=Paper=
{{Paper
|id=Vol-2033/40_paper
|storemode=property
|title=Мониторинг факельных установок по сжиганию попутного газа на территории Западной Сибири с использованием данных каналов радиометра VIIRS/SNPP в видимом и ближнем ИК-диапазонах в ночное время
(Monitoring of Natural Gas Flaring in the Territory of Western Siberia with the Use of the Visible and Near Infrared Channel Readings of VIIRS/SNPP at Night-time)
|pdfUrl=https://ceur-ws.org/Vol-2033/40_paper.pdf
|volume=Vol-2033
|authors=Egor Yu. Mordvin,Anatoly A. Lagutin,Maksim S. Trishin
}}
==Мониторинг факельных установок по сжиганию попутного газа на территории Западной Сибири с использованием данных каналов радиометра VIIRS/SNPP в видимом и ближнем ИК-диапазонах в ночное время
(Monitoring of Natural Gas Flaring in the Territory of Western Siberia with the Use of the Visible and Near Infrared Channel Readings of VIIRS/SNPP at Night-time)==
https://ceur-ws.org/Vol-2033/40_paper.pdf
MONITORING OF NATURAL GAS FLARING IN THE TERRITORY OF
WESTERN SIBERIA WITH THE USE OF THE VISIBLE AND NEAR
INFRARED CHANNEL READINGS OF VIIRS/SNPP AT NIGHT-TIME
Egor Yu. Mordvin1, Anatoly A. Lagutin1,2, Maksim S. Trishin1
1
Altai State University, Barnaul, Russia
2
Institute of Computational Technologies SB RAS, Novosibirsk, Russia
Abstract
We discuss a monitoring technology of gas flaring in the Western Siberia territory. The technology
is based on visible and near infrared channel readings of VIIRS/SNPP at night-time. Using VIIRS data
collected in 2015, we found and cataloged 233 sources.
Keywords: Western Siberia, high-temperature sources, Suomi-NPP, VIIRS, characteristics of gas
flaring
МОНИТОРИНГ ФАКЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ПО СЖИГАНИЮ ПОПУТНОГО ГАЗА
НА ТЕРРИТОРИИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ
КАНАЛОВ РАДИОМЕТРА VIIRS/SNPP В ВИДИМОМ И БЛИЖНЕМ ИК-
ДИАПАЗОНАХ В НОЧНОЕ ВРЕМЯ
Мордвин Е.Ю.(1), Лагутин А.А.(1)(2), Тришин М.С.(1)
1
Алтайский государственный университет, Барнаул
2
Институт вычислительный технологий СО РАН, Новосибирск
Обсуждается технология мониторинга характеристик факельных установок по сжиганию по-
путного нефтяного газа на территории Западной Сибири, основанная на данных каналов видимого и
ближнего инфракрасного диапазонов радиометра VIIRS/Suomi-NPP в ночное время. В по данным
VIIRS для 2015 г. найдено и каталогизировано 233 источника.
Ключевые слова: Западная Сибирь, высокотемпературные источники, Suomi-NPP, VIIRS, ха-
рактеристики факельных установок.
Введение. В процессе подготовки и добычи нефти на каждом месторождении выделя-
ется попутный нефтяной газ (ПНГ). Часть этого газа сжигается в факельных установках (ФУ)
в местах добычи нефти, а также на других этапах переработки нефти. В работе [1] по данным
спутниковых наблюдений в 2012 г. установлено 7467 ФУ. Лидерами по числу ФУ являются
США (2399), Россия (1053), Канада (332), Нигерия (325) и Китай (309). Однако, по объему
сжигаемого ПНГ распределение другое: Россия, Ирак, Иран, Нигерия, Венесуэла, США [1].
По оценкам [1] в 2012 г. в ФУ было сожжено около 140 миллиардов кубометров газа, что со-
ставило почти 3.5% его годового мирового производства. Вклад России был около 17%, доля
США – 4.5%.
Сжигание НПГ приводит к выбросам в атмосферу парниковых газов (CO2, метан), окиси
азота, сернистого ангидрида, сажи и других токсичных компонентов, а также к тепловому воз-
действию на подстилающую поверхность (ПП) (см., например, [2-5]). Эти выбросы оказывают
влияние на климат, характеристики окружающей среды и состояние здоровья людей как в гло-
бальном масштабе, так и на региональном уровне [2,5,6]. В силу отсутствия регулярных и пол-
ных данных по расположению ФУ и их функционированию для оценки воздействия ФУ на
биосферу Земли необходимо проведение мониторинга характеристик ФУ, а также системы
«атмосфера – ПП» в зоне их расположения.
