水面浮油膜光譜測量及光譜特征分析

劉旭攏, 鄧孺孺, 秦 雁, 梁業(yè)恒, 劉永明

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水面浮油膜光譜測量及光譜特征分析

劉旭攏1, 2, 鄧孺孺1, 秦 雁1, 梁業(yè)恒1, 劉永明1

(1. 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 廣東省水環(huán)境遙感監(jiān)測工程技術(shù)研究中心, 廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東廣州 510275; 2. 廣州地理研究所廣東省遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東廣州 510075)

為深入解析水面浮油膜光譜特征, 采用水面以上光譜測量方法, 去除太陽直射和天空光兩部分反射的影響, 獲取了珠江口水域不同厚度水面柴油膜光譜信息, 對其光譜響應(yīng)特征和機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明: 水面柴油膜光譜對背景水體光譜具有依賴性, 但水面柴油膜光譜在可見光波段高于背景水體, 且隨著油膜厚度增加呈現(xiàn)不斷增加的趨勢; 油膜反射光譜在藍(lán)、紫光區(qū)域出現(xiàn)明顯反射峰; 360~500 nm區(qū)域油膜反射率與厚度相關(guān)系數(shù)大于0.8, 有利于油膜厚度的遙感估算。最后指出, 水面浮油膜類似于光學(xué)薄膜的單層增反膜, 導(dǎo)致光譜反射率的增加, 在360~420 nm區(qū)域的反射峰和石油類物質(zhì)的熒光性有關(guān)。研究結(jié)果可為水域溢油污染遙感監(jiān)測研究提供理論依據(jù)。

水面浮油膜; 光譜特征; 遙感反射率

溢油污染是最常見的海洋污染之一, 如載油船舶的翻沉、海上鉆井平臺井噴和輸油管道破裂等突發(fā)性事故所造成的石油泄漏[1]。近年來, 隨著沿海地區(qū)石化產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展, 近海水域油污染問題也日趨嚴(yán)重。以廣東省為例, 廣東沿海已成為亞洲主要的石化基地, 在運(yùn)輸、煉制和存儲(chǔ)石油時(shí), 含油廢水的排泄易形成較為嚴(yán)重的油污染。另外廣東省龐大的造船業(yè)和拆船業(yè)的發(fā)展, 也使大量的含油污染物進(jìn)入水體, 給近海水域生態(tài)環(huán)境和沿岸居民健康帶來惡劣影響[2]。

浮油膜是溢油進(jìn)入水體的一種存在形式。水面漂浮的油膜會(huì)阻礙水氣交換, 降低表層水體的日光輻射量和產(chǎn)氧量, 造成浮游植物大量死亡, 從而使溢油區(qū)生態(tài)系統(tǒng)遭受嚴(yán)重破壞[3]。開展快速、準(zhǔn)確的水面油膜探測對溢油污染治理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義[4]。隨著對地觀測技術(shù)的不斷進(jìn)步, 利用遙感手段對水面油膜定量化探測成為可能[5]。而油膜光譜特征是溢油信息遙感提取與油膜厚度估算的物理基礎(chǔ)[6]。目前對水面浮油膜的光譜特性已經(jīng)開展了一些研究。Palmer等[7]指出海面分散的原油油膜反射率隨著其厚度增加而降低, 440~900 nm是溢油油膜信息提取的有效波段。Foudan等[8]經(jīng)過對高光譜影像上溢油信息的分析, 發(fā)現(xiàn)石油在580, 700 nm具有強(qiáng)的反射峰, 油膜厚度的增加降低了可見光波段的反射率, 厚油膜在近紅外波段反射率要高于甚薄油膜。Wettle等[9]在暗室內(nèi)將原油滴入裝有純水的燒杯,通過光譜測量發(fā)現(xiàn)原油光譜反射率在可見光波段隨油膜厚度增加而降低。國內(nèi)學(xué)者張永寧等[10]對海洋溢油光譜特性進(jìn)行了測試。趙冬至等[11]在樓頂平臺設(shè)置試驗(yàn)水槽, 測量并分析了原油、柴油和潤滑油的光譜特征、油水反差規(guī)律及吸收特征參數(shù)。付玉慧等[12]繪制了海洋中不同厚度的原油、重柴油等油膜的光譜特征曲線圖。陸應(yīng)誠等[13]在室內(nèi)以黑色塑料布包裹的玻璃燒杯為容器注入海水, 測量并分析了原油油膜光譜的變化特征及其與油膜厚度的相關(guān)關(guān)系。劉丙新等[14]采用比值法計(jì)算了近岸水上原油油膜的相對反射率, 研究了油膜區(qū)別于海水的光譜特征, 并基于高光譜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了油膜分類。以上研究, 以實(shí)驗(yàn)?zāi)M自然水環(huán)境下的油膜光譜測量居多, 且由于對油膜狀態(tài)的認(rèn)知、油種、光譜數(shù)據(jù)測量和計(jì)算方法等的差異, 導(dǎo)致油膜光譜特征的研究結(jié)果多有不同。適用于任何條件下, 任何光譜段的高精度的水面油膜、背景水體的光譜差異規(guī)律, 仍然沒有定論[15]?；诖? 本文在廣東省近海水域環(huán)境下設(shè)計(jì)了油膜光譜測量實(shí)驗(yàn), 采用水面以上光譜測量方法, 獲取了不同厚度水面柴油膜光譜信息, 分析了油膜光譜響應(yīng)特征并確定敏感波譜區(qū)間, 最后探討了水面柴油膜光譜形成機(jī)理, 為水面溢油污染遙感定量探測服務(wù)。

