孫樂成 周青 王娟

摘要：海洋溢油作為當(dāng)今海洋污染最嚴(yán)重的問題之一，早已引起我國(guó)政府及各相關(guān)職能機(jī)構(gòu)的高度重視。多年來，國(guó)內(nèi)外都在積極探索研究溢油污染精細(xì)探測(cè)方法，遙感溢油探測(cè)技術(shù)是其中的研究熱點(diǎn)之一。文章從海面油、沉潛油兩種溢油類型總結(jié)了國(guó)內(nèi)外遙感溢油探測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀及面臨的主要問題。海面油的技術(shù)發(fā)展較全面，但仍受多項(xiàng)技術(shù)困難制約;沉潛油的探測(cè)已列入重點(diǎn)計(jì)劃，但離業(yè)務(wù)化應(yīng)用仍有較大差距;并就未來在海洋溢油遙感探測(cè)技術(shù)方面的發(fā)展趨勢(shì)作出了展望。

關(guān)鍵詞：海洋生態(tài)文明建設(shè);溢油;遙感;現(xiàn)狀;預(yù)見

中圖分類號(hào)：P76文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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，F(xiàn)orecast

1背景

黨的十八大以來，以習(xí)近平同志為核心的黨中央高度重視生態(tài)文明建設(shè)，提出了一系列關(guān)于生態(tài)文明建設(shè)的新理念新思想新戰(zhàn)略，黨的十九大更是明確要求加大生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)力度。

海洋生態(tài)文明建設(shè)作為國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，根本目標(biāo)是建設(shè)美麗海洋。而我國(guó)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(dāng)今全球海洋污染最嚴(yán)重的問題之一，早已引起我國(guó)政府及各相關(guān)職能機(jī)構(gòu)的高度重視。

海洋溢油往往會(huì)造成大面積海面石油污染，不僅使海洋立體生態(tài)系統(tǒng)遭受重大損害，同時(shí)也會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至嚴(yán)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(tài)損害價(jià)值總計(jì)1683億元[1]。

多年來，國(guó)內(nèi)外都在積極探索研究溢油污染精細(xì)探測(cè)方法，為溢油風(fēng)險(xiǎn)巡視、溢油污染監(jiān)視監(jiān)測(cè)預(yù)警及應(yīng)急處置、溢油生態(tài)損害評(píng)估及修復(fù)提供技術(shù)支持。遙感溢油探測(cè)技術(shù)是其中的研究熱點(diǎn)之一。

2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

海洋溢油根據(jù)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(cè)技術(shù)

目前，可用于海面溢油遙感探測(cè)的技術(shù)發(fā)展比較完善，主要以航空遙感平臺(tái)、衛(wèi)星遙感平臺(tái)、船載?；痘b感平臺(tái)搭載不同類型的傳感器實(shí)現(xiàn)海面油膜的多元探測(cè)。

211遙感平臺(tái)

航空遙感：航空遙感由于具有反應(yīng)快、靈活機(jī)動(dòng)、高分辨率、高時(shí)效、影像實(shí)時(shí)傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)，是目前溢油事故監(jiān)測(cè)工作中使用最多且最有效的技術(shù)手段[2]。

衛(wèi)星遙感：與航空遙感相比，衛(wèi)星遙感具有監(jiān)測(cè)范圍大、成本低、不受危險(xiǎn)區(qū)域影響、圖形資料易于處理和解譯的特點(diǎn)，是現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的溢油遙感探測(cè)手段[3]。

船載?；痘b感：通過岸基?；b感平臺(tái)搭載視頻、雷達(dá)等傳感器，可針對(duì)溢油高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)實(shí)現(xiàn)有效的定點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)，是航空遙感、衛(wèi)星遙感溢油探測(cè)的重要技術(shù)補(bǔ)充。

212遙感傳感器

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

微波傳感器有雷達(dá)傳感器和微波輻射計(jì)。

①雷達(dá)傳感器是一種目前使用廣泛的海洋溢油探測(cè)傳感器[4]。

利用星載或機(jī)載合成孔徑雷達(dá)（SAR）進(jìn)行海洋溢油探測(cè)是目前國(guó)際上較為常用的監(jiān)測(cè)手段。

機(jī)載SAR的使用更加普及，目前擁有機(jī)載SAR溢油觀測(cè)能力的國(guó)家有中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、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(dá)、視頻監(jiān)控為主的船載海基岸基雷達(dá)溢油在線監(jiān)控系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外交通海事、環(huán)境保護(hù)和油氣勘探等行業(yè)的溢油監(jiān)視監(jiān)測(cè)中已得到廣泛應(yīng)用。

