李穎，李冠男，崔璨

（1.大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧大連116026；2.大連海事大學(xué)環(huán)境信息研究所，遼寧大連116026）

基于星載SAR的海上溢油檢測(cè)研究進(jìn)展

李穎1，2，李冠男1，2，崔璨1，2

（1.大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧大連116026；2.大連海事大學(xué)環(huán)境信息研究所，遼寧大連116026）

基于大量有關(guān)星載SAR溢油檢測(cè)研究和溢油微波散射特性研究文獻(xiàn)的梳理和總結(jié)，回顧了星載SAR傳感器的發(fā)展歷程和海上溢油檢測(cè)技術(shù)原理，重點(diǎn)總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外基于單極化SAR數(shù)據(jù)、全極化SAR數(shù)據(jù)對(duì)溢油信息提取研究的進(jìn)展，概述了溢油水面微波散射特性研究對(duì)SAR溢油檢測(cè)研究的重要輔助作用及當(dāng)前的研究成果，分別討論了目前星載SAR溢油檢測(cè)和溢油微波散射特性研究中存在的不足，并針對(duì)今后需解決的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

SAR；溢油檢測(cè)；微波散射特性；信息提取

海洋占地球表面積的70%，蘊(yùn)藏了豐富的資源和巨大的能量，但是人類在不斷的汲取資源和能量的同時(shí)也將破環(huán)和污染反作用于海洋環(huán)境（閆殿武，2001）。近幾年，隨著海洋石油資源的不斷勘探和開(kāi)采，石油加工業(yè)和海上運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，海上油氣田溢油、輸油管道破裂、載油船舶的突發(fā)性溢油等重大海洋事故的數(shù)量也隨之增多，如2010年4月美國(guó)墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺(tái)爆炸事件及2010年7月大連新港輸油管爆炸事件均導(dǎo)致大量的油污泄漏入海，不僅對(duì)海洋、大氣及海岸帶生態(tài)環(huán)境造成污染和破壞，引起生物的大量死亡，更間接影響了整個(gè)生物鏈，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失（陳澎，2012；劉丙新，2013）。

海洋溢油事故發(fā)生后，能夠?qū)κ鹿拾l(fā)生的位置、溢油的面積及后期的擴(kuò)散趨勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤監(jiān)測(cè)是應(yīng)急指揮工作和后期油污清理的根本保證（劉朋，2012）。相對(duì)于傳統(tǒng)的溢油探測(cè)方法，遙感技術(shù)具有省時(shí)省力、監(jiān)測(cè)范圍廣泛、時(shí)效性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，已成為目前海上溢油檢測(cè)的主要手段之一，其中，SAR因具有全天時(shí)全天候、受云霧天氣影響小、能夠?qū)σ缬蛥^(qū)域有效的識(shí)別等特點(diǎn)而最具代表性，在目前海洋溢油檢測(cè)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

星載SAR是指搭載在衛(wèi)星平臺(tái)上的SAR傳感器，能夠在以上的優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上提供空間角度大面積探測(cè)范圍的影像數(shù)據(jù)，引領(lǐng)了眾多學(xué)者致力于該方面研究，在影像的溢油信息提取方面取得了大量的成果；另一方面，SAR的成像機(jī)理是獲取被測(cè)目標(biāo)的后向散射回波信號(hào)，因此通過(guò)開(kāi)展溢油微波散射測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋玫睦斫夂驼莆找缬偷奈⒉ㄉ⑸錂C(jī)理和散射特性，同時(shí)為輔助星載SAR溢油檢測(cè)的相關(guān)研究提供可靠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（劉朋，2012；鄒亞榮，2014）。本文從星載SAR的發(fā)展進(jìn)程出發(fā)，梳理國(guó)內(nèi)外星載SAR海洋溢油監(jiān)測(cè)研究的歷史和現(xiàn)狀，論述了溢油微波散射特性研究對(duì)星載SAR溢油監(jiān)測(cè)研究的重要輔助作用，總結(jié)了目前研究中存在的不足，以期為今后基于SAR的海洋溢油監(jiān)測(cè)研究提供一定的參考。