1 材料與方法

1.1 光譜測量方法

目前水體光譜的現(xiàn)場測量方法主要有3種: 剖面法、固有光學(xué)特性測量法和水面以上測量法。其中水面以上測量方法被認(rèn)為是測量近岸水體和內(nèi)陸水體光譜信息的有效方法[16]。美國國家航空航天局(NASA)提供的海洋光學(xué)測量規(guī)范推薦了3種水面之上光譜測量方法, 不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[17-19]。本文依照文獻(xiàn)[18]所用方法, 于2015年4月14日在廣東省珠江口水域進(jìn)行了野外水面油膜光譜測量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)材料選用“0”號柴油。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為11: 00~13: 00,天氣晴朗、無風(fēng), 水面基本平靜且目視不可見底。用可彎曲的黑色啞光塑料板制作了深14 cm、直徑49 cm的無底圓桶, 形成一個(gè)圓環(huán)狀封閉空間以控制油膜的擴(kuò)散, 同時(shí)也方便實(shí)驗(yàn)結(jié)束后回收實(shí)驗(yàn)用油, 避免造成人為溢油污染。圓桶外壁套上充氣的輪胎, 利用浮力使圓桶漂浮在水面上, 其中出露水面桶壁約為5 cm, 對太陽光的遮擋和反射作用很小。

光譜測量儀器采用美國ASD公司生產(chǎn)的雙通道地物波譜儀(FieldSpec Dual), 光譜范圍為350~1 100 nm,最短積分時(shí)間為17 ms, 光譜分辨率為3 nm。測量過程中, 首先對背景水體和天空光的輻亮度進(jìn)行了測量, 然后使用定量移液器向封閉水面滴入柴油樣品, 形成柴油膜并測量其輻亮度。由于柴油不溶于水, 而且在水面上具有較好的擴(kuò)展性, 因此理想情況下, 當(dāng)油量較少時(shí), 滴入水面的柴油會(huì)快速均勻擴(kuò)散到整個(gè)封閉水面形成油膜, 其厚度可以由滴入油量和封閉水面的面積計(jì)算而得, 即:

實(shí)驗(yàn)中一共向水面滴入了14滴柴油, 其中前8次每次滴入2 mL, 后6次每次滴入4 mL, 共滴入40 mL柴油。此時(shí), 由于水面上油量較多, 受油膜黏性和張力的影響, 繼續(xù)滴入的柴油已經(jīng)不能完全擴(kuò)展到整個(gè)封閉水面, 實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

1.2 光譜數(shù)據(jù)處理

利用光譜儀采集到的水面以上總的光譜信號源于4部分的貢獻(xiàn), 包括水體和油膜的后向散射光、油-氣界面的太陽直射反射光、天空光的反射光及來自水底的反射光, 如下式所示:

根據(jù)水面光譜構(gòu)成分析可知,w攜帶了油膜信息, 在油膜遙感監(jiān)測中起關(guān)鍵作用。對于深不見底的水體, 水底反射光譜為可視為0。s和g不帶有油膜的信息, 且在水面光譜中占有相當(dāng)?shù)谋壤? 因此在光譜數(shù)據(jù)處理時(shí)必須先消除這兩部分光的影響, 否則會(huì)干擾油膜信息的提取。其中g(shù)是隨機(jī)量, 難以測量和估算, 本文設(shè)置了合理的觀測角度, 消除大部分的太陽直射反射, 同時(shí)在采集同一厚度油膜光譜信息時(shí), 快速連續(xù)測量了30條光譜曲線, 從中挑選數(shù)值較低的3~5條進(jìn)行平均, 即認(rèn)為是近似避免了太陽直射反射光影響的油膜光譜曲線。則光譜儀所觀測的水體光譜可簡化為:

