0 引言
1 空间信息技术在CO2封存监测领域的应用现状
表1 空间信息技术在碳封存监测领域的技术指标、成熟度和应用案例 |
| 技术类别 | 技术名称 | 监测参数/功能 | 技术成熟度 | 应用案例或验证案例 |
|---|---|---|---|---|
| 涡度相关法 | 涡度协方差监测 | CO2通量[11] | 在碳封存项目应用 | ①应用于澳大利亚CO2CRC Otway碳封存项目[20]; ②应用于美国Farnsworth油田CO2提高采收率项目[21] |
| 遥感技术 | 差分吸收激光雷达监测 | CO2数密度[11] | 在碳封存项目应用 | 应用于美国Kevin Dome碳封存项目[11] |
| 傅里叶变换红外监测 | CO2浓度[22] | 进行可行性试验 | 在捷克波西米亚Cheb盆地天然CO2渗出地表的 现场进行技术验证[22] | |
| 可调谐半导体激光监测 | CO2浓度[23] | 在碳封存项目应用 | 应用于美国伊利诺伊盆地Decatur碳封存项目[23] | |
| 拉曼激光雷达监测 | CO2浓度[17] | 进行可行性试验 | 在韩国Eumsong环境影响评价试验设施进行技术验证[17] | |
| 温室气体激光层析成像 | CO2浓度[11] | 在碳封存项目应用 | 应用于美国伊利诺伊盆地Decatur碳封存项目[11] | |
| 无人机遥感监测 | CO2浓度[11] | 进行可行性试验 | ①在哥伦比亚巴兰基亚市测试无人机遥感数据传输[24]; ②俄克拉荷马州立大学组装的无人机集成系统,预计在美国Farnsworth碳封存项目中进行安装、测试和优化[11] | |
| 卫星光谱监测 | CO2浓度[17] | 正在开展研发工作 | ||
| 高光谱影像 | 植被健康状况[11] | 进行可行性试验 | 在美国蒙大拿州ZERT试验场进行试验[11] | |
| 合成孔径雷达干涉测量 | 地表形变[11] | 在碳封存项目应用 | ①应用于阿尔及利亚In Salah CO2强化采气示范项目[11]; ②应用于美国Kelly Snyder油田CO2提高采收率项目[25]; ③应用于中国靖边CO2提高采收率项目[26]; ④应用于加拿大Aquistore碳封存项目[27] | |
| 全球导航卫星系统 | 全球导航卫星系统监测 | 地表形变 [11] | 在碳封存项目应用 | ①应用于加拿大Aquistore碳封存项目[27]; ②应用于美国德州南部某CO2提高采收率项目[28] |
| 全球导航卫星系统定位 | 定位 | 进行可行性试验 | 在印度尼西亚雅加达对CO2传感器与 GNSS接收器的结合进行测试[29] | |
| 物联网技术 | 无线传感器网络 | 数据传输 | 正在开展研发工作 | |
| 地理信息系统 | 地理信息系统 | 数据管理与决策支持 | 在碳封存项目应用 | 在美国伊利诺伊盆地Decatur碳封存项目进行应用[30] |
1.1 监测数据获取
表2 用于碳封存监测数据获取的空间信息技术的软硬件需求与监测时空范围 |
| 技术名称 | 主要软硬件需求 | 监测时空范围 |
|---|---|---|
| 涡度协方差监测 | 硬件:三维声波风速计、气体分析仪[31]; 软件:信号处理软件(电信号向物理参数转换、去除原始数据的 峰值、原始数据矫正等)、评估泄漏位置的反演算法[31,34] | 空间:数平方米至数平方千米范围[11,31]; 时间:通常每秒记录10~20次,通过对瞬时 数据积分计算得到特定时间段的碳通量[11,31] |
| 差分吸收激光雷达监测 | 硬件:脉冲激光发射器、差分吸收激光雷达监测接收器[11]; 软件:差分吸收数据反演CO2浓度的算法[35] | 空间:数平方米至数平方千米[11]; 时间:数据采样间隔为数分钟[36] |
| 傅里叶变换红外监测 | 硬件:干涉仪、红外探测器[22]; 软件:样本的光谱算法[22] | 空间:数平方米至数平方千米范围[22]; 时间:一个完整的采集序列需要10 min[22] |
| 可调谐半导体激光监测 | 硬件:可调谐红外激光器、探测器[23]; 软件:反演CO2浓度的算法[23] | 空间:美国伊利诺伊盆地Decatur碳封存项目 现场安装的系统探测距离为100 m[23]; 时间:高时间分辨率,适合连续监测[37] |
