面向航空遙感的海面溢油監(jiān)測方法

劉東東　侯云海　荊云波

摘 要：海面溢油的種類識別是當(dāng)前備受關(guān)注的課題，其主要任務(wù)為監(jiān)測是否有石油類污染物溢出，監(jiān)測數(shù)據(jù)對溢油災(zāi)害的防治有著深遠的意義。圍繞海面溢油監(jiān)測，綜述了目前主流機載海面溢油監(jiān)測方法，包括激光熒光法、高光譜技術(shù)、微波輻射遙感、紅外/紫外吸收光譜法，并在此基礎(chǔ)上展望了海面溢油監(jiān)測未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：航空遙感；海面溢油；監(jiān)測方法；激光熒光法

中圖分類號：X55；X87 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.082

海面溢油是海洋眾多污染物質(zhì)之中最為常見的一種，影響也最為巨大。溢油漂浮在海面上，大大影響了海水中浮游植物的光合作用，降低了海洋的生產(chǎn)能力。航空遙感在海面溢油監(jiān)測方面具有靈活機動、時效性強等優(yōu)點，尤其對于油膜在海風(fēng)作用下隨機擴散的情況，可及時發(fā)現(xiàn)溢油事故。

1 典型監(jiān)測方法

1.1 激光熒光法

石油類污染物分子在吸收了諸如紫外波段電磁輻射后，會發(fā)生紫外光激發(fā)熒光現(xiàn)象。不同類別油類分子多環(huán)芳香烴有所差異，會導(dǎo)致激發(fā)熒光所需的電磁波波段、激發(fā)出的熒光信號皆不相同。激光熒光方法精度高、監(jiān)測周期短，是僅有的2種可以區(qū)分海面浮游植物和油膜的方法之一。現(xiàn)有激光熒光法檢測油污主要以紫外波段為主，輔助以可見光波段。為了實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)與光譜數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的分析對比，需對原始的光譜數(shù)據(jù)作定標(biāo)處理。常用的油膜熒光光譜分類方法有智能分析法和比值法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。

在紫外光作用下，油膜的存在對拉曼散射的影響可反演出薄油膜的厚度。實驗條件下可測得厚度為0.05～5 μm的薄油膜。油膜擴散的不確定性對油膜厚度測量的影響研究較少，受傳感器參數(shù)、激光光源差異等因素影響，厚度測量實際普遍適用性有待改進。

1.2 高光譜技術(shù)

與傳統(tǒng)的遙感技術(shù)相比，高光譜技術(shù)具有高準(zhǔn)確率、快速性等特點。通過高光譜技術(shù)獲得的油膜光譜數(shù)據(jù)辨別率可達到納米級別，涉及紫外、可見光、近紅外、紅外多個波段。但數(shù)據(jù)冗余性高，不同波段之間有較高的相關(guān)性。原始高光譜數(shù)據(jù)需經(jīng)過校正、濾波處理，之后將光譜的灰度值通過經(jīng)驗線性法轉(zhuǎn)換為油膜的反射率，最后再與典型光譜分類匹配，從而得出海面溢油種類、溢油量等信息。其中，典型光譜可以參考光譜數(shù)據(jù)庫。

光譜匹配方法中的直接匹配用預(yù)處理后數(shù)據(jù)與典型光譜對比，間接匹配先對光譜編碼或變換后與典型光譜對比。整體匹配無法對特征波段處的微小差異進行區(qū)分。局部光譜匹配對光譜的細微差異比較敏感，但容易受光譜的信噪比的影響。基于尺度空間理論的光譜特征匹配能夠在不同的尺度層次下對光譜曲線特征進行觀察。此外，還保留了曲線原有的反射、吸收特性。

1.3 微波輻射遙感

油膜和海水輻射系數(shù)差異較大，油膜輻射信號會隨著厚度變化而周期性變化。微波輻射法是以空氣、油膜和海水3層介質(zhì)亮溫模型為基礎(chǔ)，在觀測角度、介電常數(shù)固定情況下，油膜厚度最大值和發(fā)射波長、頻率分別成正比和成反比。低頻波段對厚油膜較為敏感，高頻波段對薄油膜較為敏感，多個頻率段綜合使用可提高油膜厚度的分辨率。依據(jù)油膜亮溫受影響的參數(shù)類型不同，常用方法有輻射亮溫增量比照法和光譜法。非天頂角觀測時，輻射亮溫和光譜系數(shù)具有明顯的極化特征，只需要有油膜和水面水平極化、垂直極化的反射系數(shù)，就可利用極化信息對比測出油膜厚度，且可在天氣條件較差條件下使用。根據(jù)不同油膜厚度的光譜特征曲線，使用光譜法配合模式識別可監(jiān)測出溢油油膜的厚度，但油品的歸類和厚度識別能力相比極化信息法較弱。

微波由于波長較長，受天氣影響相對較小，應(yīng)用潛力較大，采用多頻段的輻射計能做到精確測量油膜厚度。此外，研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用微波輻射計兩個偏振方向、測量偏振對比強度，也可完成溢油油膜厚度的測量，但這方面的研究較少。

1.4 紅外/紫外吸收光譜技術(shù)

紅外光譜法按照波段的不同可分為近紅外、中紅外、遠紅外和衰減全反射紅外光譜法，屬于分子吸收光譜類別。根據(jù)海水和不同石油類污染物在所在波段內(nèi)選擇性的吸收電磁輻射原理來對油污進行定性分析。油污分子在紅外光的條件下會發(fā)生能級躍遷，所含不同化合物的化學(xué)鍵對紅外光的吸收會產(chǎn)生強度、位置、輪廓差異，每種油污只會產(chǎn)生與其振動頻率一致的紅外光光譜，表現(xiàn)在光譜上就是每種油污光譜的峰值大小、峰值寬度、吸收強度彼此不同。

中紅外光譜法應(yīng)用最早但測量精度相對較低，一般與其他數(shù)字分析方法結(jié)合使用。近紅外光譜法可區(qū)分未風(fēng)化和風(fēng)化的相似的油污光譜，可靠性較高、速度快，監(jiān)測方便。紅外光譜法難以區(qū)分油膜的厚或薄，可結(jié)合紫外光分析，紫外波段下很薄的油層（小于1 μm）也有較高的輻射度。此外，海水和不同厚度、不同類別的油污光譜特征差異明顯。對溢油同時進行紅外、紫外的掃描和數(shù)據(jù)復(fù)合分析，就可以得到油膜的相對厚度。

海面溢油監(jiān)測多種方法的優(yōu)缺點如表1所示。

2 總結(jié)

隨著光譜分析、圖像處理技術(shù)以及無人飛行器的發(fā)展，溢油監(jiān)測技術(shù)正漸漸呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢：①星載遙感監(jiān)測與航空監(jiān)測結(jié)合使用；②增加每次監(jiān)測所使用的傳感器類型，以提高監(jiān)測的精準(zhǔn)度；③內(nèi)河流域、近海區(qū)域溢油監(jiān)測、治理系統(tǒng)加強合作，多部門協(xié)同作業(yè)。近海污染物監(jiān)測對沿海居民的生產(chǎn)生活、近海經(jīng)濟發(fā)展影響深遠。及時掌握溢油種類、面積、發(fā)展動態(tài)，對最大限度地減少溢油污染的影響尤為重要。

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〔編輯：劉曉芳〕