第一作者简介：吕伟峰（1979-），男，辽宁大连人，博士，中国石油勘探开发研究院教授级高级工程师，主要从事油层物理与渗流力学、提高采收率、CCUS相关技术的研究工作。地址：北京市海淀区学院路20号，中国石油勘探开发研究院院办，邮政编码：100083。E-mail: lweifeng@petrochina.com.cn基金项目：中国石油天然气集团有限公司重大专项“CCUS/CCS封存地质体选区评价及监测关键技术研究”（2021ZZ01-05）

空间信息技术在二氧化碳封存监测中的应用现状及展望

吕伟峰^{1, 2, 3}，李昱澍^{3, 4}，王明远^{1, 2}，林千果⁵，贾宁洪^{1, 2}，姬泽敏^{1, 2}，何畅^{1, 2}

（1. 提高油气采收率全国重点实验室，北京 100083；2. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083；3. 中国科学院渗流流体力学研究所，河北廊坊 065007；4. 中国科学院大学，北京 100049；5. 上海交通大学碳中和发展研究院，上海 200240）摘要：系统梳理了不同空间信息技术在CO₂封存监测中的应用现状，分析了空间信息技术在CO₂封存监测中面临的挑战，并对空间信息技术在CO₂封存监测中的发展前景进行了展望。目前在CO₂封存监测领域应用的空间信息技术主要有涡度相关法、遥感技术、地理信息系统、物联网技术和全球导航卫星系统等5类，涉及监测数据获取、定位与数据传输、数据管理与决策支持等3个环节。空间信息技术在CO₂封存监测中面临的挑战主要包括：针对不同监测目的、不同搭载平台以及不同监测场地，需选取与其相匹配的空间信息技术；针对空间信息监测数据来源广、数据量大的特点，需建立有效的数据存储与计算能力；空间信息技术需要与目前成熟的监测技术进行交互验证，促进协同作业。未来需建立空间信息技术监测方案设计方法与标准，建立跨尺度监测技术的协同应用方法，形成空间信息技术与人工智能和高性能计算技术协同应用，加快空间信息技术在中国碳封存项目中的应用。

关键词：CO₂地质封存；CO₂封存监测；空间信息技术；CO₂泄漏；CO₂捕集利用与封存

0 引言

CO₂地质封存是减少碳排放、实现碳中和的关键技术^[1-3]。美国、欧盟、澳大利亚等国家和地区已进行多个不同规模的现场试验和示范^[4-8]。截至2022年底，全球在运行的CO₂捕集、利用与封存（CCUS）项目共有65个，其中捕集能力超过100×10⁴ t/a的项目有13个^{[3, 9]}。中国已投运和规划建设中的CCUS示范项目接近100个，已投运项目具备CO₂捕集能力约400×10⁴ t/a，注入能力约200×10⁴ t/a^[10]。受人为活动和地质活动的影响，封存于地下的CO₂存在渗漏和逃逸到浅层含水层、土壤和大气层的风险。大规模CO₂封存项目注入规模及强度明显提升，可能诱发井筒破坏、裂缝开启、断层活化等泄漏风险。针对CO₂封存项目进行监测，及时预测与发现泄漏等风险，是保障CO₂封存项目安全性、有效性和持久性的重要环节^[11-12]。CO₂封存监测也是埋存量评估与核算的重要方法，为CO₂封存项目进入碳交易市场提供有效信息^[12]。目前已发展出多种工具和技术用于CO₂封存的监测，根据空间范围可以分为大气监测技术、近地表监测技术和地层监测技术^{[1, 3]}。目前常用的大部分监测手段尚无法同时兼顾实时、大范围和长周期的监测需求，并且存在监测系统智能化程度低、布点规划性弱等局限性^[1]。空间信息技术旨在提供有关地球表面的信息，它包括所有能够获取地球表面信息的工具和技术^[13]。最主要的技术包括全球导航卫星系统（GNSS）、遥感技术（RS）和地理信息系统（GIS）^[13]。遥感技术主要用于获取监测数据，全球导航卫星系统在获取监测数据的同时对监测点进行精准定位，地理信息系统实现对相关数据的存储管理与分析^[13]。目前，空间信息技术已广泛应用于城市规划、资源管理、气象与环境等领域^[14]。近年来，空间信息技术开始应用于CO₂封存的监测，不仅为实时、大范围和长周期监测提供新的技术手段，也能结合多种监测技术，实现多位一体长期全局监测^[11]。国内外多个机构和学者对空间信息技术在CO₂封存监测中的应用进行了介绍和综述。Jeyanny等^[15]介绍了遥感技术和地理信息系统在CO₂封存监测领域的应用。美国国家能源技术实验室在2017年颁布的《CO₂地质封存项目的监测、验证和核算的参考规范》中对涡度相关法、合成孔径雷达干涉技术（InSAR）和全球导航卫星系统在CO₂封存监测中应用的优缺点与相关实例进行了介绍^[11]。Vasco等^[16]介绍了合成孔径雷达干涉技术和全球导航卫星系统在CO₂封存监测中的应用原理与应用实例。Zhang等^[17]介绍了遥感技术在CO₂封存监测中的应用。张成龙等^[18]介绍了监测大气CO₂通量的涡度相关法和合成孔径雷达干涉技术。赵改善^[19]介绍了合成孔径雷达干涉技术和全球导航卫星系统在CO₂封存监测中的应用。总体来看，上述机构和学者仅介绍了部分技术，尚缺乏对多种空间信息技术在CO₂封存监测领域应用的技术原理、适用场景与现场应用的系统分析。因此，本文旨在系统分析多种空间信息技术的原理及其在CO₂封存监测中的应用，辨识空间信息技术在CO₂封存监测中面临的挑战，展望空间信息技术在CO₂封存监测中的发展前景。