| 拉曼激光雷达监测 | 硬件:激光器、探测器等[36]; 软件:计算CO2浓度的算法[38] | 空间:可行性试验探测距离为2 km[38]; 时间:数据采样间隔为数分钟[39] |
| 温室气体激光层析成像 | 硬件:激光收发器、反光镜、气象站[11]; 软件:基于云的软件工具(用于数据处理、存储、传播, 以及近乎实时地生成CO2浓度的二维地图)[11] | 空间:现场验证可探测0.2 km2的区域[11]; 时间:可提供实时的CO2浓度反馈[11] |
| 无人机遥感监测 | 硬件:CO2传感器、无人机平台[11]; 软件:监测数据在地图上的可视化 | 空间:可行性测试结果显示无人机在0~120 m的 高度范围都可以实现数据传输[24]; 时间:可根据需求设定巡检时间间隔 |
| 卫星光谱监测 | 硬件:卫星、光谱仪[17]; 软件:计算CO2浓度的算法[17] | 空间:数百平方米至数平方千米[40]; 时间:被动遥感受重返周期影响[40] |
| 高光谱影像 | 硬件:光谱成像传感器[11]; 软件:图像降噪、反演与可视化 | 空间:数平方米至数平方千米[11]; 时间:通常按天记录信号[11] |
| 合成孔径雷达干涉监测 | 硬件:干涉式合成孔径雷达[17]; 软件:地表形变反演算法 | 空间:毫米级分辨率,可以覆盖1×104 km2 [11]; 时间:由搭载雷达的卫星访问周期决定, 通常以天为时间间隔[11] |
| 全球导航卫星系统监测 | 硬件:卫星、信号接受站 软件:地表形变反演算法 | 空间:毫米级分辨率,可以覆盖全球[11]; 时间:可以持续观测 |
1.1.1 近地面涡度协方差监测
1.1.2 差分吸收激光雷达监测
1.1.3 无人机遥感监测
1.1.4 合成孔径雷达干涉技术
1.1.5 全球导航卫星系统监测
1.1.6 高光谱影像
1.2 定位与数据传输
1.2.1 全球导航卫星系统
1.2.2 物联网技术
1.3 数据管理与决策支持
1.3.1 地理信息系统
1.3.2 云计算服务
2 空间信息技术在CO2地质封存监测中面临的挑战
表3 不同空间信息技术的技术优点与技术挑战 |
| 技术名称 | 技术优点 | 技术挑战 |
|---|---|---|
| 涡度协方差监测 | 测量的空间范围大,并且可以提供连续测量数据[11] | 测量数据量大,需较大存储空间(数据收集频率为10 Hz或20 Hz); 需要有效的数据处理方法来确定泄漏位置和泄漏量,并且CO2通量的自然时空变化对CO2泄漏信号的探测有一定影响[11,31] |
| 差分吸收激光雷达监测 | 相对成本较低,并且易于移动[11] | 自然时空变化对CO2泄漏信号的探测有一定影响[11] |
| 傅里叶变换红外监测 | 可以同时监测多种气体组分[17] | 温度、湿度和其他气象条件会对测量的准确性造成影响[17] |
| 可调谐半导体激光监测 | 可采用手持式仪器进行方便、灵活的监测[17] | 可准确探测浓度的距离短[23] |
| 拉曼激光雷达监测 | 所需仪器少、成本低[17] | CO2的拉曼回波非常弱,难以从背景光波中提取出来[17] |
| 温室气体激光层析成像 | 能够监测和可视化大气CO2浓度的实时变化, 是一种自动化监测技术,有助于降低环境监测成本[11] | 需要对激光信号进行去噪、校正等处理, 对信息处理设备与算法要求较高 |
| 无人机遥感监测 | 监测速度快、效率高,可以减少人工成本[47⇓⇓⇓⇓⇓⇓-54] | 监测范围较小 |
| 卫星光谱监测 | 监测范围广,无需现场设备[17] | 低分辨率(1~10 km)条件下易受到气溶胶的干扰[17] |
| 高光谱影像 | 监测范围广 | 被动光学遥感反演精度较低,受反演模型影响较大; 主动遥感发展时间较短,技术成熟度较低 |
| 合成孔径雷达干涉监测 | 可以用于监测大范围的毫米级的地表形变[11] | 在地形条件复杂、植被覆盖率较高与土地利用率较高的 地方可能出现较大误差[11] |
| 全球导航卫星系统监测 | 可以用于监测大范围的毫米级的地表形变[11] | 对反演算法要求较高 |
| 全球卫星导航系统定位 | 将CO2传感器与GNSS接收器结合可以实时 准确确定特定地点的CO2浓度[29] | 对设备要求较高 |
| 无线传感器网络 | 可实现远程感应与控制,提升监测效率、准确性、 经济性,并且减少人的参与[63] | 易受到干扰,保密性差 |
| 地理信息系统 | 可以将不同来源的空间数据进行整合,有助于 数据的空间分析[15] | 需要定期对系统进行维护与更新 |