②微波輻射計(jì)是一種具有應(yīng)用潛力的全天候溢油探測(cè)器，但目前國(guó)際上對(duì)該領(lǐng)域的研究相當(dāng)薄弱。瑞士空間局已經(jīng)研制了包括雙波段（224 GHz和31 GHz）以及單波段（37 GHz）的輻射計(jì)傳感器，但Mussetto等[9]的研究表明，信號(hào)與海面油層厚度呈弱相關(guān)，除油層厚度外，其他因素也可以影響信號(hào)的強(qiáng)度。目前人們正在研究在兩個(gè)正交極化方向上測(cè)量極化對(duì)比強(qiáng)度，以測(cè)量油層厚度的新方法。

光學(xué)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(cè)主要借助高空間分辨率的可見光影像進(jìn)行溢油區(qū)域的識(shí)別。國(guó)際上知名度較高的QuickBird、IKONOS、WordView、GeoEye、SPOT系列、GF系列衛(wèi)星等都搭載有高分辨率的可見光傳感器，航空遙感平臺(tái)也都搭有高清光學(xué)相機(jī)，這些都可用于海面溢油的探測(cè)。

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(cè)。由于這個(gè)局限，使得紅外傳感器用于海面溢油探測(cè)難以得到有效使用[10]。

③紫外傳感器可以對(duì)甚薄油層進(jìn)行探測(cè)，因?yàn)榧词故巧醣∮蛯右矔?huì)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(cè)更好的效果。

④高光譜成像光譜儀（HRS）能夠獲得連續(xù)波段信息，它以其“圖、譜”合一的優(yōu)勢(shì)在溢油探測(cè)中潛力巨大，應(yīng)用前景廣闊[11-12]，而且高光譜遙感從機(jī)理角度能夠識(shí)別油膜組分[13]?；旌瞎庾V分解技術(shù)[13]、純凈像元指數(shù)（PPI）、光譜角度制圖法（SAM）、混合調(diào)制匹配濾波（MTMF）[14]等方法已應(yīng)用于海面溢油信息提取。

激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)器（LIF）是一種新興的機(jī)載傳感器，用于海上溢油探測(cè)具有諸多優(yōu)勢(shì)，但尚不能星載。激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)是目前唯一能區(qū)分海藻和油污染、監(jiān)測(cè)岸灘溢油、監(jiān)測(cè)海冰和雪中石油污染的遙感手段[15]。

美國(guó)國(guó)土安全部海岸護(hù)衛(wèi)隊(duì)目前正在支持開發(fā)航空激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)儀，該儀器的最新型號(hào)已由歐共體（EC）研制完成。中國(guó)海洋大學(xué)的趙朝方等針對(duì)激光誘導(dǎo)熒光海洋溢油探測(cè)軟硬件系統(tǒng)研制方面開展了研究[16];大連海事大學(xué)的安居白、李穎團(tuán)隊(duì)對(duì)溢油種類識(shí)別、機(jī)載激光誘導(dǎo)熒光海上溢油信息提取與反演開展了研究[17-18]。

激光-聲學(xué)傳感器。

激光-聲學(xué)技術(shù)是一種很有發(fā)展前景的技術(shù)。目前正在研發(fā)的激光-聲學(xué)儀器是唯一可以探測(cè)油膜絕對(duì)厚度的遙感探測(cè)器，是一種十分可靠并具有發(fā)展前景的技術(shù)。該技術(shù)目前正由加拿大皇家石油公司、加拿大環(huán)境署和美國(guó)礦產(chǎn)管理局等單位聯(lián)合開發(fā)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果證明該種方法是完全可行的，目前正在進(jìn)行業(yè)務(wù)化可行性試驗(yàn)。

22沉潛油遙感探測(cè)技術(shù)

目前國(guó)際上對(duì)沉潛油的探測(cè)技術(shù)主要包括聲學(xué)探測(cè)、光學(xué)探測(cè)、物理吸附和原位監(jiān)測(cè)。USCG 通過試驗(yàn)擇優(yōu)選取了熒光偏振和多波束聲吶進(jìn)行設(shè)備開發(fā)應(yīng)用。MT Athos 1 事故成功采用了物理吸附方法進(jìn)行沉潛油探測(cè)和跟蹤;墨西哥灣溢油事故中利用裝有聲學(xué)多普勒海流剖面儀和聲吶的水下機(jī)器人對(duì)海底溢油進(jìn)行探測(cè);DBL152 事故采用側(cè)掃聲吶、ROV、水下攝像機(jī)或和潛水員、VSORS、捕捉器等多種技術(shù)聯(lián)合探測(cè)水體和海底的溢油。

