海洋溢油遙感探測技術現狀及預見

孫樂成 周青 王娟

摘要：海洋溢油作為當今海洋污染最嚴重的問題之一，早已引起我國政府及各相關職能機構的高度重視。多年來，國內外都在積極探索研究溢油污染精細探測方法，遙感溢油探測技術是其中的研究熱點之一。文章從海面油、沉潛油兩種溢油類型總結了國內外遙感溢油探測技術的現狀及面臨的主要問題。海面油的技術發展較全面，但仍受多項技術困難制約;沉潛油的探測已列入重點計劃，但離業務化應用仍有較大差距;并就未來在海洋溢油遙感探測技術方面的發展趨勢作出了展望。

關鍵詞：海洋生態文明建設;溢油;遙感;現狀;預見

中圖分類號：P76文獻標志碼：A文章編號：1005-9857（2019）03-0049-05

The Present Situation and Forecast of Marine Oil Spill Detection Technology by Using Remote Sensing

SUN Lecheng，ZHOU Qing，WANG Juan

（North China Sea Enviromental Monitoring Center，State Oceanic Administration，Qingdao 266000，China）

Abstract：As one of the most serious problems of marine pollution，marine oil spill has attracted great attention of the government and relevant departments.The fine detection methods of oil spill have been explored over years by domestic and foreign agencies.Remote sensing detection technology is one of the research hotspots.This paper summarized the present situation of oil spill detection by remote sensing from two types of oil spill： surface oil and submerged oil.The main problems of current technologies were described also，surface oil spill detection technology had been explored integrally，but it was still restricted by many technical difficulties.Submerged oil detection had been included in the National Key Research and Development Program，but there was still a marked gap between the commercial application and the current status.The prospect of developing trend on oil spill detection by using remote sensing was also made in this paper.

Key words：Construction of marine ecological civilization，Oil spill，Remote sensing，Present situation，Forecast

1背景

黨的十八大以來，以習近平同志為核心的黨中央高度重視生態文明建設，提出了一系列關于生態文明建設的新理念新思想新戰略，黨的十九大更是明確要求加大生態系統保護力度。

海洋生態文明建設作為國家生態文明建設的重要組成部分，根本目標是建設美麗海洋。而我國所轄海域每年都面臨各種類型的海洋污染的威脅，海洋溢油作為當今全球海洋污染最嚴重的問題之一，早已引起我國政府及各相關職能機構的高度重視。

海洋溢油往往會造成大面積海面石油污染，不僅使海洋立體生態系統遭受重大損害，同時也會帶來巨大的經濟損失，甚至嚴重危害人體健康。2011年6月，山東蓬萊193油田溢油事故，造成蓬萊193油田周邊及其西北部面積約6 200 km2海域的海水污染，海洋生態損害價值總計1683億元[1]。

多年來，國內外都在積極探索研究溢油污染精細探測方法，為溢油風險巡視、溢油污染監視監測預警及應急處置、溢油生態損害評估及修復提供技術支持。遙感溢油探測技術是其中的研究熱點之一。

