宋仕林 朱永英* 張明慧

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

遙感技術(shù)海上溢油監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展

宋仕林 朱永英* 張明慧

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

從衛(wèi)星遙感、航空遙感、地面遙感三個(gè)角度對(duì)海上溢油監(jiān)測(cè)的研究成果進(jìn)行了論述，對(duì)溢油遙感監(jiān)測(cè)中存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討，并對(duì)未來(lái)遙感技術(shù)在該領(lǐng)域的研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望，以期為海上溢油研究提供參考。

遙感技術(shù)，溢油，監(jiān)測(cè)，無(wú)人機(jī)，傳感器

隨著石油產(chǎn)業(yè)和海上運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，海洋石油污染頻發(fā)，給海洋生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重?fù)p失。遙感技術(shù)作為監(jiān)測(cè)海上溢油的一種有效手段，通過(guò)圖像解譯和特征分析，能精確定位事故地點(diǎn)和提取油膜光譜特征，為溢油應(yīng)急處置提供決策依據(jù)[1]。近年來(lái)，遙感技術(shù)在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源開發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛，在溢油污染監(jiān)測(cè)方面已得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。本文從衛(wèi)星遙感、航空遙感、地面遙感三個(gè)角度總結(jié)近年來(lái)遙感技術(shù)在海上溢油監(jiān)測(cè)方面的研究成果，探討海洋溢油遙感監(jiān)測(cè)的不足，并對(duì)未來(lái)遙感技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望，以期為海上溢油研究提供參考。

1 衛(wèi)星遙感溢油監(jiān)測(cè)

衛(wèi)星遙感具有全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、探測(cè)范圍廣等優(yōu)勢(shì)，是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的有效手段之一。溢油改變了遙感影像中原海水背景的灰度、紋理、亮度等基本特征，因此通過(guò)分析圖像特征變化能夠識(shí)別出溢油。針對(duì)遙感光譜數(shù)據(jù)溢油監(jiān)測(cè)的研究開展較早，并取得了諸多成果[1,2]。但早期的光譜數(shù)據(jù)波段信息不連續(xù)，提取的油膜信息有限。隨著高光譜探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，地物光譜較窄的通道數(shù)據(jù)被探測(cè)，進(jìn)一步提高了溢油的識(shí)別準(zhǔn)確率。目前，微波雷達(dá)遙感不受天氣條件影響，對(duì)溢油范圍的監(jiān)測(cè)最為有效，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中受到許多國(guó)家重視。

在溢油范圍研究方面，研究人員基于遙感圖像采用閾值分割、光譜角匹配、邊緣檢測(cè)等算法，實(shí)現(xiàn)了溢油信息提取[3-5]。在油種識(shí)別研究方面，模糊邏輯檢測(cè)、深度信念網(wǎng)絡(luò)、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法具有較大優(yōu)勢(shì)，能有效識(shí)別溢油類型[6-8]。在溢油量估計(jì)研究方面，熊攀等開展了油膜厚度與反射率關(guān)系研究，為油膜厚度的估算提供理論依據(jù)[9]。溢油總量多借助于溢油范圍和油膜厚度來(lái)估算。M.S.Lee和B.G.Gautama等開展了反射率和消光系數(shù)的溢油厚度研究，取得了較好效果[10,11]。這些研究多以實(shí)測(cè)油膜數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，忽略了空間尺度、海洋環(huán)境對(duì)油膜光譜的影響[6-8,10,11]。在溢油軌跡研究方面，“油粒子”溢油軌跡和風(fēng)化模型、二維拉格朗日軌跡模型等方法被用于溢油漂移模擬，研究中考慮了氣象條件、潮流等因素對(duì)油膜擴(kuò)散的影響[12,13]。目前對(duì)海上溢油范圍的研究理論和方法較為成熟，而對(duì)于溢油量的估計(jì)多結(jié)合地面遙感實(shí)測(cè)油膜光譜進(jìn)行研究，精度相對(duì)較低，同時(shí)對(duì)海上溢油漂移擴(kuò)散預(yù)測(cè)的研究相對(duì)較少，有待深入研究。

2 航空遙感溢油監(jiān)測(cè)

航空遙感具有探測(cè)速度快、靈活機(jī)動(dòng)、空間分辨率高等優(yōu)勢(shì)，在溢油監(jiān)測(cè)應(yīng)用中發(fā)展較快，成為衛(wèi)星遙感的有效補(bǔ)充。

