基于SAR影像的海洋溢油檢測研究

基于SAR影像的海洋溢油檢測研究
1．選題的來源、目的和意義
本文題目擬為“基于SAR影像的海洋溢油檢測研究”。選自中國科學院地理科學與資源研究所與國家環境保護總局的合作項目“環境與災害監測預報小衛星星座運行管理與應用系統工程”中的 “地表水環境遙感應用子系統”。
 本文的目的在于擬通過對海面溢油對微波特性和SAR影像的特性分析對海面溢油發生的位置、溢油種類進行檢測，對溢油的面積和厚度進行量測，及進一步的根據物理海洋參數對溢油擴散方向和擴散速度進行預測，為海洋溢油的動態監測提供參考。
 本選題研究的科學意義在于討論利用SAR影像對海面溢油檢測的各種算法，為海面溢油檢測的業務化運行提供理論基礎；研究的現實意義在于從SAR影像中
分析出溢油污染的主要指標，從而為海洋生態環境的評價提供參考。也對減輕海洋災害，促進海洋經濟發展具有重要意義。
2．選題的國內外研究現狀、發展趨勢以及存在的問題
 海洋溢油污染是最常見的海洋環境污染之一。隨著世界經濟的發展，各國對石油的需求量急劇增加，這就使石油開采業以及海洋運輸業得以迅速發展，致使海洋溢油事故不斷發生。海洋溢油主要是通過事故引起的，如油船碰撞、觸礁、海洋油井和水下輸油管道的泄漏等（張永寧 2000）。石油污染在發生頻率，分布范圍以及所帶來的危害程度上均居海洋環境污染首位。因此，世界各國都在積極開展對海洋溢油的檢測工作，并把大量的人力，物力和財力投入到海洋及其生態環境保護的工作上來。
2.1 我國海上溢油遙感檢測
     我國的海上溢油問題由來已久，但是使用衛星遙感對其進行檢測卻開展的較晚。隨著我國經濟的迅速發展，對石油的需求量在不斷增加，現已成為世界上原油需求量第二的國家，尤其是改革開放以來國際貿易頻繁，這就使得我國的海洋溢油問題更加嚴重，在油污染方面就包括近岸工業含油污水的排放、港口裝卸貨時燃料油的泄漏、船舶航行過程中的人為油污傾瀉、船舶事故造成的突發性油污染以及近岸石油開采過程中所導致的油污進入海洋等多種污染形式。這不僅造成了巨大的經濟損失，同時還使我國沿海海域的生態環境遭到了嚴重的破壞。
 我國對海洋石油污染遙感方面的研究起步較晚。在20世紀70年代末80年代初已形成規模。1980年，國家海洋局第一海洋研究所等首先開始了我國航空遙感檢測海上油污染的實驗工作。隨后，海洋局第二海洋研究所，以及大連海事大學等單位也相繼開展了研究工作（趙冬至）。其中，大連海事大學在“八五”期間開展了航天遙感溢油探測的研究工作；分別于 1998 年和 1999 年在大連外海進行了兩次撒油波譜測試，獲取了不同油種在多種厚度情況下的波譜特征數據；同時，使用 TM 數據（LANDSAT 系列衛星）以及 AVHRR 數據（NOAA 系列衛星）對幾次溢油事故進行了處理和分析（張永寧 2000），如李棲筠等利用TM 與AVHRR 資料對老鐵山水道漏油事故進行了方法試驗研究，主要利用可見光和紅外波段的組合方法，增強油膜信息，并結合AVHRR 和風、流等資料研究油膜的擴散（李棲筠 1996，1997，2004）；張永寧等對海上溢油的波譜特征進行了測試和分析，提出并利用Landsat TM和NOAA AVHRR 數據檢測煤油、輕柴油、潤滑油、重柴油和原油的最佳波段組合；通過數字圖像處理技術提取了衛星影像上的油污信息并取得了較好的結果，對衛星遙感手段在海上油污染探測中的可應用性做出了驗證（張永寧 1999）；其次，趙冬至等也對原油、柴油和潤滑油的可見光近紅外波段地物光譜特征曲線進行了對比分析，揭示了油隨厚度變化的光譜特征、油水反差規律及吸收特征參數等（趙冬至 2000）；在油污種類的識別方面，徐恒振、尚龍生等人建立了海面溢油鑒別的Fuzzy 相似優先比模式以及用模糊數學方法建立Euclid貼近度聚類分析模式對溢油種類進行鑒別（徐恒振 1995）；廈門大學以及國家海洋局也對油膜的光譜特性進行了測定，提出了近紅外光譜技術結合模式識別鑒別海面溢油的方法（王麗 