孫建明，王仁強(qiáng)，劉昌華

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航海技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211170)

0 引言

石油開(kāi)采平臺(tái)的故障、運(yùn)輸船舶的碰撞、裝卸過(guò)程中的失誤都可能導(dǎo)致海上溢油的發(fā)生。一旦發(fā)生溢油，石油在海浪和海風(fēng)的作用下快速擴(kuò)散，不僅會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)以及近海岸的自然環(huán)境產(chǎn)生毀滅性的傷害。海面溢油無(wú)法預(yù)測(cè)，一旦發(fā)生溢油事件，有關(guān)部門需要在短時(shí)間內(nèi)獲取事故發(fā)生地的相關(guān)信息，這樣才能采取有效措施，在最大程度上降低對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的影響，因此，對(duì)海面進(jìn)行全天時(shí)、全天候的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。

海面溢油監(jiān)測(cè)主要分為近距離監(jiān)測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)。近距離監(jiān)測(cè)方法包括固定式監(jiān)測(cè)、海上浮標(biāo)跟蹤以及利用船舶搭載監(jiān)測(cè)設(shè)備，這幾種方法適用于比較靠近港口、碼頭的范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)范圍較小，無(wú)法滿足大面積溢油監(jiān)測(cè)的需求。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，利用航空器搭載傳感器對(duì)大面積海域進(jìn)行監(jiān)測(cè)的遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)是目前采用的主流方法，本文基于合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar，SAR），建立海面溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)工作原理和監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行研究。

1 合成孔徑雷達(dá)及工作原理

如果雷達(dá)的天線在某一位置固定不動(dòng)，只能收集從地面或海面反射回來(lái)的一部分信號(hào)。反之，如果天線一直處于移動(dòng)狀態(tài)，就能夠收集從地面或海面后向散射到各個(gè)方向的電磁波信號(hào)，獲得的信息量就會(huì)大大增加。根據(jù)這個(gè)原理，如果使一個(gè)小天線連續(xù)移動(dòng)，就可以得到一個(gè)虛擬的大孔徑天線，從而獲得與實(shí)際大孔徑天線同樣的效果[1]，這就是合成孔徑雷達(dá)（SAR）。

SAR 的工作原理如圖1 所示，天線沿垂直于平臺(tái)的方向進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)，并對(duì)斜下方的目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)。在此過(guò)程中，每隔一段時(shí)間，SAR 會(huì)向地面或海面發(fā)射脈沖信號(hào)，并在不同的位置接收、記錄、存儲(chǔ)目標(biāo)返回的信號(hào)（包括回波信號(hào)的強(qiáng)度和時(shí)間延遲），再對(duì)這些不同位置上接收到的信號(hào)進(jìn)行合成處理，生成SAR 數(shù)據(jù)[2]。

圖1 SAR 的工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of SAR working principle

SAR 以速度va沿X方向進(jìn)行勻速直線飛行，飛行高度為h。θr表示垂直波束角，θα為航向波束角，W為測(cè)繪帶寬，Lmax和Lmin分別表示最大合成孔徑長(zhǎng)度和最小合成孔徑長(zhǎng)度。被測(cè)目標(biāo)可以視為一理想點(diǎn)p，R0為p與航線X間的垂直斜距。

假設(shè)SAR 在t=0時(shí)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，在某一時(shí)刻t，位置為xa=vat，點(diǎn)目標(biāo)p此時(shí)的坐標(biāo)為這個(gè)坐標(biāo)固定不變，根據(jù)勾股定理可以得到在t時(shí)刻，p與雷達(dá)之間的斜距R為：

由于目標(biāo)的距離與天線橫向移動(dòng)的距離的比值較大，運(yùn)用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)近似可以得到

測(cè)繪帶寬可以根據(jù)以下公式計(jì)算：

其中，Rf為遠(yuǎn)距點(diǎn)距離，Rn為近距點(diǎn)距離。

距離分辨率 δy由脈沖持續(xù)時(shí)間 τ或者等價(jià)的脈沖寬度去確定，θ為入射角，τ為脈沖持續(xù)時(shí)間，c為電磁波傳播速度，cτ=?r為雷達(dá)的脈沖寬度，對(duì)于真實(shí)孔徑雷達(dá)和合成孔徑雷達(dá)來(lái)說(shuō)，兩者的距離分辨率一樣。