1 空间信息技术在CO₂封存监测领域的应用现状

空间信息技术在CO₂封存监测中的应用主要分为监测数据获取、定位与数据传输、数据管理与决策支持等3个环节，通过涡度相关法、遥感技术、地理信息系统、物联网技术（IoT）和全球导航卫星系统等5类技术实现。图1展示了空间信息技术应用于碳封存监测时各环节的空间分布及其关系。通过涡度协方差监测、遥感技术等不同手段获取的监测数据需要与空间定位技术相结合，与地理信息系统相整合，进行数据管理与分析。

图1 空间信息技术应用于碳封存监测时各环节的空间分布及其关系

表1总结了各空间信息技术的技术指标、成熟度和应用案例。主要监测参数包括CO₂通量、CO₂浓度、地表形变、植被健康状况等^[11]。14项技术中，7项技术已在碳封存项目中进行应用，5项技术已进行可行性试验，2项技术正在研发。空间信息技术在碳封存监测领域的技术成熟度在北美最高：在18个应用与试验案例中，10个分布在北美，占比56%；涡度协方差监测、差分吸收激光雷达监测、可调谐半导体激光监测、温室气体激光层析成像、高光谱影像、合成孔径雷达干涉、全球导航卫星系统监测、地理信息系统等技术已在美国碳封存项目中应用。

空间信息技术在中国碳封存监测领域的应用处于起步阶段，根据文献资料调研，目前只有合成孔径雷达干涉技术在中国靖边CO₂提高采收率项目中得到了应用^[26]。

1.1 监测数据获取

空间信息技术的数据获取主要通过涡度相关法和遥感技术等实现。涡度相关法是一种微气象技术，用于直接高速测量地球表面和大气之间的气体、热量和动量的传输^[31]。遥感技术是一种综合性的对地观测技术，它基于地物的电磁辐射等信息，在一定距离下对目标进行探测和识别^{[11, 32-33]}。遥感技术具有覆盖范围广、获取信息快等特点，因此在气候、资源、灾害监测等领域得到了广泛应用。根据工作平台，遥感监测可分为近地面监测、高空监测（无人机）和航天监测（人造卫星、空间站）等多个类别^[33]。

目前，已应用于CO₂地质封存监测数据获取的空间信息技术包括近地面涡度协方差监测、差分吸收激光雷达监测、无人机监测、合成孔径雷达干涉测量、全球导航卫星系统等^[11]。表2总结了各监测方法的软硬件需求与监测时空范围，其中多个技术可以兼顾实时、大范围、长周期的监测需求。下文针对其中成熟度较高的6个技术的原理和应用情况进行具体分析。