Продолжая исследования [1,2,4-12], главной целью данной работы является обсуждение
технологии обнаружения высокотемпературных аномалий и их характеристик (координаты,
температура, площадь) с использованием данных каналов видимого и ближнего инфракрас-
ного диапазонов радиометра VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) [13] в ночное
время, а также установление характеристик ФУ Западной Сибири в 2015 г. и первой половине
2017 г. Информационной основой работы являлся «сырой поток» данных радиометра VIIRS,
принимаемый в режиме реального времени наземной станцией УниСкан-24 в Алтайском гос-
ударственном университете, и создаваемые на его основе продукты уровня 1 и 2.
Радиометр VIIRS/Suomi-NPP. Радиометр VIIRS входит в состав аппаратуры космиче-
ской платформы Suomi-NPP [14], которая была запущена 28 октября 2011 года. Прибор имеет
22 спектральных канала, регистрирующих уходящее из атмосферы электромагнитное излуче-
ние в диапазоне 0,412-11.45 мкм [13]. В отличие от большинства приборов, используемых для
мониторинга термальных аномалий, несколько каналов видимого и ближнего ИК-диапазонов
этого радиометра, которые представлены в таблице 1 по данным [13], регистрируют уходящее
из атмосферы излучение в ночное время суток. В [10] было установлено, что показания этих
каналов, превышающие порог шумов канала, могут быть эффективно использованы не только
для обнаружения высокотемпературных термальных источников, но также и для восстановле-
ния их температуры и площади.
207
Таблица 1. Характеристики каналов VIIRS, регистрирующие уходящее излучение в ночное время.
Диапазон длин волн Максимум чувствительности Размер пикселя
Канал
(мкм) (мкм) (км×км)
DNB 0.500 – 0.900 0.700 0.742×0.742
M7 0.846 – 0.885 0.865 0.742×0.259
M8 1.230 – 1.250 1.240 0.742×0.776
M10 1.580 – 1.640 1.610 0.742×0.776
Физическая основа метода. Физической основой метода восстановления температуры
термальной аномалии является утверждение о том, что в темное время суток весь поток элек-
тромагнитной энергии, уходящей в космическое пространство в ближнем ИК-диапазоне, яв-
ляется, в основном, собственным излучением этого источника. В силу этого можно считать,
что регистрируемая радиометром VIIRS в этих каналах интенсивность излучения без учета
атмосферной коррекции равна произведению функции Планка при температуре источника и
масштабирующего множителя ε, который, в основном, несет информацию о доле пикселя, за-
нятой аномалией. Эта интенсивность может быть представлена в виде:
4𝜋ћ𝐶 2
𝐿(𝜆, 𝑇) = 𝐵(𝜆, 𝑇)𝜀 = 𝜀 2𝜋ћ𝐶 . (1)
𝜆5 (𝑒 𝜆𝜅𝑇 −1)
На рис. 1 показаны распределения Планка для нескольких температур источника, иссле-
дуемых в данной работе. Вертикальными линиями на этом рисунке также обозначены каналы
VIIRS, работающие в ночное время. Хорошо видно, что каналы М8 и М10 находятся в области
максимума интенсивности излучения источников, температура которых лежит в диапазоне
1800 – 2200 К.
Алгоритм восстановления. Основой создаваемого вычислительного комплекса обна-
ружения высокотемпературных термальных аномалий и их характеристик по данным каналов
видимого и ближнего инфракрасного диапазонов радиометра VIIRS в ночное время является
алгоритм [10]. Этот алгоритм включает два этапа обработки. На первом этапе находятся коор-
динаты возможных термальных аномалий, на втором — восстанавливаются их характери-
стики.
Данные VIIRS показали [10], что отклик канала М10, превышающий шумы канала в пик-
селе на уровне шести среднеквадратичных отклонений для анализируемой сцены, указывают
на наличие в нем термальной аномалии. Именно этот пороговый критерий использовался в
работе для начала поиска аномалий. После превышения в данном пикселе аналогичных поро-
говых значений также и в каналах M8 и DNB, ему присваивалась метка «термальная анома-
лия».