我國(guó)沉潛油的研究起步較晚，國(guó)家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)和ROV 等多種手段，驗(yàn)證了溢油在水體中的沉潛行為和垂直分布規(guī)律，采用剖面成像（SPI）、側(cè)掃聲吶、多波束聲吶、原位采樣等技術(shù)對(duì)溢油現(xiàn)場(chǎng)的沉底油進(jìn)行了探測(cè)，發(fā)現(xiàn)了底層海水含油量遠(yuǎn)高于表層的現(xiàn)象。2016年，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目海洋環(huán)境安全保障專項(xiàng)中，支持了海洋交通已有監(jiān)測(cè)預(yù)警與防控技術(shù)研究及應(yīng)用項(xiàng)目，沉潛油的探測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用是其中一個(gè)重要研究方向。

3目前面臨的主要問題

31海面油的技術(shù)發(fā)展較全面，但仍受多項(xiàng)技術(shù)困難制約

目前用于海面油膜探測(cè)的技術(shù)發(fā)展較快，主要以航空遙感、衛(wèi)星遙感、船載岸基?；走_(dá)等手段探測(cè)油膜，但仍受多項(xiàng)技術(shù)困難的制約。

311遙感平臺(tái)

航空遙感主要借助有人機(jī)實(shí)現(xiàn)，費(fèi)用高，且由于人員的介入導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)性大大提高，難以抵近溢油高危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行有效探測(cè)，加上續(xù)航能力及夜航能力的限制，使得航空遙感探測(cè)溢油只能在有限的場(chǎng)景下開展。

衛(wèi)星遙感最大的受限因素是時(shí)間分辨率、空間分辨率的兩極矛盾。要么衛(wèi)星重訪能力差，難以開展連續(xù)性觀測(cè);可開展連續(xù)觀測(cè)的衛(wèi)星往往空間分辨率不足。這種矛盾制約了衛(wèi)星遙感平臺(tái)的溢油遙感探測(cè)技術(shù)的進(jìn)展。

船載岸基?；走_(dá)可實(shí)時(shí)在線探測(cè)溢油，但觀測(cè)范圍有限，海洋溢油的突發(fā)性和不確定性導(dǎo)致采用此類技術(shù)的使用只能針對(duì)預(yù)先評(píng)估的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行，難以形成連續(xù)大面積覆蓋的溢油遙感探測(cè)能力。

312遙感傳感器

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

紅外傳感器由于中等厚度油的“冷”特性，在大多數(shù)情況下無法對(duì)乳化溢油進(jìn)行探測(cè)。

紫外傳感器易由外界環(huán)境因素（太陽耀斑、海表亮斑、生物物質(zhì)）的干擾而產(chǎn)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(xì)化溢油遙感探測(cè)的要求。

激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)器和激光-聲學(xué)探測(cè)器是目前唯一能夠區(qū)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(fā)階段，難以投入實(shí)際應(yīng)用。

313其他

目前已經(jīng)推廣使用的多項(xiàng)溢油遙感探測(cè)技術(shù)只能提供溢油面積及分布，都難以準(zhǔn)確測(cè)定油膜厚度，導(dǎo)致溢油量的準(zhǔn)確估算難以實(shí)現(xiàn)[19-25]。

32沉潛油的探測(cè)已列入重點(diǎn)計(jì)劃，但離業(yè)務(wù)化應(yīng)用仍有較大差距

2016年，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目海洋環(huán)境安全保障專項(xiàng)中，支持的海洋交通已有監(jiān)測(cè)預(yù)警與防控技術(shù)研究及應(yīng)用項(xiàng)目將對(duì)沉潛油的探測(cè)技術(shù)做重點(diǎn)研究并開展應(yīng)用示范，將分別建立沉潛油多波束、成像聲吶等聲學(xué)探測(cè)技術(shù)和多通道全波形激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，形成一套沉潛油的探測(cè)技術(shù)和裝備體系，但離業(yè)務(wù)化應(yīng)用仍有較大差距。

4未來主要技術(shù)預(yù)見

41海面油遙感探測(cè)技術(shù)

411遙感平臺(tái)

無人機(jī)海洋溢油遙感探測(cè)技術(shù)將得到大力推廣使用。中空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)搭配中近程無人機(jī)和超近程旋翼無人機(jī)的聯(lián)合觀測(cè)，在搭載了高清的光電平臺(tái)、機(jī)載SAR等傳感器后，具有起飛靈活、探測(cè)范圍廣、夜視及續(xù)航能力強(qiáng)、可抵近或飛入溢油高危險(xiǎn)區(qū)、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)，可有效克服現(xiàn)有有人機(jī)航空平臺(tái)和衛(wèi)星平臺(tái)的不足，將在海洋溢油遙感探測(cè)中發(fā)揮巨大作用。