1.1.1 近地面涡度协方差监测涡度协方差法基于涡度相关技术和微气象学，是对生态系统与大气之间物质传输进行实时非破坏性测量的方法，已成为评估陆地生态系统与大气CO₂交换的常用工具。涡度协方差法通过安装在塔上或移动平台上的仪器测量大气中CO₂气体浓度、水分含量以及风速、温度等气象参数，通过计算CO₂浓度和瞬时风速的协方差获取CO₂通量^[31]。一个基本的涡度协方差测量站的仪器包括1个三维声波风速计和1个气体分析仪^[31]。涡度协方差监测可以提供数千米范围内的CO₂通量数据，被广泛应用于区域CO₂通量监测，并可以通过足迹函数（描述源或汇的空间分布和通量观测值之间关系的函数）估算CO₂分布^{[31, 34]}。涡度协方差法已被用于地质封存监测时CO₂浓度基准值的估算，以及泄漏位置和泄漏量的评估^[31]。美国能源部于2012年将涡度协方差法列为推荐的监测方法^{[11, 31]}。涡度协方差法的优点在于其测量的空间范围大，并且可以提供连续测量数据^[11]。其应用的挑战在于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]。涡度协方差法可以和土壤碳通量示踪剂分析等方法结合来提高其探测CO₂泄漏的能力^[11]。澳大利亚CO2CRC Otway碳封存项目运用涡度协方差法进行监测，项目在已枯竭的天然气储层中封存CO₂^[20]。在CO₂开始注入的前几个月，运用涡度协方差法测量了该地区CO₂通量基线，结果显示CO₂浓度背景值较高，并且地表与大气之间CO₂通量变化范围较大^[11]。Etheridge等^[20]注意到该地区在干旱期CO₂自然通量变化最小，是监测CO₂泄漏的最佳时期。美国Farnsworth油田CO₂提高采收率项目也已经运用涡度协方差法测量大气中CO₂和CH₄的通量，识别任何潜在的点源泄漏^[21]。Lewicki等^[34]通过现场试验验证了涡度协方差法在评估泄漏位置和量化泄漏量方面的能力。试验在美国蒙大拿州Bozeman的一处农田中进行，在试验期内CO₂从浅层水平井中连续释放^[34]。运用涡度协方差法估算的释放率（0.32 t/d）与实测释放率（0.30 t/d）的误差约7%^[34]。一旦探测到泄漏，涡度协方差法测量的CO₂通量和构建的足迹函数的最小二乘反演可以用于评估泄漏位置^[34]。Lewicki等^[34]的试验结果揭示，涡度协方差法可以探测并确定中等程度以上的泄漏信号与泄漏位置。Lewicki等^[41]开发了一种设计涡度协方差监测网络的方法来提升CO₂泄漏信号监测的准确性，使用监测网络推断CO₂表面通量的分布与使用站点之间的关系，进而绘制CO₂泄漏通量的时空分布图。权衡各个涡度监测站点的数量与位置，结合多个通量塔建立监测网络，是扩大CO₂通量监测的空间幅度、提高地表CO₂泄漏位置评估能力的重要手段^[41]。

1.1.2 差分吸收激光雷达监测差分吸收激光雷达监测（DIAL）技术是监测大气气体组成最成熟的激光雷达技术^{[17, 42]}。DIAL发射两个波长的脉冲激光，第1波长与CO₂的分子吸收特征相关联，而第2波长受CO₂吸收特征的影响最小^{[11, 17]}。激光发射器输出的脉冲激光被大气气溶胶散射，散射光信号被DIAL接收器收集，如果两个波长在光谱上足够接近，返回信号与发射信号的唯一区别是其中一个激光受到CO₂分子吸收的影响^{[11, 17]}。CO₂数密度可以通过DIAL方程计算^[11]。DIAL技术的优点是可以直接测量CO₂浓度的空间分布，其局限性在于：①自然时空变化对CO₂泄漏信号的探测有一定影响；②其他气体成分会影响CO₂信号^{[11, 17]}。美国Kevin Dome碳封存项目于2013年7月11日至8月4日应用了DIAL技术，并在此期间进行了17个晚上的测量^{[11, 43]}。项目验证了DIAL的自动扫描监测功能，2013年7月27日晚，DIAL在北偏东约100°方向监测了90 min的数据，然后自动调整发射方向，以北偏东90°拍摄了90 min的数据^{[11, 43]}。通过使用DIAL仪器扫描项目站点的一定空间区域，在Kevin Dome项目站点创建了大约4 km²区域内的CO₂数密度空间图^{[11, 43]}。DIAL的测量结果可以用于识别不同区域的潜在泄漏，也可以用于核实封存地点及其周围环境的CO₂浓度是否处于安全水平^{[11, 43]}。

