行业应用｜高分卫星监管危险化学品

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发表时间：2021-01-11

高分遥感技术是一种高效、低成本的空对地观测技术，能够对大范围区域开展同步监测，具有地面监测技术不可比拟的优势。在安全生产和应急救援领域，研究人员利用高分遥感技术开展矿山安全动态监测、地质灾害应急监测以及地震灾情信息的快速评估等应用研究，取得良好的应用效果。同时，基于高分遥感的信息提取技术也在飞速发展，遥感影像分割、遥感影像变化检测和遥感影像分类等技术创新成果不断涌现，大大提高信息提取的精度和速度，为高分遥感技术的工程应用奠定坚实基础。

鉴于此，本文将高分遥感技术引入危险化学品重大危险源安全监测领域，创新化工企业安全布局动态管控方法。通过开展危险化学品重大危险源外部安全防护距离数值模拟，研究适用的高分遥感变化检测方法，创建危险化学品区域安全布局动态管控体系，为危险化学品企业和安全监管部门提供技术支持和决策依据。

高分遥感技术应用与预处理

1.1 高分遥感技术

1.2 高分遥感影像预处理

高分遥感影像预处理主要是根据应用目标对影像进行纠正与重建的过程，根据危险化学品重大危险源区域风险动态管控的需求，提出预处理的步骤为正射校正、辐射定标、大气校正、多光谱与全色融合和影像配准。本文采用的数据源来源于国产高分二号（GF- 2）遥感影像，其全色影像的空间分辨率为0.8m，多光谱影像为4m，具有蓝、绿、红、近红外4个波段，经预处理后，多光谱遥感影像的空间分辨率提高到1m，不同时相影像间的几何误差不超过0.5像素，能够直观清晰地展示出不同时期化工企业及周边区域的地物分布情况。

安全布局动态管控方法研究

基于高分遥感的危险化学品重大危险源安全布局动态管控方法主要包括2个方面内容：

1）综合考虑危险化学品种类、企业规模、地形地貌及气象条件等因素，利用有毒有害物质扩散模型模拟事故发生后有毒物质的扩散范围及危害程度，研究危险化学品重大危险源外部安全防护距离，为区域动态监测提供科学合理的监测范围；

2）根据危险化学品重大危险源安全布局管控目标的特殊性，利用遥感影像变化检测方法，智能提取监测范围内的建筑、道路及其他人工构筑物的变化信息，大范围动态排查安全隐患，严控人工构筑物密度，降低化工企业的安全风险减少事故造成的人员伤亡与财产损失。具体的技术路线如图1所示。

图1 技术路线

2.1 外部安全防护距离确定

外部安全防护距离的设定是为了避免危险化学品生产、存储装置发生火灾、爆炸和有毒有害气体泄漏后造成重大人员伤亡和财产损失。危险化学品重大危险源外部安全防护距离可以通过模拟化学爆炸和危险品泄漏过程确定，相关研究表明同一种化学品应用爆炸危害半径计算模型确定的安全防护距离较短，而应用有毒有害物质扩散模型确定的安全防护距离相对较长。考虑到本文中外部安全防护距离的确定是为了明确区域安全风险重点防护范围，因此采用有毒有害物质泄漏扩散模型计算外部安全防护距离更具现实意义。

有毒有害物质泄漏扩散受到风速风向、大气稳定度、地面条件及泄漏点距地面的高度等因素影响，连续泄漏扩散需要采用连续点源扩散模型进行计算，本文采用高斯烟羽模型模拟事故危害区域。有毒有害物质泄漏的危害区域划分根据美国工业卫生协会（AIHA）制定的应急反应计划指南（ERPGs）中的3种浓度（ERPG-1、ERPG-2、ERPG-3）确定，此3种浓度分别对应于短暂影响区域、轻伤区域和重伤区域。以遏制重特大事故、保护人民群众的生命安全为目标，确定有毒有害气体在下风向的浓度分布，设定下风向气体浓度大于最小临界值（ERPG-1）的最远距离为危险化学品重大危险源的外部安全防护距离。

2.2 区域变化检测方法研究

危险化学品重大危险源区域动态监测的目标是外部安全防护范围内的建筑、道路等人工构筑物的变化情况，对监测区域内的植被、裸地和水体等地物不感兴趣，且此类地物受物候的影响较大，一定程度上会干扰监测结果，故选择基于目标检测的变化检测方法。利用高分遥感影像开展基于目标检测的变化检测方法基本步骤包括高分影像分割、多源特征集构建、人工构筑物提取、变化信息提取和精度评价5个部分。

为验证基于目标检测的变化检测方法精度，以2015年7月12日和2016年7月20日的两景高分二号遥感影像为例，开展变化检测实验。其中，2幅影像的大小均为516x405像素，全色和多光谱融合后的影像空间分辨率为1m，影像覆盖范围为某化工企业附近的20余万平方米区域，预处理后的高分遥感影像真彩色显示如图2所示。