從而可得到油膜表面的離水輻亮度為:

本文在光譜測量過程中天氣狀況良好, 漂浮的油膜對水面的毛細(xì)波有較大的阻尼作用, 同時(shí)利用實(shí)驗(yàn)裝置將油膜水面和周圍水面隔離, 進(jìn)一步減小了風(fēng)速、風(fēng)向等對水面的影響。因此, 可將光譜儀視域內(nèi)的水面近似視為平靜水面, 考慮采用菲涅耳定律計(jì)算油-氣界面天空光的反射率。按照波動(dòng)光學(xué)理論, 兩種介質(zhì)形成的界面對光波的能量反射率可以根據(jù)菲涅耳公式計(jì)算[21]。如下所示:

當(dāng)光線從空氣中入射到油膜時(shí), 根據(jù)折射定律, 入射角和折射角的關(guān)系如下:

2 結(jié)果與分析

2.1 水面浮油膜光譜特征分析

本文采集了背景水體和14個(gè)不同厚度柴油膜的光譜, 共有15個(gè)數(shù)據(jù), 為便于分辨不同油膜厚度光譜曲線特征, 按照油膜厚度大小分成4組, 如圖2所示。

可以看出, 背景水體光譜曲線由水中物質(zhì)成分對光輻射的吸收和散射性質(zhì)決定[22]。在350~500 nm范圍內(nèi)的反射率較低是因?yàn)槿~綠素和有色可溶性有機(jī)質(zhì)的吸收產(chǎn)生的。560 nm附近的反射高峰主要由葉綠素的弱吸收和懸浮顆粒物的散射共同作用而成。由于葉綠素的弱吸收, 660 nm處形成了反射谷。同時(shí)也觀測到了700 nm附近由葉綠素的熒光作用引起的反射次峰。700 nm以后的近紅外波段, 水體的吸收作用導(dǎo)致光譜反射率快速下降, 但由于懸浮物的影響, 810 nm附近又形成了一個(gè)小的反射峰值, 隨后反射率逐步降至最低。

水面滴入柴油后, 相對于背景水體, 觀測到4個(gè)明顯的特征: (1)水面油膜與背景水體的光譜曲線形態(tài)基本類似, 主要反射峰值對應(yīng)波長位置也幾乎一致。這與文獻(xiàn)[14]中海水與薄油膜的研究結(jié)果一致。(2)水面油膜光譜曲線在360~420 nm波譜范圍內(nèi)出現(xiàn)了新的反射峰, 光譜反射率抬升幅度較大, 甚至掩蓋了葉綠素在此波段的吸收作用。(3)在可見光波段, 水面油膜的光譜反射率高于背景水體, 即水體加入柴油后光譜產(chǎn)生了抬升現(xiàn)象, 隨著油膜厚度逐漸增大, 同一波長處的油膜光譜反射率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。這一特征與文獻(xiàn)[11-12]中不同厚度輕柴油與海水的光譜曲線規(guī)律一致。文獻(xiàn)[10]的研究結(jié)果表明, 對于輕柴油、重柴油和原油, 厚度越薄, 反射率越大, 隨著油膜厚度的增加反射率降低, 這一結(jié)論與本文研究結(jié)果不同。究其原因, 可能與所用的光譜儀及光譜數(shù)據(jù)處理方法不同有關(guān)。文獻(xiàn)[9, 13]指出在可見光-近紅外譜段范圍內(nèi), 油膜光譜反射率隨著油膜厚度的增加而逐步降低, 但這些研究都是以原油為材料設(shè)計(jì)的油膜光譜響應(yīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn), 而本文采用柴油, 在自然水體環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。(4)近紅外波段水面油膜光譜與背景水體差異不明顯。