1.1.3 无人机遥感监测无人机遥感技术利用无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、差分全球定位系统技术和遥感应用技术，以无人机作为遥感平台，集成高性能小型传感器，实现遥感数据的获取与处理。无人机遥感技术在CO₂地质封存项目中主要用于直接探测和量化CO₂向土壤和大气中的泄漏^{[11, 44-46]}。无人机遥感监测速率快、效率高，在油气管道监测领域已有了普遍应用实践，在实践中学者们发现该技术的重点不仅在无人机构造的设计，更需要关注监测路径与算法的设计^[47-52]。Park等^[52]通过激光传感过程获取管道中泄漏气体的浓度，通过红外传感获取管道的热图像信息，开发了一种气体泄漏和管道外观无人机远程实时监测系统，能够高效、准确地监测和诊断管道泄漏、管道腐蚀和裂缝。李器宇等^[51]介绍了中国西南和西北地区无人机遥感监测管道安全的实例，提出无人机遥感监测在油气管道巡检中具有很好的应用前景。Yan等^[50]为了实现油气管网无人机检测的综合优化，提出了一种新的混合整数非线性规划模型，并通过1个虚拟管网和1个实际管网验证了模型。目前，无人机巡检在部分国家已经进入商业化应用，无人机可以定期在井场、管道、地质封存区进行图像识别与数据采集，并通过大数据分析发现风险，减少人工成本的同时改善工作环境和条件^[53-54]。无人机遥感技术目前处于可行性试验阶段。美国俄克拉荷马州立大学利用地表传感器和无人机开发了直接探测和量化CO₂向土壤与大气泄漏的集成系统，天行者X-8无人机平台因其容量、耐用性和稳定性被用于集成系统，预计在美国Farnsworth碳封存项目中使用进行安装、测试和优化^[11]。Piñeres-Espitia等^[24]在哥伦比亚巴兰基亚市测试了无人机遥感监测CO₂封存的数据传输情况，无人机上装载了MQ135气体探测器和低成本的E34-2G4H20D RF数据传输模块，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。

1.1.4 合成孔径雷达干涉技术合成孔径雷达干涉技术可以用于测量因CO₂注入导致的地表形变^{[16, 19]}。合成孔径雷达干涉技术依靠反射微波或雷达波的相位延迟评估地表监测点的位移量，精度达毫米级且可以实现大范围面上观测^{[16, 19, 55]}。机载和卫星系统都可以实现这一技术^[16]。其局限性在于：合成孔径雷达干涉技术易受地形条件、植被覆盖与土地利用率的影响，在地形条件复杂、植被覆盖率较高与土地利用率较高的地区可能出现较大误差，地表形变的测量会受到地下水开采和回注以及地质活动导致的局部沉降和抬升的影响，因此不能完全反映CO₂注入的影响^[11]。合成孔径雷达干涉技术已运用在阿尔及利亚In Salah CO₂强化采气示范项目中^{[11, 16, 19, 56-58]}。In Salah项目的监测结果显示，3口注入井上方地表都产生了抬升，抬升速率平均3 mm/a ^{[11, 16, 19, 56-58]}。利用地质力学模型，将合成孔径雷达干涉技术监测的地表形变进行反演，揭示出CO₂沿断层/裂缝运移的迹象^{[11, 16, 19, 56-58]}。美国Kelly Snyder油田CO₂提高采收率项目运用合成孔径雷达干涉技术测量了流体注采过程发生的地表形变，结果显示2007年1月至2011年3月间地表抬升了10 cm^[25]。中国靖边CO₂提高采收率项目运用合成孔径雷达干涉技术测量了地表形变，结果未见明显的规律性抬升或沉降趋势^[26]。加拿大Aquistore碳封存项目在超过6.5 km²的范围部署了9个合成孔径雷达干涉技术的反射器，用于测量地表形变^[27]。目前多个研究机构正在研究运用合成孔径雷达干涉观测数据与地质力学模型实现对CO₂地下流动过程的反演^[57]。

