朗克定律公式如下：
[0047][0048]
式中： λ 是m7、m8、m10这三个波段的波长，值分别为0.87μm、1.24μm、1.6μm, 是影像中记录的m7、m8、m10这三个波段的夜间辐亮度，h是普朗克常数，值为6.6310-34 js， c是光速，值为3.010
8 m/s，k是玻尔兹曼常数，值为1.3810-23 j/k，t是燃烧火炬的绝对温度，f是燃烧火炬占据的像元比例,
ꢀꢀ
是燃烧火炬的比辐射率。
[0049]
将步骤4得到的潜在火炬站点的m7、m8、m10波段的夜间辐亮度值和对应的各个波段的波长作为普朗克定律拟合的输入条件，拟合程序的初始t为1000k，初始为1，约束条件为温度介于600k-6000k，使用matlab进行函数最优解的拟合，最终得到潜在火炬站点在一年的夜间拟合温度。
[0050]
最后汇总研究区域火炬样本的夜间拟合温度，当温度大于1600k时，认为火炬的状态为燃烧，统计火炬在燃烧月份出现燃烧状态的平均次数作为在潜在火炬中筛选出真实火炬的阈值，平均次数的计算公式为：
[0051][0052]
式中：是火炬样本在一年燃烧月份中夜间温度大于1600k的总次数，是火炬样本在一年燃烧月份中夜间温度大于600k的总次数，31为一个月的总天数。
[0053]
四个研究区域的火炬样本的夜间拟合温度的频数分布直方图如图3所示，最终计算出俄罗斯奥伦堡州研究区域的火炬的月平均燃烧次数为16次，伊朗波斯研究区域的火炬的月平均燃烧次数为20次，伊拉克巴士拉研究区域的火炬的月平均燃烧次数为14次，美国得克萨斯州研究区域的火炬的月平均燃烧次数为6次。
[0054]
步骤5：对潜在火炬使用步骤4得到的阈值进行筛选，最终得到研究区域的火炬空间分布结果。
[0055]
对潜在火炬站点进一步进行筛选，判定条件为：当潜在火炬在一年燃烧月份中至少有一个月的夜间温度大于1600k的天数大于月平均燃烧次数，则为真实火炬，或者当潜在火炬在一年燃烧月份中至少有两个月的夜间温度大于1600k的天数大于1/2月平均燃烧次数的，则为真实火炬，最终得到研究区域的火炬分布结果，如图4所示。
[0056]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种利用sentinel-2日间影像探测火炬的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：获取研究区域sentinel-2 msi影像，再将各波段重采样，然后预处理得到大气表观反射率图像；步骤2：使用近红外波段、短波红外1波段和短波红外2波段，计算热异常指数tai，并结合火炬样本确定提取火炬的tai阈值；步骤3：基于获取的全年的sentinel-2影像，根据tai阈值和一年被探测到的次数确定潜在火炬；步骤4：下载研究区域noaa-20 viirs夜间影像，基于普朗克定律计算出潜在火炬一年的夜间温度，并结合火炬样本得到火炬在燃烧月份出现温度高于1600k的平均次数作为在潜在火炬中筛选出真实火炬的阈值；步骤5：对潜在火炬使用步骤4得到的阈值进行筛选，最终得到研究区域的火炬分布结果。2.根据权利要求1所述的利用sentinel-2日间影像探测火炬的方法，其特征在于：步骤1中，下载的sentinel-2 msi 影像为level 1c的大气表观反射率数据，再使用snap软件将各个波段的空间分辨率都重采样为20m，之后在envi中用波段计算器将影像记录的dn值除以1000转换为真实的大气表观反射率。3.根据权利要求1所述的利用sentinel-2日间影像探测火炬的方法，其特征在于：步骤2的具体实施方法为：步骤21：首先使用处理好的sentinel-2的遥感影像的近红外波段、短波红外1波段和短波红外2波段，计算热异常指数，热异常指数计算公式如下：；式中：, , 分别为sentinel-2遥感影像的短波红外2波段、短波红外1波段和近红外波段的大气表观反射率数据；步骤22：再统计所有火炬样本在sentinel-2影像对应位置像元的tai值，有90%以上的火炬点的tai值是高于0.45的，所以将提取火炬的tai阈值设定为0.45。4.根据权利要求1所述的利用sentinel-2日间影像探测火炬的方法，其特征在于：步骤3中基于下载获取的全年的sentinel-2影像，根据tai阈值和一年被探测到的次数确定潜在火炬的具体判断条件是：当影像中某一处像元位置的tai计算值在一年内大于0.45的次数大于两次，或者一年中最大的tai值超过了1，就将其判定为潜在火炬。5.根据权利要求1所述的利用sentinel-2日间影像探测火炬的方法，其特征在于：步骤4的具体实施方法为：步骤41：获取研究区域noaa-20 viirs夜间sdr影像，提取出m7、m8、m10这三个波段的夜间辐亮度数据，基于普朗克定律计算出潜在火炬一年的夜间温度，普朗克定律公式如下：；式中：λ是m7、m8、m10这三个波段的波长，值分别为0.87μm、1.24μm、1.6μm， 是影像中记录的m7、m8、m10这三个波段的夜间辐亮度，h是普朗克常数， c是光速， k是玻尔兹曼常
数，t是燃烧火炬的绝对温度，f是燃烧火炬占据的像元比例， 是燃烧火炬的比辐射率；将存在潜在火炬的像元位置的m7、m8、m10波段的夜间辐亮度值和各个波段的波长作为普朗克定律拟合的输入条件，使用matlab进行函数最优解的拟合，最终得到潜在火炬在一年的夜间拟合温度；步骤42：汇总火炬样本的夜间拟合温度，当温度大于1600k时，认为火炬的状态为燃烧，统计火炬在燃烧月份出现燃烧状态的平均次数作为在潜在火炬中筛选出真实火炬的阈值，平均次数的计算公式为：；式中：是火炬样本在一年燃烧月份中夜间温度大于1600k的总次数，是火炬样本在一年燃烧月份中夜间温度大于600k的总次数，31为一个月的总天数。6.根据权利要求1所述的利用sentinel-2日间影像探测火炬的方法，其特征在于：步骤5中，对潜在火炬使用步骤4得到的阈值进行筛选，判定条件为：当潜在火炬在一年燃烧月份中至少有一个月的夜间温度大于1600k的天数大于n，则为真实火炬，或者当潜在火炬在一年燃烧月份中至少有两个月的夜间温度大于1600k的天数大于n/2，则为真实火炬，最终得到研究区域的火炬分布结果。

技术总结
本发明公开一种利用Sentinel-2日间影像探测火炬的方法，属于遥感地学领域。获取研究区域卫星影像，将各波段重采样，预处理得到大气表观反射率图像；计算热异常指数，并确定提取火炬的TAI阈值；基于全年的卫星影像，根据TAI阈值和一年被探测到的次数确定潜在火炬；获取研究区域夜间影像，计算潜在火炬一年的夜间温度，并结合火炬样本得到火炬在燃烧月份出现高温的平均次数作为在潜在火炬中筛选出真实火炬的阈值；对潜在火炬使用真实火炬的高温次数阈值进行筛选，得到研究区域的火炬分布结果。本发明可得研究区域精准的火炬分布结果，为温室气体研究提供准确的位置信息，有助于跟踪石油生产国为减少天然气燃除的承诺做出的努力。努力。努力。


技术研发人员：张秀英 胡成林 高倩
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2023.08.07
技术公布日：2023/9/9