1 星載SAR的溢油探測(cè)機(jī)理

合成孔徑雷達(dá)（SAR）作為微波遙感技術(shù)的分支，不依賴于太陽(yáng)光照條件，擁有“穿云透霧”的觀測(cè)本領(lǐng)，能夠穿透大氣和云層并有效的識(shí)別偽裝物及遮蓋物；SAR主要工作波段為P、L、S、C、X，極化模式包括HH、VV、HV、VH 4種，利用搭載的衛(wèi)星和目標(biāo)物之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將小尺寸天線孔徑合成較大的等效天線，在距離向上發(fā)射壓縮的微波短脈沖從而獲取較高的距離分辨率，同時(shí)在方位向上利用散射信號(hào)多普勒頻移獲取較高的方位分辨率，最終合成高分辨率的SAR影像（石立堅(jiān)，2008；劉朋，2012；周圓等，2015）。SAR具備了全天時(shí)全天候、穿透能力強(qiáng)、受云霧天氣影響小等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，適合進(jìn)行溢油檢測(cè)工作并能夠?qū)σ缬蛥^(qū)域進(jìn)行有效的識(shí)別，這些優(yōu)勢(shì)是可見(jiàn)光和紅外等傳感器無(wú)法達(dá)到的，因此SAR逐漸成為探測(cè)海洋溢油的有效傳感器之一，已廣泛應(yīng)用于海上溢油探測(cè)工作（Kasischke et al，1984；石立堅(jiān)，2008）。

當(dāng)海上發(fā)生溢油事故時(shí)，油膜覆蓋在海面上阻尼了海面毛細(xì)波及短重力波而改變了海表的粗糙程度，信號(hào)在光滑的油膜上發(fā)生鏡面反射背離SAR傳感器從而導(dǎo)致SAR接收的后向散射回波減小，引起B(yǎng)ragg散射，同時(shí)與星載SAR工作半波長(zhǎng)相近的Bragg波波長(zhǎng)越短，油膜對(duì)其分布的改變能力越強(qiáng)，接收的后向散射信號(hào)越少，圖像反映了Bragg散射形成的后向散射；基于海面電磁散射微擾模型可得到一階后向散射系數(shù)為（Wright，1968；劉朋，2012）：

其中，W（2kesinθ，0）是海面毛細(xì)波和短重力波的波數(shù)譜；Ke是電磁波數(shù)；θ是入射角；i，j是極化方式；εr是海水相對(duì)介電常數(shù)，與海水溫度和鹽度相關(guān)。海面油膜對(duì)Bragg共振短波的阻尼作用可以表示為：

隨后，許多專家學(xué)者針對(duì)SAR對(duì)溢油的探測(cè)機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)研究，Alpers等（1989）和Cini等（2008）針對(duì)溢油對(duì)海表面粗糙程度抑制作用而引起海面的“Marangoni”效應(yīng)的機(jī)理和作用進(jìn)行了研究。Pinel（2008）建立了溢油的海浪譜衰減模型，分析了海面溢油對(duì)短重力波等的抑制，為后續(xù)溢油探測(cè)機(jī)理研究提供了模型參考和理論基礎(chǔ)。綜上，海面的油膜通過(guò)改變海面張力衰減Bragg短波的波數(shù)譜，從而降低了SAR接收到的后向散射回波信號(hào)，因此在SAR圖像上表現(xiàn)為具有突出的“暗”特性低散射區(qū)，與周圍粗糙度較大的背景海水相比具有明顯的區(qū)別，是基于SAR溢油檢測(cè)和提取的理論基礎(chǔ)。

1978年美國(guó)發(fā)射了攜帶SAR的衛(wèi)星Seasat，工作在L波段的HH單極化模式，標(biāo)志著星載SAR正式應(yīng)用于海洋觀測(cè)研究（Jordan，1980；劉朋，2012）；歐空局分別于1991和1995年發(fā)射了搭載SAR的ERS-1、ERS-2，工作于C波段，極化模式為VV，進(jìn)行了大量的海上溢油探測(cè)工作和研究，全面開(kāi)啟了利用SAR進(jìn)行海上溢油探測(cè)研究的時(shí)代（Espedal，1999）。隨后，各國(guó)陸續(xù)發(fā)射了載有SAR的衛(wèi)星，以期利用SAR的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)服務(wù)于海洋溢油探測(cè)研究，如：1992年日本發(fā)射了載有SAR傳感器的資源衛(wèi)星CJ-ERS-1，工作于L波段，極化模式為HH；1995年加拿大發(fā)射了RADARSAT-1，工作于C波段，極化模式為HH；2002年歐空局發(fā)射了ENVISAT-ASAR，工作于C波段；2006年我國(guó)成功發(fā)射了載有SAR的“遙感衛(wèi)星一號(hào)”，隨后于2012年發(fā)射了環(huán)境衛(wèi)星系列HJ-1C，同時(shí)載有SAR、可見(jiàn)光、紅外探測(cè)傳感器，對(duì)今后多源信息融合的遙感識(shí)別研究有著重要作用和意義，并在隨后的幾年中陸續(xù)發(fā)射了同系列衛(wèi)星；隨著各國(guó)星載SAR的成功發(fā)射和運(yùn)行，星載SAR開(kāi)始了全面發(fā)展，為海洋溢油的研究提供了大量的海上溢油遙感影像，并逐漸由單極化模式向多極化、全極化模式發(fā)展，海洋溢油的研究也不斷深入，如：2006-2007年日本、德國(guó)和加拿大分別發(fā)射了ALOS/PALSAR，Terra-SAR和RADARSAT-2，均具有多極化工作模式（Zelli et al，1999；劉朋，2012；洪文（譯），李仲森，鮑狄埃（著），洪文等（譯），2013），為溢油檢測(cè)研究提供了新的角度和方法。目前具有代表性的SAR傳感器如表1。