1.1.5 全球导航卫星系统监测全球导航卫星系统也可以用于测量因CO₂注入导致的地表形变^{[16, 19]}。全球导航卫星系统是一种绝对定位技术，它使用4颗或更多卫星的测量范围来唯一地定义地球表面上某个目标点的位置，从而实现对地表位移量的监测^{[16, 19]}。地表位移量的监测数据可以和油藏数值模拟以及地质力学模拟相结合，反演储层内的变化过程^{[16, 19]}。加拿大Aquistore碳封存项目在超过6.5 km²的范围部署了8个全球定位系统（GPS）接收站，用于测量地表形变^[27]。美国德州南部某CO₂提高采收率项目也运用GPS测量因CO₂注入引发的地表形变，这一项目设置了3个连续测量的GPS接收站^[28]。

1.1.6 高光谱影像高光谱影像可以评估CO₂泄漏对生态系统的影响。植被生长易受到土壤中CO₂含量升高的影响，植被光谱可以用作判断地下释放CO₂可能性的独立指标^{[11, 59]}。在实际测量时，要进行初步调查以确定基线条件，包括监测地点的季节变化，以及该地点温度、湿度、光照和养分可用性的自然变化。Male等^[59]在美国蒙大拿州ZERT试验场，通过连续29 d向碳封存场注入纯CO₂气体，观察覆盖植被的健康状况，发现在注入后4 d内部分地点植被光谱出现应激迹象，并估算了引起这种变化所需的CO₂浓度。对于植被光谱的监测，未来需重点确定土壤CO₂浓度变化与植被覆盖类型的关系和因CO₂泄漏引起土壤生态系统变化从而导致植物应激的具体机制^[11]。

1.2 定位与数据传输

地理定位的精确性对于碳封存项目泄漏位置的确定至关重要^[11]。监测数据的高效传输是实现实时、智能化碳封存监测的关键技术，并为及时分析与决策提供依据。地理定位和数据传输分别主要通过全球导航卫星系统和物联网技术实现。

1.2.1 全球导航卫星系统全球导航卫星系统（GNSS）指覆盖全球的用于导航与定位测量的卫星系统，其利用卫星信号传输实时信息，通过地面接收设备接收信息并计算得到地理位置信息^[60]。目前常用的GNSS包括美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo和中国的北斗（COMPASS）系统。GNSS具有高精度、全天候、连续三维定位、不需要通信的优点^[61]。将CO₂传感器与GNSS接收器结合可以实现实时准确测量CO₂浓度，并将CO₂浓度与位置信息相关联^[29]。Yola等^[29]在印度尼西亚雅加达对CO₂传感器与GNSS接收器的结合进行了测试：在雅加达的两条主要道路上，使用1辆调查车进行了CO₂浓度监测和移动速度（以km/h为单位观测到的车辆速度）记录。测试中采用CO₂传感器MH-Z19C和实时动态全球导航卫星系统（RTK GNSS）U-Blox F9P，后者配备GNSS Trimble NetR9接收器^[29]。

1.2.2 物联网技术近年来，开始研究将物联网技术用于碳封存监测领域的数据传输。物联网技术的核心是无线传感器网络（WSN），帮助实现从传感器节点到集中式服务器的实时数据传输，故障率最低，实现难度最小^[62]。物联网技术通过现有的互联网网络基础设施对物体进行远程感知或控制，从而将物理世界更直接地集成到基于计算机的系统中，提高效率、准确性和经济效益，同时减少人类参与^[63]。Mateev等^[63]设计了监测CO₂的分布式物联网系统，系统采用LoRaWAN通讯协议和LoRa远程射频技术，结合基于Arduino平台的分布式测量设备组成^[63]。这一系统获得的CO₂数据可用于通过分布式地面传感器网络精确定位气体排放源，并且实现实时监测^[63]。Ming等^[62]设计了基于物联网的CO₂浓度监测架构，通过ESP8266 Wi-Fi模块实现数据传输，并应用该系统在10 d的时间范围内以30 s的时间间隔采集了2 880个数据点。