作為一種主動(dòng)式微波傳感器，合成孔徑雷達(dá)不受光照和氣候條件的限制，能夠全天候工作，甚至可以透過(guò)地表或植被獲取信息，因此，合成孔徑雷達(dá)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于地形測(cè)繪與地質(zhì)研究、農(nóng)業(yè)和林業(yè)、軍事、減災(zāi)防災(zāi)、海洋研究和監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

2 海面溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文基于星載SAR 構(gòu)建一種海面溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。整個(gè)溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由雷達(dá)信號(hào)處理、圖像處理、目標(biāo)解譯3 個(gè)模塊組成。雷達(dá)信號(hào)處理模塊主要是對(duì)雷達(dá)反射的回波信號(hào)進(jìn)行處理，輸出原始SAR 圖像；圖像處理模塊對(duì)輸入的SAR 圖像進(jìn)行校正、濾波、去噪、特征提取等一系列處理，得到目標(biāo)區(qū)域圖像，便于后續(xù)的處理。

圖2 基于SAR 的海面溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of oil spill monitoring system based on SAR

目標(biāo)解譯模塊針對(duì)處理后的圖像進(jìn)行信息提取，這個(gè)過(guò)程不僅要對(duì)圖像本身進(jìn)行解譯，還需要結(jié)合溢油發(fā)生地點(diǎn)的相關(guān)海岸信息以及當(dāng)時(shí)的海況信息，同時(shí)還需人工輔助對(duì)圖像進(jìn)行解譯，從而得到溢油信息。

溢油信息包括溢油點(diǎn)位置、油膜面積大小、油膜厚度、油膜離岸線的距離等，用戶根據(jù)這些信息，結(jié)合當(dāng)時(shí)海面情況（海浪、風(fēng)速等）及時(shí)作出有效處理措施，并對(duì)油斑的擴(kuò)散進(jìn)行預(yù)測(cè)，為事件后續(xù)處理提供有效的、準(zhǔn)確的處理依據(jù)。

2.2 油膜成像原理

根據(jù)上述SAR 的工作原理可知，目標(biāo)返回的信號(hào)是一種后向散射信號(hào)，SAR 是以接收這種信號(hào)作為觀測(cè)依據(jù)的，而信號(hào)的強(qiáng)弱主要受到海面的粗糙度影響。由于海水表面毛細(xì)波的存在增加了海面的粗糙度，使得雷達(dá)回波信號(hào)較強(qiáng)，相應(yīng)的海面區(qū)域在SAR 圖像上就會(huì)表現(xiàn)出亮色特征[3]。

如圖3 所示，當(dāng)溢油事故發(fā)生后，油膜覆蓋了海水表面，海水的表面張力發(fā)生改變，對(duì)產(chǎn)生的Bragg散射（Bragg scattering）的海面毛細(xì)波和短重力波起阻尼作用，使得海面粗糙度變小，后向散射回波減小，信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)?。在SAR 圖像上呈現(xiàn)出來(lái)時(shí)，油膜的圖像亮度低于周圍海面的亮度，被油膜覆蓋的海面在SAR 圖像上表現(xiàn)為暗色斑塊[2,3]。

圖3 油膜成像原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of oil film imaging principle

2.3 圖像處理方法

常用的噪聲濾波算法包括Lee濾波、改進(jìn)的Lee 濾波、增強(qiáng)的Lee 濾波、Frost 濾波、增強(qiáng)的Frost 濾波、Gamma 濾波等。每種濾波方法的特點(diǎn)不一樣，本文利用平滑指數(shù)SI（）來(lái)判斷各個(gè)濾波器的效果，MEAN 為由分布目標(biāo)回波所形成的均質(zhì)區(qū)域的像元灰度均值，STD 為標(biāo)準(zhǔn)差，SI 值越大，表示平滑效果越好[4]。幾種濾波方法的SI 對(duì)比效果如圖4 所示。