表1 SAR傳感器列表

2 SAR溢油檢測(cè)算法的研究現(xiàn)狀

基于SAR海上溢油探測(cè)機(jī)制和圖像特點(diǎn)，專家學(xué)者在SAR溢油檢測(cè)研究和相關(guān)的輔助研究方面做了大量的工作和實(shí)踐，然而，因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境的復(fù)雜性和“暗”特征的多解性，很多海洋現(xiàn)象在SAR影像上也同樣表現(xiàn)為“暗”特征，引起混淆，這類海洋現(xiàn)象統(tǒng)稱為“假目標(biāo)”，主要包括：低風(fēng)速區(qū)、背風(fēng)岬角、降雨區(qū)、海冰區(qū)、生物油膜、船舶尾跡、海洋內(nèi)波、河口沖擊區(qū)等；通常表現(xiàn)為：邊界較為模糊的大面積區(qū)域、長(zhǎng)期存在于特定地理位置區(qū)域、形狀較為固定不受天氣影響等，而海上溢油區(qū)域在SAR影像上通常表現(xiàn)為濃厚的黑色塊狀區(qū)域，邊緣明顯且平滑，而后隨著風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)和擴(kuò)散作用逐漸變薄，影像暗區(qū)域變大，邊緣逐漸模糊并出現(xiàn)細(xì)絲狀油帶（黃曉霞等，1999；劉朋，2012；李寶玉，2013）。因此基于SAR影像提取溢油的關(guān)鍵步驟是有效的提取目標(biāo)信息并最大程度的剔除假目標(biāo)信息的干擾（黃曉霞等，1999；徐青等，2011）。根據(jù)SAR傳感器極化模式的差異，以下從兩個(gè)方面（單極化和全極化）梳理和總結(jié)SAR的海上溢油檢測(cè)算法研究進(jìn)展，為今后的相關(guān)研究提供技術(shù)總結(jié)和借鑒。

2.1 基于單極化SAR影像的溢油檢測(cè)算法研究

單極化SAR是指僅具有單一極化模式（HH或VV）的SAR傳感器；針對(duì)單極化SAR溢油影像的分類和提取方面，國(guó)內(nèi)外專家提出了很多算法理論，也在實(shí)踐的過(guò)程中采用多種方法相結(jié)合的手段，以求提高處理結(jié)果的準(zhǔn)確度。單極化SAR溢油檢測(cè)的簡(jiǎn)化過(guò)程如圖1。

最為常見(jiàn)的方法是基于圖像處理的方法，主要分為圖像預(yù)處理、根據(jù)暗斑區(qū)域進(jìn)行圖像分割、特征提取等，并在研究的過(guò)程中引入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、模式識(shí)別等特定理論。

圖1 單極化SAR溢油檢測(cè)的簡(jiǎn)化流程

在圖像分割算法方面，專家學(xué)者結(jié)合不同的算子和模型進(jìn)行算法優(yōu)化，取得了許多的成果。Change等（1996）融合多尺度分割法和高斯拉普拉斯算子檢測(cè)溢油區(qū)的邊緣并提取溢油信息，提高了溢油區(qū)域邊緣的提取效果。Fiscella等（2000）基于半自動(dòng)方法檢測(cè)影像中暗斑區(qū)域，結(jié)合目視解譯對(duì)圖像進(jìn)行灰度特征分割，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溢油區(qū)域和假目標(biāo)信息的半自動(dòng)分類。Solberg等（2003）選擇移動(dòng)窗口內(nèi)平均后向散射系數(shù)減去Kdb為分割閾值，基于多尺度的金字塔方法對(duì)溢油區(qū)域進(jìn)行提取，該方法提高了閾值分割法的識(shí)別效率。Shu（2010）提出一種利用空間密度特性來(lái)區(qū)分暗斑和背景的方法，使用強(qiáng)度閾值、背景核密度估算劃分出潛在暗斑區(qū)域和潛在背景區(qū)，而后基于區(qū)域閾值和對(duì)比度閾值剔除假目標(biāo)信息進(jìn)而得到最終提取結(jié)果，該方法能夠較全面的提取溢油信息，提高了整體精度。吳一全等（2012）將Tsallis熵多閾值分割法和CV模型相結(jié)合對(duì)SAR影像溢油區(qū)域進(jìn)行分割提取，降低了CV模型對(duì)全局影像復(fù)雜度和初始條件局限造成的分割誤差，提高了運(yùn)行效率。