1.3 数据管理与决策支持

碳监测数据的有效管理是实现不同类型监测数据结合和智能化数据处理的重要环节，为高效决策提供支持。数据管理与决策支持由地理信息系统和云计算服务辅助实现。不同来源的监测数据结合全球导航卫星系统的定位信息，通过物联网技术整合到地理信息系统，进而运用云计算服务进行数据处理（见图2）。

图2 监测数据获取、传输与管理流程示意图

1.3.1 地理信息系统地理信息系统（GIS）是一个由硬件、软件、程序和人员组成的系统，用于促进地理信息相关数据的管理、分析、建模、表征和显示，以解决有关资源规划和管理的复杂问题^{[15, 64]}。GIS收集和预处理不同来源的空间数据（包括遥感数据、GNSS数据等），提供了在空间分析中管理属性数据和位置信息的平台^{[13, 15]}。美国伊利诺伊盆地Decatur碳封存项目运用GIS对比了利用温室气体激光层析成像（GreenLITE）技术测量的CO₂浓度数据和基于CO₂土壤碳通量数据估算的CO₂浓度空间分布^[30]。其中，CO₂土壤碳通量数据是空间点2 d的平均数据；GreenLITE测量的CO₂浓度数据是每隔10 min测量的二维浓度图^[30]。GIS分析结果显示，GreenLITE测量结果与基于土壤碳通量数据的估算结果一致性良好^[30]。美国伊利诺伊盆地Decatur碳封存项目将航拍图像与GIS数据库整合^[30]。GIS软件可以在屏幕上对多时间点的摄影图像进行比较，并允许将站点区域与地图一起可视化，例如当地基础设施、项目井、现场采样位置以及其他相关空间信息^[30]。在一些情况下，Decatur碳封存项目将现场的数字化航空照片与相关的GIS数据和工程CAD（计算机辅助设计）图纸相结合，以规划即将进行的工业建设和废弃选定的近地面监测装置^[30]。

1.3.2 云计算服务由于监测数据量增大、来源增多，以有序方式存储数据，从而高效开展数据分析和可视化，对碳封存项目监测至关重要^[62]。因此，云计算服务开始运用于碳封存监测项目。

Ming等^[62]和Mateev等^[63]在设计基于物联网的CO₂浓度监测架构时，都采用云计算服务进行数据存储与处理。美国伊利诺伊盆地Decatur碳封存项目运用GreenLITE技术测量CO₂浓度时，使用基于云的数据处理和存储软件，可以近乎实时地生成CO₂浓度的二维地图^[30]。2 空间信息技术在CO₂地质封存监测中面临的挑战

空间信息技术可以兼顾实时、大范围和长周期的监测需求，不同空间信息技术具有不同的技术优点和挑战（见表3）。总体而言，空间信息技术在数据的准确获取、数据的高效处理以及不同监测技术的协同方面依然面临挑战。

2.1 监测数据的准确获取

监测数据的准确获取是空间信息技术有效应用的前提。硬件的设计与选择直接决定了监测结果的准确度与精度。监测目的、传感器的搭载平台以及碳封存的场地特征都会影响空间信息技术设施装置的选择与安装。针对不同的监测目的以及不同的搭载平台（如不同高度的无人机或卫星），需要选择具有合适精度的传感器。针对不同的监测场地，需要选择与其相匹配的空间信息监测技术。有些遥感技术对温度、湿度和其他气象条件非常敏感（如傅里叶变换红外监测技术），因此不适用于气象条件快速变化的碳封存场地。针对碳封存场地的空间特征，需要选择与其相适应的设备安装方法。例如，合成孔径雷达干涉技术适用于地形平坦、植被少、土地使用少的地区，因此在植被覆盖量大的区域需要搭建永久的反射镜来实现准确的数据获取^[11]。对于海底碳封存，由于搭载平台的限制和海水的阻隔，在陆地得到普遍实践的监测技术（涡度协方差法、无人机遥感技术等）无法在海底碳封存监测中应用。目前，海底碳封存监测的方式主要为声纳遥感（单波束扫描声纳、多波束声纳、合成孔径声纳等），通过判别水体和气体之间的声阻抗差异实现海底CO₂封存泄漏监测^[65]。监测点位的设置也会影响监测数据获取的准确性。涡度协方差法监测CO₂通量时，需要建立多个监测塔，形成监测网络，才能最大化保障CO₂通量数据的空间分布准确性，实现对泄漏位置的精确定位。

