基于连续小波变换的地下天然气微泄漏点识别模型

摘要

天然气作为一种清洁、高效的低碳能源,消费占比日益增大。无论是地下输气管道还是储气库,由于管道腐蚀、老化、自然灾害,地下断层、注入井封存不好等因素,都会导致天然气泄漏。从安全、经济、环境等方面考虑,开展地下天然气管道和储气库微泄漏检测是十分必要的。利用高光谱遥感监测地表植被变化而间接探测天然气微泄漏点,通过野外可控系统模拟地下储存天然气微泄漏实验,以冬小麦为研究对象,采集了9期小麦冠层光谱数据,通过光谱分析探寻胁迫小麦光谱特征并构建指数识别模型。首先对小麦冠层光谱进行奇异值剔除和平滑处理,对连续统去除之后的冠层光谱进行连续小波变换,选用Mexihat母小波,在尺度参数为32时,小波系数有较少的峰值和谷值,能与原始光谱拟合较好,且小麦多期数据其峰值和谷值位置都比较稳定。受胁迫和健康小麦的原始光谱可分性较差,但小波系数在487,550和770 nm处受胁迫与健康小麦样本可分性较优,且具有明显的诊断性特征:(1)受胁迫和健康小麦的小波系数在487 nm处为“吸收谷”,其小波系数值为负值,健康小麦小波系数值大于受胁迫小麦的;(2)受胁迫和健康小麦的小波系数在550和770 nm处,有明显的“反射峰”,且受胁迫小麦的小波系数值较大。为更好突出差异性,增强受胁迫和健康小麦的小波系数差异特征,构建了CWT mexh(CWT mexh=CW^2770/(1-CW 487)·CW 550)指数用于胁迫与健康小麦的识别;然后分别与NDVI 705,mNDVI 705,ARI1,R 440/R 740,D 725/D 702指数进行对比分析,经J-M距离定量检验,结果显示CWT mexh指数对天然气微泄漏胁迫下的冬小麦具有较好的识别效果,该指数在天然气胁迫发生20 d后可以稳定区分胁迫和健康两类小麦,且在全生育期都保持相同的规律,而NDVI 705,mNDVI 705,ARI1等指数在整个生育期内无法准确识别健康与胁迫小麦。CWT mexh指数在稳定性、普适性与可识别性方面优于其他5个指数。因此,高光谱遥感监测地表植被间接识别天然气微泄漏点具有可行性,研究结果可为星载高光谱遥感监测地下储存天然气泄漏点提供理论依据和技术支持。