在特征提取算法的優(yōu)化方面，學(xué)者多采用紋理特征計(jì)算和篩選的方法進(jìn)行溢油信息提取。Solberg等（1997）結(jié)合特征選擇法和判別分析法尋找紋理特征的最佳組合，通過(guò)結(jié)合不同紋理模型的特征進(jìn)行計(jì)算進(jìn)而提高分類精度。Nirchio等（2005）利用線性回歸方程法對(duì)大量油膜和類油膜樣本的紋理特征求解，依據(jù)得出的經(jīng)驗(yàn)特征參數(shù)區(qū)分油膜和類油膜。朱宗斌等（2015）計(jì)算了SAR影像的幾何、灰度和紋理特征共66個(gè)參量，采用二進(jìn)制離散粒子群優(yōu)化和支持向量機(jī)封裝算法對(duì)參量進(jìn)行特征選擇，分別與序列前向搜索結(jié)合支持向量機(jī)優(yōu)化法、序列后向搜索結(jié)合支持向量機(jī)優(yōu)化法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明該方法能夠快速有效的對(duì)溢油特征進(jìn)行篩選和識(shí)別。

融合模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和模糊理論等特定理論的溢油檢測(cè)算法也取得了廣泛的應(yīng)用，F(xiàn)rate等（2000）首次將多層感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法用于SAR影像進(jìn)行溢油的識(shí)別和提取，取得了較好的結(jié)果，也為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在SAR溢油信息提取方向的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。Topouzelis等（2004）在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了提高和優(yōu)化，以油膜的幾何特征作輸入?yún)?shù)，提高識(shí)別溢油精度，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠有效區(qū)分油膜及類油膜的研究提供了有力證據(jù)；隨后又對(duì)前期成果的魯棒性進(jìn)行進(jìn)一步的研究。石立堅(jiān)（2008）將SAR影像和MODIS影像結(jié)合對(duì)溢油的幾何形態(tài)、紋理特征進(jìn)行分析，引入模糊識(shí)別理論，同時(shí)利用水平集算法和多尺度小波算法對(duì)影像中模糊邊緣進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和提取，建立了圖像處理和光學(xué)模型分析相結(jié)合的分析處理體系。Marghany（2015）提出一種不涉及圖像預(yù)處理的遺傳算法，可實(shí)現(xiàn)溢油擴(kuò)散邊界的局部和全局的優(yōu)化處理；同時(shí)將該算法應(yīng)用于Radasat-2影像實(shí)現(xiàn)了墨西哥灣溢油擴(kuò)散邊界的有效提取。

為了輔助SAR溢油檢測(cè)研究，一些學(xué)者也針對(duì)海上溢油檢測(cè)參數(shù)的選取進(jìn)行了分析和總結(jié)，鄒亞榮（2011）和蘇騰飛（2013）分別針對(duì)不同SAR溢油影像對(duì)海上溢油監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明：X波段和C波段更適合監(jiān)測(cè)海上溢油，VV極化方式較其他極化方式更為適合監(jiān)測(cè)海上溢油，中等入射角（23°～36°）和中低風(fēng)速（3.0～7.0 m/s）條件下適合溢油檢測(cè)更，易將海水與溢油區(qū)分；該方面研究為溢油監(jiān)測(cè)最優(yōu)化條件的選擇提供了一定的技術(shù)參考。

綜上，單極化SAR影像在區(qū)分溢油和“假目標(biāo)”信方面主要從圖像處理和模式識(shí)別等角度出發(fā)，未能結(jié)合SAR傳感器接收的多方面信息進(jìn)行研究，具有一定的局限性。而全極化SAR具有單極化SAR數(shù)據(jù)缺少的“多源”信息，能夠完成海水及油膜完整信息的采集，具有更多的優(yōu)勢(shì)和探測(cè)功能。近幾年，各國(guó)陸續(xù)發(fā)射了載有雙極化、全極化SAR傳感器的衛(wèi)星，開(kāi)啟了極化SAR的全面發(fā)展的大門(mén)，為極化SAR溢油檢測(cè)研究提供了更為廣闊的平臺(tái)。

2.2 極化SAR溢油檢測(cè)算法研究現(xiàn)狀

全極化SAR是指具有4種極化模式（HH、VV、HV和VH）的SAR傳感器，全極化SAR通過(guò)測(cè)量目標(biāo)每一個(gè)分辨單元內(nèi)的散射回波進(jìn)而獲取與目標(biāo)散射相關(guān)的矩陣，能夠完整獲取海面油膜及背景環(huán)境的物理特性進(jìn)而電磁特征，可提供能量和相位的全面信息；因此，極化SAR影像在檢測(cè)溢油信息方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。極化SAR溢油檢測(cè)算法的簡(jiǎn)化過(guò)程如圖2。