2國內外研究現狀

海洋溢油根據其分布不同，大致可分海面油、沉潛油兩種類型。

21海面油遙感探測技術

目前，可用于海面溢油遙感探測的技術發展比較完善，主要以航空遙感平臺、衛星遙感平臺、船載海基岸基遙感平臺搭載不同類型的傳感器實現海面油膜的多元探測。

211遙感平臺

航空遙感：航空遙感由于具有反應快、靈活機動、高分辨率、高時效、影像實時傳輸等優勢，是目前溢油事故監測工作中使用最多且最有效的技術手段[2]。

衛星遙感：與航空遙感相比，衛星遙感具有監測范圍大、成本低、不受危險區域影響、圖形資料易于處理和解譯的特點，是現階段廣泛應用的溢油遙感探測手段[3]。

船載海基岸基遙感：通過岸基海基遙感平臺搭載視頻、雷達等傳感器，可針對溢油高風險區實現有效的定點在線監測，是航空遙感、衛星遙感溢油探測的重要技術補充。

212遙感傳感器

目前，可用于海面溢油探測的傳感器包括微波傳感器、光學傳感器、激光傳感器和激光-聲學傳感器等。

微波傳感器有雷達傳感器和微波輻射計。

①雷達傳感器是一種目前使用廣泛的海洋溢油探測傳感器[4]。

利用星載或機載合成孔徑雷達（SAR）進行海洋溢油探測是目前國際上較為常用的監測手段。

機載SAR的使用更加普及，目前擁有機載SAR溢油觀測能力的國家有中國、美國、德國、英國、法國、俄羅斯、加拿大、瑞典、荷蘭、丹麥、澳大利亞、南非等[8]。

以X波段雷達、視頻監控為主的船載海基岸基雷達溢油在線監控系統在國內外交通海事、環境保護和油氣勘探等行業的溢油監視監測中已得到廣泛應用。

②微波輻射計是一種具有應用潛力的全天候溢油探測器，但目前國際上對該領域的研究相當薄弱。瑞士空間局已經研制了包括雙波段（224 GHz和31 GHz）以及單波段（37 GHz）的輻射計傳感器，但Mussetto等[9]的研究表明，信號與海面油層厚度呈弱相關，除油層厚度外，其他因素也可以影響信號的強度。目前人們正在研究在兩個正交極化方向上測量極化對比強度，以測量油層厚度的新方法。

光學傳感器包括：可見光傳感器、紅外傳感器、紫外線傳感器、高光譜成像光譜儀。

①可見光傳感器。目前，利用可見光傳感器開展海面溢油探測主要借助高空間分辨率的可見光影像進行溢油區域的識別。國際上知名度較高的QuickBird、IKONOS、WordView、GeoEye、SPOT系列、GF系列衛星等都搭載有高分辨率的可見光傳感器，航空遙感平臺也都搭有高清光學相機，這些都可用于海面溢油的探測。

②紅外傳感器。

由于厚油層能夠吸收太陽輻射，并將部分吸收輻射以熱能的形式重新釋放出去，紅外圖像中，厚油層“熱”，中等厚度“冷”，薄油層或油膜難以探測。由于這個局限，使得紅外傳感器用于海面溢油探測難以得到有效使用[10]。

③紫外傳感器可以對甚薄油層進行探測，因為即使是甚薄油層也會有很高的紫外輻射反射。通過紫外與紅外圖像的疊加分析，可以得到比單一波段探測更好的效果。

④高光譜成像光譜儀（HRS）能夠獲得連續波段信息，它以其“圖、譜”合一的優勢在溢油探測中潛力巨大，應用前景廣闊[11-12]，而且高光譜遙感從機理角度能夠識別油膜組分[13]。混合光譜分解技術[13]、純凈像元指數（PPI）、光譜角度制圖法（SAM）、混合調制匹配濾波（MTMF）[14]等方法已應用于海面溢油信息提取。

激光誘導熒光探測器（LIF）是一種新興的機載傳感器，用于海上溢油探測具有諸多優勢，但尚不能星載。激光誘導熒光探測是目前唯一能區分海藻和油污染、監測岸灘溢油、監測海冰和雪中石油污染的遙感手段[15]。

美國國土安全部海岸護衛隊目前正在支持開發航空激光誘導熒光探測儀，該儀器的最新型號已由歐共體（EC）研制完成。中國海洋大學的趙朝方等針對激光誘導熒光海洋溢油探測軟硬件系統研制方面開展了研究[16];大連海事大學的安居白、李穎團隊對溢油種類識別、機載激光誘導熒光海上溢油信息提取與反演開展了研究[17-18]。