圖4 各濾波器平滑指數(shù)SI 對(duì)比Fig.4 Comparison of filter smoothness index SI

可以看出，Enhanced Lee 和Gamma 在窗口大小情況相同的條件下，平滑指數(shù)很接近，比其他濾波器有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，這2 種濾波器均可以用于溢油監(jiān)測(cè)中的斑點(diǎn)濾波，本文選擇Gamma 濾波。

為了辨別、區(qū)分圖像中不容易辨別的暗色區(qū)域，本文利用灰度共生矩陣中的特征向量對(duì)油膜、海水、非油膜進(jìn)行紋理分析。同時(shí)，在海面上存在很多干擾因素，比如海洋中的浮游生物、船舶行駛形成的船尾軌跡、海洋中的自然表面都會(huì)使海面粗糙度發(fā)生變化，從而影響雷達(dá)信號(hào)，因此，監(jiān)測(cè)過(guò)程中要對(duì)這類“非油膜”進(jìn)行辨別、分類。

2.4 油膜厚度和面積估算和漂移模型

為了能夠更有效地處理溢油事件，在對(duì)溢油監(jiān)測(cè)過(guò)程中，必須要對(duì)溢油點(diǎn)的油膜厚度以及油膜面積進(jìn)行估算，以便對(duì)油膜擴(kuò)散做出更精準(zhǔn)的判斷。采用如下油膜厚度估算模型[5]：

式中：h為油膜厚度，S為溢油面積，t為溢油時(shí)間，W為海上風(fēng)速，ρw為海水密度，ρoT為當(dāng)溫度為T時(shí)的油膜密度。

油膜面積可以利用公式Sos≈Nos×R2來(lái)估算，其中，Sos為海面溢油區(qū)域的面積，Nos為溢油區(qū)域像素點(diǎn)數(shù)，R為衛(wèi)星的分辨率[6]。

溢油發(fā)生后，油膜會(huì)隨著海浪及海風(fēng)快速漂移和擴(kuò)散，這個(gè)過(guò)程具有隨機(jī)性，受到的影響因素很多，目前還沒(méi)有十分理想的漂移數(shù)學(xué)模型，采用如下方法建立漂移模型[7]：假設(shè)油膜的漂移速度為V，油膜的起始中心位置為Oo，則有V=Vt+KwVw；經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，油膜的中心位置為O=Oo+Vt。

合并上述兩式可得O=Oo+(Vt+KwVw)t，其中，Vt表示海流速度矢量，Vw表示海上風(fēng)速矢量，Kw表示海流漂流系數(shù)。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于建立的海面溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)域中的條狀油膜和塊狀油膜進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 SAR 溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸出圖像Fig.5 SAR oil spill monitoring system output image

可以看出，油膜區(qū)域的亮度比周圍非油膜區(qū)域的亮度要低，同時(shí)，可以把非油膜區(qū)域比較清楚地分辨出來(lái)，只識(shí)別了溢油區(qū)域，能夠達(dá)到對(duì)溢油監(jiān)測(cè)的效果。

同時(shí)，還對(duì)4 種面積不同的監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行了探測(cè)率實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 溢油監(jiān)測(cè)探測(cè)率Fig.6 Oil spill monitoring detection rate

可以看出，監(jiān)測(cè)區(qū)域面積越小，探測(cè)率越高，最高可以達(dá)到91% 左右，相反，面積越大，探測(cè)率越低。同時(shí)，探測(cè)率隨著探測(cè)時(shí)間的增大而增大，對(duì)于面積最大的區(qū)域，隨著探測(cè)時(shí)間從0.5 h 增加到6 h，探測(cè)率從20%左右提高到72%左右。

3 結(jié)語(yǔ)

基于合成孔徑雷達(dá)的海面溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以全天時(shí)、全天候?qū)Ｃ孢M(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠有效地辨別油膜種類，區(qū)分出非油膜區(qū)域，同時(shí)能估算出油膜厚度和面積，為有效處理海面溢油事故提供了可靠的數(shù)據(jù)。由于海上情況復(fù)雜，在后期的研究中，可以對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，使該系統(tǒng)能夠適用于各種復(fù)雜環(huán)境中的海面溢油監(jiān)測(cè)。