圖2 極化SAR溢油檢測(cè)的簡(jiǎn)化過(guò)程

在極化SAR溢油檢測(cè)算法方面，極化目標(biāo)分解是一個(gè)重要的方法基礎(chǔ)，專家多基于極化散射矩陣和相干矩陣衍生特征模型，在溢油和類溢油的區(qū)分及溢油檢測(cè)方面取得了很好的成果。Alpers等（1988）基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出多波段SAR有助于區(qū)分自然油膜和人為油膜。Wismann等（1998）分別利用L、S、C、X、Ku波段的4種極化模式測(cè)量不同種類礦物油品，結(jié)果表明Ku波段衰減率較L和C波段更高，而重油的衰減率與油膜厚度呈現(xiàn)遞增關(guān)系。Migliaccio等（2005）在這方面做了很多的工作，是利用極化散射相干矩陣計(jì)算特征值參量，基于極化散射熵和平均散射角的比值對(duì)影像進(jìn)行分類，結(jié)果表明極化特征值可區(qū)分重油、油醇等物質(zhì)；Migliaccio又基于相同數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)分解計(jì)算，結(jié)果顯示H、A這兩個(gè)極化特征在低風(fēng)速環(huán)境條件下能夠較好的區(qū)分背景海水和溢油區(qū)域，且以H這一參數(shù)的區(qū)分效果最為突出；隨后Migliaccio（2009）利用雙極化SAR數(shù)據(jù)的極化相位差模型區(qū)分溢油和生物油膜，模型結(jié)果表明，在低風(fēng)速條件下，溢油較海洋背景環(huán)境具有更大的極化相位差標(biāo)準(zhǔn)差值，而生物油膜的標(biāo)準(zhǔn)差值與海洋背景的標(biāo)準(zhǔn)差值相似，且C波段較L波段更具有監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)。Wang等（2010）將若干反熵參數(shù)、相關(guān)系數(shù)等進(jìn)行組合，借助參數(shù)和組合參數(shù)提取溢油信息。Nunziata等（2011）基于海表Mueller矩陣的全極化電磁模型描述溢油和生物油膜的散射，該模型構(gòu)建了油膜覆蓋海表和無(wú)油海面完全不同的散射機(jī)制，有利于區(qū)分溢油和生物油膜。Minchew等（2012）利用工作于L波段的SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行相干矩陣的分解，通過(guò)散射角、熵值和反射熵值的提取對(duì)墨西哥溢油區(qū)域的油膜極化散射特征進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了極化相干矩陣在溢油信息的特征提取和分類中的優(yōu)勢(shì)。

鄒亞榮等（2013）基于SIR-C數(shù)據(jù)提取極化參數(shù)，利用極化相干矩陣特征值計(jì)算獲得的極化散射熵H、散射角α和反熵A作為特征向量，通過(guò)比較多項(xiàng)式核函數(shù)、徑向基核函數(shù)和多層感知基核函數(shù)的分類結(jié)果后選取支持向量機(jī)多層感知基核函數(shù)分類方法提取溢油信息，結(jié)果顯示基于支持向量機(jī)的分類方法能夠更好的區(qū)分溢油和海水背景。楊帆等（2015）提出基于極化分解模型得到的Bragg散射能量占比可以有效從海雜波里檢測(cè)出溢油區(qū)域，同時(shí)能夠有效的排除油醇干擾虛警；模型結(jié)果表明：利用C波段各種極化模型下該特征能夠有效鑒別油膜和類油膜，而利用HH/ VV雙極化數(shù)據(jù)和緊縮進(jìn)化模式對(duì)大面積溢油監(jiān)測(cè)具有很好的效果。