2.2 监测数据的高效处理

空间信息监测数据的有效利用建立在数据精确高效处理的基础上，包括对监测站点环境基线值的正确使用、较为精确的反演算法以及对不同来源数据的高性能存储和计算。监测数据分析过程中，需要将碳封存过程中的监测数据与项目实施以前的环境基线数据协同分析，消除自然时空变化对CO₂泄漏信号的影响。空间信息技术的分析过程通常依赖于反演算法。涡度协方差法测量的CO₂通量需要通过足迹函数的最小二乘反演来评估泄漏位置^[34]。合成孔径雷达干涉技术和全球导航卫星系统的地表形变监测也需要通过反演算法得到CO₂在地下的分布情况。因此需要建立准确的反演算法。空间信息监测数据往往来自于多个不同类型的监测技术，每种监测技术所产生的数据量也非常大，并且是由遥感科学、地理信息科学等交叉形成的大规模数据体。因此，针对大量不同数据类型，建立有效的数据存储与计算能力是空间信息监测数据高效处理的关键。时空大数据处理分析面临的挑战主要来自于数据的大规模和多样性。海量的数据需要强大的计算和存储资源进行处理。数据质量不一，可能包含不准确、不完整和带有噪声的信息，影响对数据的准确分析。因此，对不同来源的时空数据（具有不同的数据格式和坐标系统）进行整合是一个复杂的问题。时空数据的可视化需要专业的设计，以考虑时间和空间的复杂性。分析时空数据通常需要应用复杂的数学和统计模型，以考虑时间和空间之间的关联。长期存储和备份数据也需要合适的存储设备和策略。

2.3 不同监测技术的协同

空间信息技术作为一种新兴的监测技术，其数据的准确性以及结果的可信度需要与目前成熟的监测技术进行交互验证，为其大规模应用提供基础。不同监测技术的协同是空间信息技术有效应用的重点。碳封存项目中应用的监测技术有十余种，每种技术测得的结果尚未建立互通的标准，无法直接协作。在一些项目中，虽然采用了多位一体的监测技术，但技术选取缺乏具体理论依据，仅是简单的尝试并选择较优方案，在过程中增加了不必要的人力和物力成本。解决这一问题需要建立统一的标准，以促进各种监测技术的协同作业，从而提高监测结果的可信度和准确性。

3 空间信息技术在CO₂地质封存监测中的发展展望

3.1 建立空间信息技术监测方案优化设计方法与标准

在空间信息技术选择方面，亟需针对不同监测目的和不同碳封存场地特征，建立不同空间信息技术选取的指南，并且对不同的空间信息技术建立监测点位设计的方法与标准，优化监测点位选取及监测强度设计技术与方法，为空间信息监测技术的大规模推广应用奠定基础。在空间信息技术监测数据应用方面，需要建立空间信息技术监测数据在碳埋存量核算中的应用方法，为碳埋存项目进入碳市场提供有效信息。

3.2 建立跨尺度监测技术的协同应用方法

在空间信息监测数据准确性评价方面，需要在地理信息系统的基础上，将获取的数据与不同尺度空间信息技术获取的数据进行交互验证，保障空间信息技术在规模化应用过程中的数据准确性。在空间信息监测数据应用方面，通过跨尺度监测技术的协同应用，实现基于空间信息监测数据对地面甚至地下数据的有效反演。在不同监测技术协同应用方面，需建立适应不同尺度监测数据的通信协议，为跨尺度监测技术的协同应用提供基础保障，形成跨尺度监测技术协同应用的设计方法与标准，实现空间信息技术与其他监测方法的高效、低成本协同应用。