Рис. 1. Распределения Планка для нескольких температур источника;
вертикальными линиями показаны каналы VIIRS, работающие в ночное время.
208
После установления пикселей, имеющих метку «термальная аномалия», восстанавлива-
лась температура 𝑇 источника и коэффициент масштабирования ε. Для этого, как было пред-
ложено в [10], использовалась процедура фитирования (1) на основе метода многомерной оп-
тимизации Нелдера-Мида [15].
Для старта этапа восстановления температуры и площади источника необходимо зада-
вать начальные значения температуры 𝑇0 , коэффициента масштабирования 𝜀0 , а также четыре
параметра метода многомерной оптимизации Нелдера-Мида [15]: отражения (𝜌), растяжения
(𝜒), сжатия (𝛾) и редукции (𝜎). На стадии тестирования текущего блока было установлено, что
оптимальными для старта являются следующие начальные значения: 𝑇0 = 500 К и 𝜀0 = 0.1, 𝜌 =
1, 𝜒 = 2, 𝛾 = 0.4, 𝜎 = 0.6.
После определения коэффициента масштабирования ε оценивалась площадь источника
с использованием равенства 𝑆 = 𝜀∆𝐴∆𝐷. Входящие в это выражение размеры пикселя вдоль
направлений сканирования∆𝐴и в направлении движения спутника ∆𝐷 определялись с исполь-
зованием выражений (4)-(6) работы [10].
Верификация. Верификация созданного на базе этого алгоритма вычислительного ком-
плекса проводилась, подобно [10], с использованием искусственного источника, состоящего
из 39 ксеноновых коротко-дуговых ламп [16]. Излучение этих ламп сфокусировано в единый
луч, который направлен перпендикулярно вверх. Источник имеет координаты 36°05'44'' с.ш.,
115°10'33'' з.д. Температура источника равна 6000 К, его площадь 0.2 м2 . Отметим, что макси-
мум излучения этого источника приходится на видимую часть спектра.
Для верификации комплекса были использованы результаты ночной съемки VIIRS, про-
веденные 7 июля 2013 года. Необходимые данные были получены из ресурса
https://www.class.ncdc.noaa.gov.
Сопоставление показало, что полученные с использованием созданного вычислитель-
ного комплекса температура и площадь практически совпадает с действительными характери-
стиками источника.
Высокотемпературные источники на территории Западной Сибири. Созданный на
базе изложенного выше алгоритма вычислительный комплекс был применен для поиска вы-
сокотемпературных (𝑇>1600 K) источников на территории Западной Сибири в 2015 и 2017
годах. Информационной базой работы являлся «сырой поток» данных радиометра VIIRS, при-
нимаемый авторами в режиме реального времени наземной станцией УниСкан-24, и создава-
емые на его основе продукты уровня 1 и 2.
В исследованиях использовались лишь ночные измерения VIIRS с зенитным углом
наблюдений < 10° в условиях безоблачной атмосферы. Пиксели, закрытые облаками, опреде-
лялись по маске облачного покрова, восстанавливаемого по данным VIIRS. В результате об-
работки данных 2015 г. было обнаружено 233 аномалии, пространственное распределение ко-
торых показано на рис. 2. Источники, которые были зарегистрированы один раз, исключены.
Анализ полученных данных показал, что в период действия установленных источников
их температура находилась в диапазоне 1600-2000 К. Поскольку этот диапазон соответствует
температурам горения газовой смеси на основе легких углеводородов, было высказано пред-
положение, что эти источники — факельные установки.
Для более детальной классификации источников использовались данные геоинформаци-
онной системы Google Earth [17], а также данные спутника Landsat-8 [18]. Визуальный анализ
снимков показал, что большинство найденных источников являются факельными установ-
ками.
209
Рис. 2. Пространственное распределение высокотемпературных (𝑇 > 1600 K) источников
на территории Западной Сибири в 2015 г.
Выводы. 1. Создан и верифицирован вычислительный комплекс обнаружения высоко-
температурных термальных аномалий и их характеристик (температура, площадь) в условиях
безоблачной атмосферы с использованием данных каналов видимого и ближнего инфракрас-
ного диапазона радиометра VIIRS/SNPP в ночное время.