图2 实验区域真彩色遥感影像

1）高分遥感影像分割

利用Mean-shift算法对多时相遥感影像进行分割获取影像处理的基本单元，2015年7月12日影像分割结果如图3所示。

图3 实验区域影像分割

2）多源特征集构建

根据危险化学品重大危险源区域变化检测的目标，需要提取对建筑、道路等人工构筑物比较敏感的特征。由于建筑、道路等人工构筑物具有相对规则的几何形态，纹理清晰，且人工构筑物施工材料的差异，反射率高的材料在遥感影像上与其他地物相比亮度较高，反之亮度则较低。因此，提取影像的白top-hot变换、黑top-hot变换、NDVI、NDWI等特征构建危险化学品重大危险源区域变化检测的特征集。

3）人工构筑物提取

为满足危险化学品重大危险源大范围区域高效监测，基于所构建的多源特征集，选择极限学习机（ELM）算法对人工构筑物进行提取。

4）变化信息提取

通过对比不同时期研究区域的人工构筑物分布情况，利用差值法提取实验区域2015年7月12日至2016年7月20日的变化信息。如图4所示。

图4 实验区域2015—2016年变化检测结果

5）精度评价

高清无人机航摄影像结合目视解译获得的参考变化如图5所示。通过对比基于目标检测的变化检测方法所提取的变化图和参考变化图，并利用变化检测误差矩阵统计总体精度、Kappa系数、漏检率和虚检率，定量评价变化检测结果见表1。

图5 实验区域2015—2016年参考变化

表1基于目标检测的变化检测方法精度

由表1可知，基于目标检测的变化检测方法总体精度高达99.26%，Kapa系数为0.85,漏检率低至0.17%，充分证明本文所提方法对于危险化学品重大危险源区域变化检测具有良好的适用性。

高分遥感技术应用与预处理

3.1 示范区介绍

以四川隆桥化工集团有限公司（以下简称隆桥化工）为示范区，开展基于高分遥感的危险化学品重大危险源区域安全风险动态管控应用与分析。隆桥化工位于四川省隆昌县桂花井镇，周边有桂花井乡政府、炭黑生产企业、硼酸生产企业等，地处四川省盆地中部丘陵地区，年平均风速为1.4m/s，年最大风速为2.2m/s。企业主要生产经营氨、甲醇和二氧化碳，其中液氨储罐为主要的重大危险源，一旦泄漏将会对人体造成巨大伤害。

3.2 氨气泄漏扩散模拟

以隆桥化工的液氨储罐为研究对象，采用高斯烟羽模型动态模拟氨气泄漏时在下风向的扩散范围和浓度分布情况，其主要输入参数包括风速风向、大气稳定度和释放处距地面的高度等因素。假设泄漏源有效高度为5m，分别模拟年平均风速1.4m/s和年最大风速2.2m/s时氨气的扩散情况，对照ERPGs规定的氨气危害区浓度分级标准(ERPG-1，ERPG-2，ERPG-3的氨气浓度分别为18，113,569mg/m3"，各浓度等值线如图6所示。

图6 氨气泄漏下风向浓度等值线

根据模拟结果，隆桥化工在年平均风速为1.4m/s时，下风向气体浓度大于最小临界值(ERPG-1）的最远距离为1780m，在年最大风速为2.2m/s时，最远距离为720m。一般情况下平均风速模拟结果更具有普适性，因此隆桥化工重大危险源的外部安全防护距离设置为1780m。

3.3 危险化学品重大危险源

安全布局动态监测分析

根据氨气泄漏扩散模拟结果，在风向不确定的情况下，液氨泄漏后的影响区域如图7所示，其中ERPG-3浓度覆盖范围属于重伤区域，ERPG-2浓度覆盖范围属于轻伤区域，ERPG-3浓度覆盖范围属于短暂影响区域。为实现危险化学品重大危险源的全面风险管控，隆桥化工重大危险源重点防护范围包含重伤区域、轻伤区域和短暂影响区域。

图7 隆桥化工液氨泄漏影响范围示意

选取2015年7月12日、2015年10月28日、2016年6月6日和2016年7月20日等4个时相的高分二号遥感影像为数据源，利用基于目标检测的变化检测方法获取不同时期隆桥化工重点防护范围内的人工构筑物变化信息。

基于所提取的人工构筑物，通过差值法获取隆桥化工重大危险源重点防护范围内自2015年7月12日至2016年7月20日的人工构筑物变化情况，如图8所示。由图8可知，重点防护范围内人工构筑物变化主要表现为建筑、道路等的增加，其中化工企业自身增加了1处污水处理站，在企业的东北方向有其他企业进行了扩张，西南方向新修建多条道路，整个区域不断有房屋增建。重大危险源重点防护范围内建筑、道路等人工构筑物呈现扩张趋势，增加发生重特大生产安全事故的风险，化工企业和相关监管部门需要进行持续监控和排查，严守安全生产红线，防患于未然。