激光-聲學傳感器。

激光-聲學技術是一種很有發展前景的技術。目前正在研發的激光-聲學儀器是唯一可以探測油膜絕對厚度的遙感探測器，是一種十分可靠并具有發展前景的技術。該技術目前正由加拿大皇家石油公司、加拿大環境署和美國礦產管理局等單位聯合開發。實驗室測試結果證明該種方法是完全可行的，目前正在進行業務化可行性試驗。

22沉潛油遙感探測技術

目前國際上對沉潛油的探測技術主要包括聲學探測、光學探測、物理吸附和原位監測。USCG 通過試驗擇優選取了熒光偏振和多波束聲吶進行設備開發應用。MT Athos 1 事故成功采用了物理吸附方法進行沉潛油探測和跟蹤;墨西哥灣溢油事故中利用裝有聲學多普勒海流剖面儀和聲吶的水下機器人對海底溢油進行探測;DBL152 事故采用側掃聲吶、ROV、水下攝像機或和潛水員、VSORS、捕捉器等多種技術聯合探測水體和海底的溢油。

我國沉潛油的研究起步較晚，國家海洋局北海環境監測中心在大連7·16 溢油事故和蓬萊193 溢油事故中，采用原位監測和ROV 等多種手段，驗證了溢油在水體中的沉潛行為和垂直分布規律，采用剖面成像（SPI）、側掃聲吶、多波束聲吶、原位采樣等技術對溢油現場的沉底油進行了探測，發現了底層海水含油量遠高于表層的現象。2016年，在國家重點研發計劃項目海洋環境安全保障專項中，支持了海洋交通已有監測預警與防控技術研究及應用項目，沉潛油的探測技術研究及應用是其中一個重要研究方向。

3目前面臨的主要問題

31海面油的技術發展較全面，但仍受多項技術困難制約

目前用于海面油膜探測的技術發展較快，主要以航空遙感、衛星遙感、船載岸基海基雷達等手段探測油膜，但仍受多項技術困難的制約。

311遙感平臺

航空遙感主要借助有人機實現，費用高，且由于人員的介入導致風險性大大提高，難以抵近溢油高危險區域進行有效探測，加上續航能力及夜航能力的限制，使得航空遙感探測溢油只能在有限的場景下開展。

衛星遙感最大的受限因素是時間分辨率、空間分辨率的兩極矛盾。要么衛星重訪能力差，難以開展連續性觀測;可開展連續觀測的衛星往往空間分辨率不足。這種矛盾制約了衛星遙感平臺的溢油遙感探測技術的進展。

船載岸基海基雷達可實時在線探測溢油，但觀測范圍有限，海洋溢油的突發性和不確定性導致采用此類技術的使用只能針對預先評估的高風險區進行，難以形成連續大面積覆蓋的溢油遙感探測能力。

312遙感傳感器

可見光傳感器由于溢油物質與背景之間的對比度不大，導致探測能力有限，目前只有高空間分辨率的可見光傳感器可以對海面溢油開展有效探測，但受限于搭載的平臺，只能在有限場景下開展。

紅外傳感器由于中等厚度油的“冷”特性，在大多數情況下無法對乳化溢油進行探測。

紫外傳感器易由外界環境因素（太陽耀斑、海表亮斑、生物物質）的干擾而產生虛假信息。

高光譜傳感器的空間分辨率不足，難以滿足精細化溢油遙感探測的要求。

激光誘導熒光探測器和激光-聲學探測器是目前唯一能夠區別溢油污染和水生植物及海岸，并可辨別出溢油種類和油層厚度的傳感器，但都尚處于研制或研發階段，難以投入實際應用。

313其他

目前已經推廣使用的多項溢油遙感探測技術只能提供溢油面積及分布，都難以準確測定油膜厚度，導致溢油量的準確估算難以實現[19-25]。

32沉潛油的探測已列入重點計劃，但離業務化應用仍有較大差距

2016年，在國家重點研發計劃項目海洋環境安全保障專項中，支持的海洋交通已有監測預警與防控技術研究及應用項目將對沉潛油的探測技術做重點研究并開展應用示范，將分別建立沉潛油多波束、成像聲吶等聲學探測技術和多通道全波形激光雷達探測技術，形成一套沉潛油的探測技術和裝備體系，但離業務化應用仍有較大差距。