2. По данным VIIRS/SNPP был проведен поиск высокотемпературных (𝑇>1600 K) ано-
малий на территории Западной Сибири. В 2015 г. найдено и каталогизировано 233 источника.
Визуальный анализ снимков высокого разрешения области источника показал, что большин-
ство найденных источников являются факельными установками. Характеристики этих источ-
ников представлены в докладе.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Elvidge C. D., Zhizhin M., Baugh K. et al. Methods for global survey of natural gas flaring from Visible
Infrared Imaging Radiometer Suite data // Energies, 2016. Vol. 9. Doi:10.3390/en9010014.
[2] Elvidge C.D., Ziskin, D., Baugh, K.E. et al. Fifteen year record of global natural gas flaring derived
from satellite data // Energies, 2009. Vol. 2. P. 595–622.
[3] Ismail O., Umukoro G. Global impact of gas flaring // Energy Power Eng., 2012. Vol. 4. P. 290–302.
[4] Casadio S., Arino, O., Serpe, D. Gas flaring monitoring from space using the ATSR instrument series //
Remote Sens. Environ, 2012. Vol. 116. P. 239–249.
[5] Sharma A., Wang J., Lennartson E.M. Intercomparison of MODIS and VIIRS fire products in Khanty-
Mansiysk Russia: Implications for characterizing gas flaring from space // Atmosphere, 2017. Vol. 8.
95. doi:10.3390/atmos8060095.
210
[6] Anejionu O.C.D., Blackburn G.A., Whyat J.D. Satellite survey of gas flares: development and
application of a Landsat-based technique in the Niger Delta // Int. J. Remote Sen., 2014. Vol. 35.
P. 1900-1925.
[7] Грибанов К.Г., Захаров В.И., Алсынбаев К.С., Суляев Я.С. Метод определения расхода
попутного газа на факелах по данным спутникового зондирования сенсорами типа MODIS в ИК
каналах // Оптика атмосферы и океана, 2007. Т. 20. С. 68-72.
[8] Годунов А.И., Жижин М.Н. Метод оценки объемов сжигаемого газа по данным дистанционного
зондирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2011.
Т. 8. №. 1. С. 83-89.
[9] Алсынбаев К.С., Брыксин В.М., Евтюшкин А.В. и др. Оценка мощности факельных установок
по сжиганию попутного нефтяного газа на основе обработки космоснимков MODIS // Вестник
Балтийского федерального университета им. И. Канта, 2013. Т. 10. С. 131-137.
[10] Elvidge C.D., Zhizhin M., Hsu F.-C. et al. VIIRS Nightfire: Satellite pyrometry at night // Remote Sens.,
2013. Vol. 5. P. 4423-4449.
[11] Zhizhin M., Elvidge C.D., Hsu F.-C. et al. Using the short-wave infrared for nocturnal detection of
combustion sources in VIIRS data // Proc. Asia-Pacific Adv. Netw., 2013. Vol. 35, P. 49-61.
[12] Жижин М.Н., Элвидж К., Пойда А.А. и др. Использование данных ДЗЗ для мониторинга добычи
углеводородов // Информационные технологии и вычислительные системы, 2014. Т. 3. С. 97-111.
[13] Hillger D., Kopp T., Lee T. et al. First-light imagery from Suomi NPP VIIRS // Bull. Am. Meteorol.
Soc., 2013. Vol. 94. P. 1019–1029.
[14] Powell A. M. Jr., Weng F. Introduction to special section on Suomi National Polar-Orbiting Partnership
satellite calibration, validation, and applications // J. Geophys. Res. Atmos., 2013. Vol. 118. P. 12216–
12217.
[15] Lagarias J.C., Reeds J.A., Wright M.H., Wright P.E. Convergence properties of the Nelder-Mead
simplex method in low dimensions // SIAM J. Optim., 1988. Vol. 9. P. 112-147.
[16] Xenon Short Arc Lamps. http://www.sqpuv.com/PDFs/TechnicalSpecificationGuide.pdf (дата
обращения 17.05.2015).
[17] Google Earth. https://www.google.com/earth (дата обращения 22.05.2017).
[18] USGS Earth Explorer. https://earthexplorer.usgs.gov (дата обращения 25.05.2017).
211