綜上所述，目前關(guān)于極化SAR溢油檢測(cè)、溢油和疑似油膜區(qū)分的研究仍需深入；但多波段、多極化SAR數(shù)據(jù)的應(yīng)用前景卻是眾所周知的。通過(guò)極化SAR數(shù)據(jù)的處理和分析可以獲取海上油膜、背景海水和“假目標(biāo)”信息等的微波散射特性參數(shù)，是SAR對(duì)溢油信息深入研究的理論基礎(chǔ)和重要依據(jù)；其中散射系數(shù)是描述微波散射特性的重要物理量，也是進(jìn)行定量遙感研究的基礎(chǔ)（理查茲（著），邢孟道等（譯），2008；鄒亞榮，2014）；因此，基于全極化SAR海上溢油檢測(cè)研究中，除了對(duì)影像進(jìn)行極化分解等圖像處理技術(shù)外，對(duì)海水及覆蓋油膜進(jìn)行實(shí)際的微波散射測(cè)量實(shí)驗(yàn)也是至關(guān)重要的。近幾年，基于室內(nèi)、陸基微波散射計(jì)對(duì)海水及油膜微波散射特征分析和研究也逐漸發(fā)展為重要的課題，通過(guò)研究不同海況條件下波段、入射角度、極化模式與其后向散射系數(shù)的關(guān)系及變化的影響，可以更好的理解溢油的微波散射特性，為輔助極化SAR溢油檢測(cè)研究和極化SAR數(shù)據(jù)的處理提供基礎(chǔ)研究，也為日后建立溢油極化散射特性與極化參數(shù)反演的耦合關(guān)系模型提供數(shù)據(jù)源，同時(shí)為今后SAR溢油檢測(cè)參數(shù)設(shè)置、條件的選取及數(shù)據(jù)的正確處理提供指導(dǎo)性幫助。

3 溢油微波散射特性研究現(xiàn)狀

鑒于室內(nèi)、陸基等微波散射計(jì)對(duì)地物的散射特性進(jìn)行研究具有重要的意義，國(guó)外在上世紀(jì)中期開(kāi)始構(gòu)建了微波散射系統(tǒng)并開(kāi)展了地物微波散射特性的相關(guān)研究（Koo et al，1999；Hwang et al，2010；Luzi et al，2004）。我國(guó)也自20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)行地物的微波散射特性研究。

電磁波入射物體表面后能量向各個(gè)方向散開(kāi)，稱為散射；其中，散射回到入射源的能量為后向散射，為定量描述散射目標(biāo)物的散射強(qiáng)度，引入雷達(dá)截面積（RCS）定義來(lái)度量，由雷達(dá)方程（理查茲（著），邢孟道等（譯），2008；石立堅(jiān)，2008）：

其中，Pr和Pt分別為接收天線輸出功率和發(fā)射機(jī)饋給發(fā)射天線的功率；G為天線增益；R為天線到目標(biāo)的有效距離；σ為雷達(dá)散射截面，由目標(biāo)物質(zhì)的外形、電磁特性等參數(shù)決定，是一個(gè)標(biāo)量，表示為：

以上表達(dá)也通常轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)幅度表示形式，即：

其中，|Es|和|Et|分別代表了后向散射電場(chǎng)和入射電場(chǎng)的幅度。在研究地物微波散射特性時(shí)，引入了微波散射系數(shù)，其定義為單位面積下被照射區(qū)的雷達(dá)散射截面，通常，微波散射系數(shù)以對(duì)數(shù)形式存在參與計(jì)算；以上定義的RCS為單獨(dú)的實(shí)標(biāo)量，主要應(yīng)用于發(fā)射波為單極化情況（理查茲（著），邢孟道等（譯），2008）。

當(dāng)入射到散射物的波為特定極化模式時(shí)，散射波特性由入射波源的極化狀態(tài)、散射體極化特征等決定；常見(jiàn)的極化包括：線極化和圓極化，為了能夠完整描述入射波和散射物之間的相互作用，引入極化散射矩陣的定義。當(dāng)發(fā)射源和接受源與散射目標(biāo)物間的距離足夠遠(yuǎn)，能夠使得入射到目標(biāo)的入射波和接收源的散射波近似為平面波，極化散射矩陣表示為（理查茲（著），邢孟道等（譯），2008；Holm，1987；knott，1985）：

則RCS與散射矩陣S的關(guān)系可表示為：

綜上，基于微波散射系數(shù)用來(lái)研究被照射區(qū)域的性質(zhì)，是目前微波遙感研究的主要參數(shù)，也是目前學(xué)者對(duì)目標(biāo)地物進(jìn)行研究和分析的主要內(nèi)容；Pelyushenko等（1995）基于微波測(cè)量裝備對(duì)水面油膜進(jìn)行了W、Ka、Ku 3個(gè)波段的室內(nèi)模擬和室外測(cè)量，為后期的模型改進(jìn)和溢油識(shí)別提供了指導(dǎo)性建議。Salberg（2012）等開(kāi)展了植物油、原油等不同油種的海上油膜實(shí)驗(yàn)，同時(shí)利用同步的Radarsat-2數(shù)據(jù)進(jìn)行溢油信息提取，但是沒(méi)有結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步研究。Yang（2013）等提出基于模型微波散射模型和Monte-Carlo模型新的數(shù)值計(jì)算技術(shù)，分析了不同粗糙表面、頻率、入射角度等條件下溢油對(duì)海表的后向散射系數(shù)的降低程度?？凳糠宓龋?000）基于波譜計(jì)對(duì)青島海域海雜波進(jìn)行多波段（S、C、X、Ku）、多極化測(cè)量，分析不同海況下散射系數(shù)和多普勒譜等與極化模式、入射角度、頻率之間的變化。成都電子科技大學(xué)（童玲，2014）基于室內(nèi)微波散射測(cè)量系統(tǒng)對(duì)不同極化模式、入射角度下水面和溢油水面的散射特性進(jìn)行研究，并總結(jié)出相應(yīng)的變化趨勢(shì)。這些數(shù)據(jù)和研究成果為今后溢油散射特征譜的建立提供了寶貴的數(shù)據(jù)，也為今后建立更多的散射模型、反演相關(guān)參數(shù)以及SAR圖像海上溢油信息提取的研究工作奠定了基礎(chǔ)。近幾年，專家學(xué)者逐漸關(guān)注室內(nèi)微波散射特性的研究，以期為微波遙感溢油監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)性研究數(shù)據(jù)，也為今后SAR傳感器的設(shè)計(jì)提供合理化的建議。