4未來主要技術預見

41海面油遙感探測技術

411遙感平臺

無人機海洋溢油遙感探測技術將得到大力推廣使用。中空長航時無人機搭配中近程無人機和超近程旋翼無人機的聯合觀測，在搭載了高清的光電平臺、機載SAR等傳感器后，具有起飛靈活、探測范圍廣、夜視及續航能力強、可抵近或飛入溢油高危險區、運行費用低等特點，可有效克服現有有人機航空平臺和衛星平臺的不足，將在海洋溢油遙感探測中發揮巨大作用。

我國海洋衛星與衛星海洋發展規劃支持的新一代海洋衛星將會使我國海洋溢油遙感探測具備系列化、業務化和定量化的海洋衛星觀測體系，新一代海洋衛星系列搭載的中分辨率光譜儀、微波輻射計、C波段合成孔徑雷達（SAR）等，它們的投入，加上已經在軌運行的GF1號、GF2號高分辨率光學衛星和GF3號1 m分辨率SAR衛星，將極大提高我國海洋溢油遙感探測能力，助力我國海洋溢油遙感業務化應用進入一個質的飛躍。

船載岸基海基 X波段雷達在線監測平臺將實現我國管轄海域溢油高風險區的大面積覆蓋，極大提升我國海洋溢油在線監測能力。

412遙感傳感器

基于SAR的溢油遙感探測技術將繼續占據主導地位，高分辨率光學遙感、高光譜遙感與紅外遙感在海洋溢油探測中也將發揮重要作用。

根據目前的研究進度，到2030年，海洋溢油激光類傳感器有望實現從樣機到少量產品機的生產，激光誘導熒光探測器和激光聲學傳感器作為目前唯一能夠區別溢油污染和水生植物及海岸，并可辨別出溢油種類和油層厚度的傳感器，它的投入使用，將會使溢油遙感定量觀測成為可能。

413技術方法

不同遙感平臺、傳感器均有各自的優劣，多源遙感平臺及傳感器監測數據的實時準實時接收及融合[26]，并與地理信息技術、定量反演技術相結合，建立數據綜合處理與分析預測的應急反應集成系統將是大勢所趨，我國自主海洋衛星的發射升空及無人機等新監測平臺的投入使用，將使此類集成系統演變為業務化應用系統，供涉海部門使用。

42沉潛油遙感探測技術

在國家重點研發計劃項目的支持下，沉潛油多波束、成像聲吶等聲學探測技術和多通道全波形激光雷達探測技術將會獲得突破，我國初步的沉潛油遙感探測能力將會形成，并將在我國北海海區率先投入業務化示范應用。

5結論

海洋溢油全方位觀測技術包括揮發油探測、海面油膜探測、沉潛油探測。目前用于海面油膜探測的技術發展較快，主要以航空遙感、衛星遙感和地基雷達等手段探測油膜，但是各種技術都存在缺陷，難以有效排除干擾，難以準確測定油膜厚度;海底溢油及沉潛油混合了雜質后，由于密度與海水較為接近，常懸浮于海面以下的水體中，或黏附在海底物質表面，目前缺乏有效的水下溢油探測手段。水體中油含量的測定靈敏度較低，精度不夠。國內外正在研究的激光誘導熒光探測器、高光譜成像儀、激光聲學探測器等技術的發展有望解決海面油膜探測、海底油污探測及水中油含量測定的技術問題。

預計2030年，我國全自主海洋溢油遙感立體觀測體系將全面形成，可實現對海洋溢油的全方位探測，多源傳感器數據實時接收、處理和自動化分析的綜合信息系統將投入業務化使用，為及時有效地應對海洋溢油污染提供技術支持。

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