劉東東　侯云?！∏G云波

摘 要：海面溢油的種類識(shí)別是當(dāng)前備受關(guān)注的課題，其主要任務(wù)為監(jiān)測(cè)是否有石油類污染物溢出，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)溢油災(zāi)害的防治有著深遠(yuǎn)的意義。圍繞海面溢油監(jiān)測(cè)，綜述了目前主流機(jī)載海面溢油監(jiān)測(cè)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(cè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：航空遙感；海面溢油；監(jiān)測(cè)方法；激光熒光法

中圖分類號(hào)：X55；X87 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jiàn)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(cè)方面具有靈活機(jī)動(dòng)、時(shí)效性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)于油膜在海風(fēng)作用下隨機(jī)擴(kuò)散的情況，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢油事故。

1 典型監(jiān)測(cè)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(huì)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(huì)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(hào)皆不相同。激光熒光方法精度高、監(jiān)測(cè)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?，F(xiàn)有激光熒光法檢測(cè)油污主要以紫外波段為主，輔助以可見(jiàn)光波段。為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與光譜數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的分析對(duì)比，需對(duì)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(duì)拉曼散射的影響可反演出薄油膜的厚度。實(shí)驗(yàn)條件下可測(cè)得厚度為0.05～5 μm的薄油膜。油膜擴(kuò)散的不確定性對(duì)油膜厚度測(cè)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(cè)量實(shí)際普遍適用性有待改進(jìn)。

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(diǎn)。通過(guò)高光譜技術(shù)獲得的油膜光譜數(shù)據(jù)辨別率可達(dá)到納米級(jí)別，涉及紫外、可見(jiàn)光、近紅外、紅外多個(gè)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(guò)校正、濾波處理，之后將光譜的灰度值通過(guò)經(jīng)驗(yàn)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(kù)。

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(duì)比，間接匹配先對(duì)光譜編碼或變換后與典型光譜對(duì)比。整體匹配無(wú)法對(duì)特征波段處的微小差異進(jìn)行區(qū)分。局部光譜匹配對(duì)光譜的細(xì)微差異比較敏感，但容易受光譜的信噪比的影響?；诔叨瓤臻g理論的光譜特征匹配能夠在不同的尺度層次下對(duì)光譜曲線特征進(jìn)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(hào)會(huì)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(cè)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(zhǎng)、頻率分別成正比和成反比。低頻波段對(duì)厚油膜較為敏感，高頻波段對(duì)薄油膜較為敏感，多個(gè)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(cè)時(shí)，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(duì)比測(cè)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(shí)別可監(jiān)測(cè)出溢油油膜的厚度，但油品的歸類和厚度識(shí)別能力相比極化信息法較弱。

微波由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)，受天氣影響相對(duì)較小，應(yīng)用潛力較大，采用多頻段的輻射計(jì)能做到精確測(cè)量油膜厚度。此外，研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用微波輻射計(jì)兩個(gè)偏振方向、測(cè)量偏振對(duì)比強(qiáng)度，也可完成溢油油膜厚度的測(cè)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(yuǎn)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(lái)對(duì)油污進(jìn)行定性分析。油污分子在紅外光的條件下會(huì)發(fā)生能級(jí)躍遷，所含不同化合物的化學(xué)鍵對(duì)紅外光的吸收會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度、位置、輪廓差異，每種油污只會(huì)產(chǎn)生與其振動(dòng)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(qiáng)度彼此不同。

中紅外光譜法應(yīng)用最早但測(cè)量精度相對(duì)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(cè)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(duì)溢油同時(shí)進(jìn)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(duì)厚度。

海面溢油監(jiān)測(cè)多種方法的優(yōu)缺點(diǎn)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(wú)人飛行器的發(fā)展，溢油監(jiān)測(cè)技術(shù)正漸漸呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì)：①星載遙感監(jiān)測(cè)與航空監(jiān)測(cè)結(jié)合使用；②增加每次監(jiān)測(cè)所使用的傳感器類型，以提高監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度；③內(nèi)河流域、近海區(qū)域溢油監(jiān)測(cè)、治理系統(tǒng)加強(qiáng)合作，多部門協(xié)同作業(yè)。近海污染物監(jiān)測(cè)對(duì)沿海居民的生產(chǎn)生活、近海經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響深遠(yuǎn)。及時(shí)掌握溢油種類、面積、發(fā)展動(dòng)態(tài)，對(duì)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〕