在航空遙感溢油監(jiān)測(cè)方面，研究人員采用曲波變換、決策樹分類、Borda算法等方法實(shí)現(xiàn)了航空遙感數(shù)據(jù)不同油種、厚薄油膜、油膜與非油膜的信息提取[14-16]?；诤娇者b感監(jiān)測(cè)海上溢油，大連海事大學(xué)較早地開展了相關(guān)試驗(yàn)研究，由李穎科研小組開發(fā)的空基機(jī)載激光熒光溢油探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了海上油膜、油種和油膜厚度的信息獲取和自動(dòng)識(shí)別，在國(guó)內(nèi)外屬首創(chuàng)。根據(jù)油膜和海水之間不同的熱紅外特性，陳澎等分析了不同條件下油膜的熱紅外特征，有效監(jiān)測(cè)了溢油，在“7·16”大連新港油污清理中發(fā)揮了重要作用[17]。目前，海上溢油的熱紅外監(jiān)測(cè)研究仍處于初級(jí)階段，不能排除海岸線、海洋植物的干擾，無(wú)法識(shí)別薄油膜。

無(wú)人機(jī)作為新型航空遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)，能夠搭載多種高分辨率探測(cè)設(shè)備，具有高機(jī)動(dòng)性、低成本的優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境和海岸帶監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[18,19]，未來(lái)在遙感溢油應(yīng)急監(jiān)測(cè)中有較大應(yīng)用潛力。

3 地面遙感溢油監(jiān)測(cè)

海上溢油地面遙感監(jiān)測(cè)主要有固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)、船舶監(jiān)測(cè)、浮標(biāo)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)等。固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)通常用于港口、碼頭和橋梁等地，傳感器多采用激光熒光和電磁能量吸收傳感器，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)全天監(jiān)測(cè)和自動(dòng)報(bào)警，但受傳感器條件限制，監(jiān)測(cè)范圍較小。船舶通過(guò)搭載航海雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)海上溢油全天候、實(shí)時(shí)探測(cè)，不受雨霧等天氣的影響，縮短了溢油應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間，能夠?qū)崿F(xiàn)溢油位置的精確定位和溢油面積的估計(jì)[20]，但船舶監(jiān)測(cè)在速度和靈活性方面存在不足。海上浮標(biāo)是一種新型溢油監(jiān)測(cè)設(shè)施，主要用于溢油跟蹤，當(dāng)溢油發(fā)生后將其投入溢油區(qū)，能實(shí)時(shí)獲取油膜漂移的速度、軌跡和溢油厚度等信息[21]。油膜光譜特征是遙感監(jiān)測(cè)溢油的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，文獻(xiàn)[9][22]開展了不同油種的紫外—近紅外、熱紅外等波段的實(shí)驗(yàn)研究，獲取了光譜特征信息，為遙感圖像溢油監(jiān)測(cè)提供了數(shù)據(jù)支撐，但研究中未考慮復(fù)雜海況條件對(duì)油膜光譜特征的影響。

4 前景

隨著遙感、圖像處理等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)在海洋資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、科學(xué)研究等方面對(duì)傳感器的光譜分辨率、空間分辨率等性能提出了更高要求，需要研制高性能傳感器和小型化探測(cè)設(shè)備。通過(guò)遙感圖像解譯獲得不同地物的光譜特征，雖能實(shí)現(xiàn)溢油與假目標(biāo)的區(qū)分，但對(duì)油品快速識(shí)別和溢油量的精確估算等方面達(dá)不到精度要求，仍需要進(jìn)一步研究。受海洋環(huán)境影響，油膜在不同階段的光譜特征差異明顯，油膜信息的實(shí)時(shí)探測(cè)難度較大，這就需要進(jìn)一步開展海上溢油實(shí)驗(yàn)，研究油品在復(fù)雜海況環(huán)境下的波譜特征，建立油指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，為遙感溢油監(jiān)測(cè)和油種快速識(shí)別提供數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)語(yǔ)

從衛(wèi)星遙感、航空遙感、地面遙感三個(gè)角度總結(jié)了近年來(lái)遙感技術(shù)在海上溢油監(jiān)測(cè)的研究成果，探討了溢油監(jiān)測(cè)存在的不足，分析了遙感溢油監(jiān)測(cè)的發(fā)展前景，以期為海上溢油研究提供參考。

[1] 趙冬至,叢丕福.海面溢油的可見(jiàn)光波段地物光譜特征研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2000,15(3):160-164.

[2] 陸應(yīng)誠(chéng),田慶久,王晶晶,等.海面油膜光譜響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究[J].科學(xué)通報(bào),2008(9):1085-1088.