4 目前研究的不足

4.1 溢油圖像處理技術(shù)的精度和效率有待提高

目前溢油檢測(cè)的研究多集中于影像的分析、分割與分類等圖像處理方面，并未從溢油的特征和散射機(jī)理進(jìn)行深入研究，加之SAR影像中“暗”特征區(qū)域的復(fù)雜性和不確定性，使得溢油與類溢油的區(qū)分的精度較低、難度加大。因此，如何將溢油信息快速準(zhǔn)確的提取仍然是今后的一個(gè)難攻課題。

4.2 極化SAR溢油檢測(cè)算法種類和特征參數(shù)尚需拓展

全極化SAR影像包含了較為完整的溢油散射特征信息，能夠有效區(qū)分礦物溢油和生物油膜，但是未對(duì)其他疑似溢油現(xiàn)象的區(qū)分進(jìn)行研究；此外，目前極化目標(biāo)分解的矩陣模型和特征參量研究仍需深入，因此，基于極化SAR區(qū)分溢油和不同種類疑似溢油的算法研究和算法精度仍然有待提高，溢油極化分解模型和極化特征參量仍需不斷的充實(shí)，這也是今后研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

4.3 極化參數(shù)和溢油微波散射特性研究的結(jié)合仍需深入

基于多波段、全極化、多種海況下的溢油微波散射特性研究能夠更好的了解和掌握溢油的微波散射機(jī)制，是構(gòu)建溢油散射特征數(shù)據(jù)庫(kù)的根本保障，為今后極化參數(shù)的反演和SAR溢油信息提取提供可靠的數(shù)據(jù)。因此，開(kāi)展溢油微波散射特性的相關(guān)研究，加強(qiáng)油微波散射模型的理論研究，將極化參數(shù)提取和溢油微波散射特性研究相結(jié)合深入分析海表和油膜的散射特性，是今后研究中的一個(gè)重要且具有廣泛前景的難題和方向。

4.4 溢油微波散射模型的理論研究仍需深入

溢油微波散射模型的研究是掌握溢油微波散射特性的理論基礎(chǔ)，對(duì)SAR影像溢油信息的識(shí)別和提取具有重要的作用和意義，而目前有關(guān)溢油微波散射模型的研究仍需完善，因此需在今后的研究中加強(qiáng)溢油微波散射模型的理論性探索，同時(shí)利用室內(nèi)、陸基等微波散射測(cè)量裝置在多種海況下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)完善和修正散射模型，進(jìn)而提高模型的精確度和適用性。

5 結(jié)論與展望

目前，海上石油開(kāi)采和船舶運(yùn)輸造成的溢油事故頻繁發(fā)生，如何在短時(shí)間內(nèi)識(shí)別溢油并快速的檢測(cè)其范圍、擴(kuò)散趨勢(shì)是減緩環(huán)境災(zāi)害影響的首要工作，星載SAR具有監(jiān)測(cè)范圍廣、溢油識(shí)別能力強(qiáng)、不受惡劣天氣影響等優(yōu)勢(shì)，是目前國(guó)際上公認(rèn)的溢油探測(cè)工作的有效工具。國(guó)內(nèi)外針對(duì)SAR溢油檢測(cè)研究已經(jīng)逐漸完善，許多國(guó)家也在溢油檢測(cè)研究中投入很大的精力和財(cái)力，開(kāi)展了大量星載、機(jī)載和散射特性實(shí)測(cè)研究；目前，基于SAR溢油檢測(cè)和信息提取的研究仍在不斷地完善和提高，單極化數(shù)據(jù)逐漸向全極化數(shù)據(jù)發(fā)展，極化SAR數(shù)據(jù)在溢油的檢測(cè)識(shí)別方面具有突出的能力，提供豐富的地物信息的同時(shí)提高了溢油檢測(cè)的精度，利用極化SAR數(shù)據(jù)提取極化參數(shù)對(duì)今后溢油識(shí)別和信息提取的研究發(fā)揮重要的作用，但是全極化數(shù)據(jù)的觀測(cè)范圍相對(duì)較小，不適用于大范圍的業(yè)務(wù)化工作；若將圖像處理、極化參數(shù)提取和溢油散射特征分析等技術(shù)相結(jié)合能夠更好進(jìn)行溢油檢測(cè)工作，隨著新型高分辨率SAR衛(wèi)星和極化SAR衛(wèi)星的成功發(fā)射和應(yīng)用，雷達(dá)遙感進(jìn)入了全面發(fā)展階段，高分辨率SAR影像數(shù)據(jù)和極化SAR數(shù)據(jù)可以提供更多的地物探測(cè)信息，為溢油遙感監(jiān)測(cè)研究帶來(lái)了全新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