我國(guó)海洋衛(wèi)星與衛(wèi)星海洋發(fā)展規(guī)劃支持的新一代海洋衛(wèi)星將會(huì)使我國(guó)海洋溢油遙感探測(cè)具備系列化、業(yè)務(wù)化和定量化的海洋衛(wèi)星觀測(cè)體系，新一代海洋衛(wèi)星系列搭載的中分辨率光譜儀、微波輻射計(jì)、C波段合成孔徑雷達(dá)（SAR）等，它們的投入，加上已經(jīng)在軌運(yùn)行的GF1號(hào)、GF2號(hào)高分辨率光學(xué)衛(wèi)星和GF3號(hào)1 m分辨率SAR衛(wèi)星，將極大提高我國(guó)海洋溢油遙感探測(cè)能力，助力我國(guó)海洋溢油遙感業(yè)務(wù)化應(yīng)用進(jìn)入一個(gè)質(zhì)的飛躍。

船載岸基?；?X波段雷達(dá)在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)將實(shí)現(xiàn)我國(guó)管轄海域溢油高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的大面積覆蓋，極大提升我國(guó)海洋溢油在線監(jiān)測(cè)能力。

412遙感傳感器

基于SAR的溢油遙感探測(cè)技術(shù)將繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位，高分辨率光學(xué)遙感、高光譜遙感與紅外遙感在海洋溢油探測(cè)中也將發(fā)揮重要作用。

根據(jù)目前的研究進(jìn)度，到2030年，海洋溢油激光類傳感器有望實(shí)現(xiàn)從樣機(jī)到少量產(chǎn)品機(jī)的生產(chǎn)，激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)器和激光聲學(xué)傳感器作為目前唯一能夠區(qū)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(huì)使溢油遙感定量觀測(cè)成為可能。

413技術(shù)方法

不同遙感平臺(tái)、傳感器均有各自的優(yōu)劣，多源遙感平臺(tái)及傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)實(shí)時(shí)接收及融合[26]，并與地理信息技術(shù)、定量反演技術(shù)相結(jié)合，建立數(shù)據(jù)綜合處理與分析預(yù)測(cè)的應(yīng)急反應(yīng)集成系統(tǒng)將是大勢(shì)所趨，我國(guó)自主海洋衛(wèi)星的發(fā)射升空及無人機(jī)等新監(jiān)測(cè)平臺(tái)的投入使用，將使此類集成系統(tǒng)演變?yōu)闃I(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)，供涉海部門使用。

42沉潛油遙感探測(cè)技術(shù)

在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，沉潛油多波束、成像聲吶等聲學(xué)探測(cè)技術(shù)和多通道全波形激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)將會(huì)獲得突破，我國(guó)初步的沉潛油遙感探測(cè)能力將會(huì)形成，并將在我國(guó)北海海區(qū)率先投入業(yè)務(wù)化示范應(yīng)用。

5結(jié)論

海洋溢油全方位觀測(cè)技術(shù)包括揮發(fā)油探測(cè)、海面油膜探測(cè)、沉潛油探測(cè)。目前用于海面油膜探測(cè)的技術(shù)發(fā)展較快，主要以航空遙感、衛(wèi)星遙感和地基雷達(dá)等手段探測(cè)油膜，但是各種技術(shù)都存在缺陷，難以有效排除干擾，難以準(zhǔn)確測(cè)定油膜厚度;海底溢油及沉潛油混合了雜質(zhì)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(zhì)表面，目前缺乏有效的水下溢油探測(cè)手段。水體中油含量的測(cè)定靈敏度較低，精度不夠。國(guó)內(nèi)外正在研究的激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)器、高光譜成像儀、激光聲學(xué)探測(cè)器等技術(shù)的發(fā)展有望解決海面油膜探測(cè)、海底油污探測(cè)及水中油含量測(cè)定的技術(shù)問題。

預(yù)計(jì)2030年，我國(guó)全自主海洋溢油遙感立體觀測(cè)體系將全面形成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋溢油的全方位探測(cè)，多源傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收、處理和自動(dòng)化分析的綜合信息系統(tǒng)將投入業(yè)務(wù)化使用，為及時(shí)有效地應(yīng)對(duì)海洋溢油污染提供技術(shù)支持。

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