[3] G.Vyas,A.Bhan,D.Gupta.Detection of oil spills using feature extraction and threshold based segmentation techniques[J].IEEE 2015 2nd International Conference on Signal Processing and Integrated Networks(SPIN),2015(8):579-583.

[4] 孫元芳,周 斌,蓋穎穎,等.遙感監(jiān)測(cè)墨西哥灣溢油目標(biāo)識(shí)別算法[J].測(cè)繪科學(xué),2015,40(3):63-67，106.

[5] S.Singha,T.J.Bellerby,O.Trieschmann.Satellite Oil Spill Detection Using Artificial Neural Networks [J].IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,2013,6(6):2355-2363.

[6] 蘇騰飛,李永香,李洪玉.基于面向?qū)ο蠛湍：壿嫷腟AR溢油檢測(cè)算法[J].海洋學(xué)報(bào),2016,38(1):69-81.

[7] 郭 越,王曉峰,張恒振.基于人類感知的SAR圖像海上溢油檢測(cè)算法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2016,41(3):295-401，407.

[8] Z. Hui,C.Peng.Oil Spills Identification in SAR Image Using Optimized RBF Network Model [J].IEEE 2016 3rd International Conference on Information Science and Control Engineering (ICISCE),2016(5):497-501.

[9] 熊 攀,顧行發(fā),余 濤,等.海面油膜熱紅外發(fā)射率光譜特征研究(英文)[J].光譜學(xué)與光譜析,2014,34(11):2953-2960.

[10] M.S.Lee,K.A.Park,H.R.Lee,et al.Detection and Dispersion of Thick and Film-Like Oil Spills in a Coastal Bay Using Satellite Optical Images[J].IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,2016,9(11):5139-5150.

[11] Y.C.Lu,W.X.Fu,Q.J.Tian,et al.Using optical remote sensing model to estimate oil slick thickness based on satellite image[J].Earth and Environmental Science,2014,17(1):id.012122.

[12] 黃 娟,曹雅靜,高 松,等.渤海海上溢油漂移擴(kuò)散數(shù)值模擬研究[J].海洋科學(xué),2014,38(11):100-107.

[13] B.G.Gautama,N.Longépé,R.Fablet,et al.Assimilative 2-D Lagrangian Transport Model for the Estimation of Oil Leakage Parameters From SAR Images:Application to the Montara Oil Spill[J].IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,2016,9(11):4962-4969.

[14] 陳 澎.機(jī)載激光熒光海上溢油信息提取與反演研究[D].大連:大連海事大學(xué),2012.

[15] 劉丙新,李 穎,高 超.基于機(jī)載多光譜遙感數(shù)據(jù)的溢油信息提取方法[J].國(guó)土資源遙感,2014,26(1):42-46.

[16] 聶瑋芳,章夏芬.海洋遙感圖像中基于紋理的海面油膜識(shí)別[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14(12):37-41.

[17] P.Chen,Y.Li,G.Lan,et al.Oil Spills Detection and Monitoring Using Airborn Thermal Infrared Remote Sensing in Dalian Xingang Oil Pipeline Explosion[J].IEEE 2012 2nd International Conference on Remote Sensing,Environment and Transportation Engineering,2012(7):1-4.

[18] 謝 濤,劉 銳,胡秋紅,等.基于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展[J].環(huán)境科技,2013,26(4):55-60.

[19] 鄧才龍,劉焱雄,田梓文,等.無(wú)人機(jī)遙感在海島海岸帶監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].海岸工程,2014,32(4):41-48.

[20] 許海東,安 偉,宋莎莎,等.船載溢油雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].船海工程,2014,43(5):48-50.

[21] 吳 頔,呂且妮,葛寶臻.浮標(biāo)式油膜厚度測(cè)量傳感器的研制[J].中國(guó)激光,2014(1):168-172.

[22] 葉 舟,劉 力,魏傳新,等.多種薄油膜光譜反射率特性外場(chǎng)測(cè)試方法及結(jié)果分析[J].光譜學(xué)與光譜分析,2015(6):1695-1699.

Advances in marine oil spill monitoring using remote sensing

Song Shilin Zhu Yongying* Zhang Minghui

(OceanandCivilEngineeringDepartment,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China)

The paper indicates the research results of the oil spill monitoring from the satellite remote sensing, aerial remote sensing, and ground remote sensing, explores the problems in the oil spill monitoring, and has the prospect for the research trend for the future remote sensing technique in the field, so as to provide some reference for the ocean oil spill research.

remote sensing technique, oil spill, inspection, drone, sensor

1009-6825(2017)20-0205-02

2017-04-26

朱永英(1979- )，女，副教授

TP753

A