3.3 形成空间信息技术与人工智能和高性能计算技术协同应用

在数据存储方面，结合人工智能与高性能计算技术，形成针对空间信息监测数据的多源数据融合及传输技术，建立大样本数据分布式存储及可视化平台。在数据处理方面，将空间信息监测数据与人工智能、CO₂封存泄漏及迁移转化数值模拟等相结合，构建全域多环境反演模型，建立目标地质体的数字孪生系统，形成泄漏风险预测大模型，针对潜在的泄漏风险建立智能化预警平台。

3.4 加快空间信息技术在中国碳封存项目中的应用

在总结国外空间信息技术应用案例经验的基础上，在中国碳封存项目中尽快针对成熟度较高的技术开展适应性评价与应用，构建国产化和自主化的空间信息技术监测装备，降低技术应用成本。在空间信息技术监测数据处理与分析方面，建立国产化和自主化的工业软件，综合利用油藏数值模拟和数字孪生技术，构建针对中国陆相沉积地质体特征的反演算法，形成空间信息技术智能化数据处理与分析平台。加强中国油气田企业与信息技术类公司、北斗卫星导航系统供应商等空间信息技术上下游企业的合作，寻找恰当的商业模式和项目运营模式，形成优势互补的创新联合体，推进空间信息技术在碳封存监测领域相关企业的协同发展。4 结论空间信息技术是CO₂地质封存监测的重要手段，目前在CO₂封存监测领域应用的空间信息技术主要有涡度相关法、遥感技术、地理信息系统、物联网技术和全球导航卫星系统等5类。CO₂地质封存监测过程中的监测数据获取主要通过近地面涡度协方差监测、差分吸收激光雷达监测、无人机遥感监测、合成孔径雷达干涉、全球导航卫星系统监测、高光谱影像监测等实现，可以解决大规模长时间监测的问题，其监测数据可以与反演算法、油藏数值模拟等方法结合，实现对泄漏位置和CO₂地下流动过程的评估；CO₂地质封存监测过程中的定位与数据传输主要通过全球导航卫星系统和物联网技术实现，可实现更大覆盖范围的高效数据传输和监测点的精准定位；CO₂地质封存监测过程中的数据管理与决策支持主要通过地理信息系统和云计算服务实现，将监测数据与地理信息相结合进行分析，可提升监测准确性与监测效率。空间信息技术在碳封存监测中面临的挑战主要包括：针对不同监测目的、不同搭载平台以及不同监测场地，需选取与其相匹配的空间信息技术，保障监测结果的准确度与精度；针对空间信息监测数据来源广、数据量大的特点，需建立有效的数据存储与计算能力，保障数据的高效分析与处理；空间信息技术需要与目前成熟的监测技术进行交互验证，促进协同作业。未来需建立空间信息技术监测方案设计方法与标准，建立跨尺度监测技术的协同应用方法，形成空间信息技术与人工智能和高性能计算技术协同应用，实现多种监测数据互补统一、信息交互可视、泄漏地点精准定位、监测高效智能、预测预警准确及时。此外，需加快空间信息技术在中国碳封存项目中的应用。

参考文献：

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中国石油大学（北京）联合国家自然科学基金委中国21世纪议程管理中心、国际二氧化碳捕集利用封存技术创新合作组织（筹）、联合国教科文组织“碳中和与气候变化驱动绿色转型”教席、中国岩石力学与工程学会以及中关村绿色矿山产业联盟，定于2025年5月28-29日在北京市召开“2025第三届二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）国际会议”。

为给论文作者提供充足的准备时间，鼓励广大作者撰写高质量论文。会议将开启第二轮征稿，论文摘要截止时间延长至2025年 5月18日。

同时， 为满足参会者在学术交流方面的多样化需求，大会组委会在征集英文稿件（Scopus收录的CCUS 会议论文集、Applied Energy、Engineering、Journal of Energy Resources Technology 的优先评审）的基础上新增中文稿件征集。中文稿件可优先推送至《钻采工艺》的”油气藏开发提高采收率-CCUS 技术”专刊及《石油勘探与开发》、《中国石油勘探》。论文摘要截止时间：2025年5月18日；论文全文截止时间：2025年7月20日;

论文投递方式：

将论文摘要或全文

（注：论文摘要与参会回执表需同时投递）

发到邮箱paper@iccusc.com

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