總而言之，有關(guān)SAR溢油檢測(cè)理論和溢油微波散射特性研究仍然面對(duì)著諸多挑戰(zhàn)，需要開(kāi)展更多的工作和研究，基于星載SAR的溢油監(jiān)測(cè)研究在極化數(shù)據(jù)處理、溢油信息提取、油膜的微波散射模型理論研究、微波散射特性分析等方面仍然需要更深層面的研究和技術(shù)挖掘，但是隨著技術(shù)的不斷成熟，微波遙感溢油檢測(cè)技術(shù)，尤其星載SAR溢油檢測(cè)技術(shù)將在海樣溢油檢測(cè)、溢油災(zāi)害應(yīng)急和事故后期清理等方面得到更為廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。

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3.加快“三權(quán)”分置改革。“三權(quán)”分置是我國(guó)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略穩(wěn)步推進(jìn)的實(shí)踐需要，也是我國(guó)農(nóng)村繼家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制改革后又一重大制度創(chuàng)新，被視為新的農(nóng)村土地革命。繼續(xù)完善承包地的“三權(quán)”(所有權(quán)、承包權(quán)、經(jīng)營(yíng)權(quán))分置制度和宅基地的“三權(quán)”(所有權(quán)、資格權(quán)、使用權(quán))分置制度改革，鑒定清楚所有權(quán)者、承包權(quán)者、經(jīng)營(yíng)權(quán)者各自的權(quán)利邊界及責(zé)權(quán)利的匹配關(guān)系，積極探索集體所有權(quán)的實(shí)現(xiàn)與傳承方式，探討承包權(quán)退出與補(bǔ)償機(jī)制，進(jìn)一步明晰所有權(quán)、穩(wěn)定承包權(quán)(資格權(quán))、放活經(jīng)營(yíng)權(quán)(使用權(quán))、強(qiáng)化監(jiān)管權(quán)，有效推進(jìn)農(nóng)地產(chǎn)權(quán)制度改革，催化城鄉(xiāng)融合發(fā)展活力。

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鄒亞榮，梁超，曾韜，2013.基于極化參數(shù)的SVM海上溢油識(shí)別.海洋學(xué)研究,31（3）：71-75.

鄒亞榮，鄒斌，梁超，2014．應(yīng)用極化合成孔徑雷達(dá)檢測(cè)海上溢油研究進(jìn)展．海洋學(xué)報(bào)，36（9）：1-6

（本文編輯：袁澤軼）

Research progress of oil spill detection based on the spaceborne SAR

LI Ying1,2,LI Guan-nan1,2,CUI Can1,2

(1.Navigation College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China;2.Environmental Information Institute, Dalian Maritime University,Dalian 116026)

Based on a large number of the literature review and summarizing relevant spaceborne SAR oil spill detection researches and microwave scattering characteristics researches of oil spill,this paper reviews the development process of the spaceborne SAR sensor and the principle of the detection technology of oil spill,and summarizes the research progress of oil spill information extraction based on the single polarized SAR data,the polarization SAR data at home and abroad,and it also outlines the important supporting role of microwave scattering characteristics research of oil spill on the study of SAR oil spill detection and the current research results,and moreover it respectively discusses the insufficiency of the spaceborne SAR oil spill detection and microwave scattering characteristics of oil spill in research,and finally it analyzes the key technology issue that need to solve in the future and its development direction.

SAR;oil spill detection;microwave scattering characteristics;information extraction

TP7

A

1001－6932（2016）03－0241－09

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.03.001

2016-01-17；

2016-03-24

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201305002）；國(guó)家自然科學(xué)基金（41571336））。

李穎（1968-），博士，教授，主要從事海洋溢油遙感檢測(cè)研究，電子郵箱：yldmu@126.com。