2.2 水面浮油膜光譜與油膜厚度相關(guān)性分析

水面油膜光譜在不同波長位置對油膜厚度的響應(yīng)程度是不同的, 為識別敏感波段, 對水面油膜光譜反射率與油膜厚度做相關(guān)性分析, 計(jì)算各個(gè)波長的光譜與油膜厚度的相關(guān)系數(shù), 結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯? 油膜的光譜反射率與油膜厚度之間存在比較明顯的相關(guān)性, 相關(guān)系數(shù)均大于0.58(900 nm以后受到儀器噪聲和水汽的影響, 波動(dòng)性比較大, 不予考慮)。在360~500 nm之間相關(guān)性最強(qiáng), 相關(guān)系數(shù)大于0.8, 其中在386 nm處具有最大的相關(guān)系數(shù)0.95, 此后相關(guān)性有所降低。因此可知, 360~500 nm是柴油膜的特征譜帶區(qū)間, 具有估算油膜厚度的潛力, 尤其以藍(lán)、紫光波段敏感性最強(qiáng), 是表現(xiàn)油膜厚度的最佳波段。

2.3 太陽直射光與天空光對水面油膜光譜的影響分析

太陽直射光與天空光兩部分的反射光是影響浮油膜離水反射率準(zhǔn)確性的重要影響因素, 本文通過調(diào)整觀測視角和選取光譜低值曲線的方法降低太陽直射光的影響, 通過扣除菲涅爾反射作用減少天空光的影響。圖4為實(shí)驗(yàn)中水面漂浮厚度為11.8的油膜時(shí)光譜儀接收到的總的信號的遙感反射率, 以及消除太陽直射光與天空光的影響后的油膜離水反射率, 可以看出, 如果不扣除太陽直射光和天空光的反射光的影響作用, 所得浮油膜的離水反射率偏高, 最多能高出50%。

2.4 水面浮油膜光譜形成機(jī)理分析

通過對水面柴油膜光譜的特征分析可知, 水面柴油膜光譜對背景水體光譜具有增反性和依賴性。為了解析水面柴油膜光譜的形成機(jī)理, 本文引入光學(xué)薄膜中增反膜的工作原理。柴油為清澈的透明液體, 當(dāng)水面上漂浮的油膜很薄時(shí), 油膜主要表現(xiàn)出透光性, 因此水面油膜可以看作是以水體為基底的一單層介質(zhì)薄膜[23-24], 根據(jù)增反膜的光學(xué)特性可知, 當(dāng)薄膜材料的折射率大于基底折射率時(shí), 會(huì)出現(xiàn)增加反射率的效果, 即膜層上表面得到的反射率比覆蓋薄膜的反射率要高。本文已測得柴油的折射率, 水的折射率, 滿足單層介質(zhì)膜增反條件, 因此, 水面滴入柴油后出現(xiàn)增加反射率的效果。在不考慮其他因素的影響的情況下, 增反效果最好時(shí)的反射率表達(dá)式為:

將空氣、柴油和水體的折射率代入式(8), 可得最大反射率為max=0.056 7, 即入射的光強(qiáng)最多有5.67%被反射, 大部分的光經(jīng)油膜層進(jìn)入水體, 因此雖然柴油膜相對背景水體反射率增加了, 但是在油膜較薄的情況下, 背景水體的組成和濃度大小是影響水面油膜光譜形態(tài)的主要因素, 從而導(dǎo)致水面油膜的光譜特征和水體光譜非常相似。隨著油膜厚度的增加, 油膜層對光輻射的吸收和散射作用增強(qiáng), 反射率呈現(xiàn)不斷增大的趨勢。

水面油膜光譜曲線在藍(lán)、紫光波段出現(xiàn)了新的小反射峰, 這可用石油類物質(zhì)的熒光特性解釋。石油類物質(zhì)以碳?xì)浠仙傻臒N類為主要成分, 具有一定的熒光性, 含有的非烴類組分如芳烴族也具有很高的熒光效率。根據(jù)物質(zhì)分子吸收光譜和熒光產(chǎn)生機(jī)制, 當(dāng)石油類物質(zhì)被光線照射時(shí), 物質(zhì)分子吸收了和它所具有的特征頻率相一致的能量, 由原來的能級躍遷至高能級, 由于處于高能級不穩(wěn)定, 就會(huì)從高能級躍遷到低能級, 當(dāng)從激發(fā)態(tài)再回復(fù)到基態(tài)時(shí), 過剩的能量可以電磁輻射的形式釋放, 從而發(fā)出熒光。不論激發(fā)熒光譜還是發(fā)射熒光譜都直接同物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn), 紫外區(qū)域是石油類物質(zhì)的激發(fā)效率較高的區(qū)域, 柴油的熒光峰值在410 nm附近[25]。本文實(shí)驗(yàn)時(shí)段為正午前后, 紫外線照射強(qiáng)烈, 因此, 可認(rèn)為滴入柴油后在藍(lán)、紫光波段出現(xiàn)的反射峰是柴油熒光光譜疊加在柴油膜表觀反射光譜上引起的。隨著水中滴入油量的增多, 熒光強(qiáng)度也逐漸增大, 熒光峰呈現(xiàn)不斷升高的趨勢。

3 結(jié)論

自然水體環(huán)境下水面浮油膜光譜測量是一個(gè)易受多因素影響的復(fù)雜過程, 本文通過設(shè)計(jì)珠江口近海水域的水面油膜光譜實(shí)驗(yàn), 獲得了柴油油膜的光譜曲線。光譜特征分析表明, 柴油油膜光譜受背景水體的影響較大, 背景水體的組成和濃度大小是影響油膜光譜形態(tài)的重要因素?？梢? 在構(gòu)建油膜厚度估算模型時(shí), 應(yīng)該融入背景水體的光學(xué)特征。由于柴油的折射率高于水體的折射率, 水面浮油膜類似于光學(xué)薄膜中的增反膜, 具有增反效應(yīng), 油膜的存在使水面離水反射率增加。水面油膜光譜在360~420 nm區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的反射峰, 跟柴油的熒光性有關(guān)。通過對柴油油膜光譜反射率和油膜厚度的相關(guān)分析表明, 360~500 nm是柴油膜的特征譜帶區(qū)間, 可用于溢油污染遙感探測, 其中藍(lán)、紫光波段敏感性最強(qiáng), 是表現(xiàn)油膜厚度的最佳波段。

下一步的研究重點(diǎn)是對水面油膜光譜響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行更深入的分析, 探尋光學(xué)輻射在不同厚度油膜中以及在水下光場中的吸收、散射等固有光學(xué)特性, 構(gòu)建油膜厚度定量估算模型。

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Spectral measurement and characteristic analysis of an oil film floating above water

Liu Xu-long1, 2, DENGRu-ru1, QIN Yan1, LIANG Ye-heng1, LIU Yong-ming1

(1. Guangdong Engineering Research Center of Water Environment Remote Sensing, Guangdong Key Laboratory for Urbanization and Geo-simulation, School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China; 2. Key Laboratory of Guangdong for Utilization of Remote Sensing and Geographical Information System, Guangzhou Institute of Geography, Guangzhou510075, China)

Spectral characteristics of oil films are essential for remote sensing technology to identify oil pollution on the surface of water. Therefore, we designed and performed a water-surface reflectance measurement for a diesel oil film with various thicknesses of diesel at the Pearl River Estuary. The response characteristics and mechanisms of the surface reflectance spectra of the diesel oil films were then analyzed. Results showed that the diesel oil films had spectral curves similar to that of water; however, the formers’ reflectance spectra were higher than that of the latter. Moreover, a reflectance peak was observed in the blue and purple regions. Furthermore, wavelengths in the range of 360—500 nm can be taken as sensitive wavelengths because significant correlations between the thickness of the diesel oil film were obtained at these wavelengths. Therefore, from our result, we identify the diesel oil film as a single reflection-increased layer of a diaphragm, thus providing a higher spectral reflectance than water. Moreover, the reflectance peak in the in the 360—420 nm wavelengths channels was related to the fluorescence of petroleum substances. The results of this study provide a theoretical basis and technical support for monitoring oil pollution on the surface of water using remote sensing technology.

oil film; spectral characteristics; remote sensing reflectance

(本文編輯: 劉珊珊 李曉燕)

Jan.18, 2016

[The National Key Technology R&D Program, No. 2012BAH32B03; Irrigation Works Science and Technology Innovation Project of Guangdong Province, No. 2014-13, No. 2015-13; The Science and Technology Planning Project of Guangdong Province No. 2016A020222006; Natural Science Foundation of Guangdong, No. S2013010013320]

P733.3

A

1000-3096(2016)10-0063-08

10.11759/hykx20160118001

2016-01-18;

2016-06-01

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAH32B03); 廣東省水利科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2014-13, 2015-13); 廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016A020222006); 廣東省自然科學(xué)基金(S2013010013320)

劉旭攏(1978-), 女, 河南平頂山人, 博士研究生, 副研究員, 從事溢油遙感監(jiān)測研究, E-mail: lxlong020@126.com; 鄧孺孺, 通信作者, 教授, E-mail: eesdrr@mail.sysu.edu.cn