2000）；薛浩潔等總結出了單一閾值法、自適應閾值法小波變換法和利用熵方法等利用SAR圖像對海洋溢油油膜目標檢測的方法（薛浩潔 2004）；大連海事大學的劉彥呈等利用油粒子模型，并結合GIS的相關知識對海面油膜的擴散方向和擴散速度進行了預測（劉彥呈 2002）；嚴志宇、殷佩海等對油污在海面的風化和蒸發過程也進行了研究，對油污在海面的存在狀態做出描述和推斷（嚴志宇2000）；這些工作對海上油污的組成成分和理化特性進行了深入的研究，為遙感探測提供了依據，而油污種類的準確判斷又對快速、有效地清除海上油污有著重要的指導意義。
 上述討論表明，國內海洋溢油檢測的研究工作主要是基于光學遙感傳感器，但大部分的溢油事故都在惡劣的天氣下發生的，因而利用光學遙感很難完成溢油檢測工作。從研究內容上分析，且大部分研究工停留在溢油邊界和溢油種類的提取上，對于溢油的厚度、擴散方向和速度并沒有顯著的研究成果，很難實現溢油污染的動態檢測和監測，進一步影響了海洋溢油的評估。
2.2 發達國家海上溢油遙感檢測
 發達國家對石油的需求量非常大，但是受其地理位置的限制，需要大量的進口石油，尤其是通過海上運輸，所以海上溢油是不可避免的。起初，加拿大、荷蘭、德國等發達國家他們使用航天遙感的方式對海上溢油進行檢測，由于飛機可以隨時的為溢油檢測服務，因此，航天遙感成為使用最多且最有效的手段。它可以迅速到達溢油發生區域，對溢油的位置，擴散方向以及面積的信息記錄下來，并且可以根據溢油的發展趨勢來判斷污染的來源。一旦發現溢油狀況，可以及時、迅速的向有關部門匯報，從而減少一定的經濟損失（李四海2000，2004，安居白 2004）。
 隨著航空遙感技術的發展，航天遙感的局限性慢慢的暴露出來。盡管航天遙感可以及時、準確的檢測海洋溢油，由于飛機的飛行高度有限制，視野也不寬闊，因此當發生大規模的溢油事件時，它不能提供有關溢油的位置、油污的中心區以及溢油的擴散趨勢等信息；同時，如果溢油時間發生在離海岸帶很遠的地區時，航天遙感就失去了其迅速，靈活的意義了。另外，惡劣的天氣是導致溢油事件發生的重要因素，航天遙感將難以完成檢測任務（安居白 2002）。1969年美國使用機載多波段可見光掃描儀對加利福尼亞圣巴巴拉附近海域井噴事故造成的石油污染進行了檢測，取得了很好的效果，這是遙感技術首次用來檢測海洋溢油。1972～1975 年美國與歐洲國家合作，用Landsat 衛星的MSS 資料對地中海石油污染進行了總體檢測，確定了污染面積、污染速度和擴散方向；1985 年美國的Harry 和G. Stumpe 等人利用Landsat 衛星影像，對弗吉尼亞州阿薩蒂格島東南海域100km 長的油膜進行了檢測試驗，估算了污染面積，推斷了油污來源（李棲筠 1994）。
 近20年來，隨著雷達技術的發展，且由于雷達具有全天候的工作能力、分辨率高和穿透力強的特點，發達國家開始利用雷達技術進行海洋溢油檢測的研究，并且取得了良好的效果。A. D. Thruston等人利用不同油膜在熒光的作用下的反射強度和光譜形狀的不同對油膜進行了分類（A. D. Thruston 1971）；Maged Marghany 用RADARSAT影像，并根據多普勒模型和拉格朗日模型對溢油的運動軌跡進行了預測（Maged Marghany  2004）；B. Jones利用合成孔徑雷達影像，根據不同油膜反映出的不同顏色，用目測的方法對溢油厚度進行估算（B. Jones 2001，Camilla Brekke 2005）；Dr. Thomas和J. Murphy使用掃描輻射計也對油膜厚度進行了估算；美國和一些其他國家正在研究新的傳感器來對油膜厚度進行估算（http://www.mms.gov/tarprojectcategories/remote.htm）。
2.3 小結
 綜上所述，國內外海洋溢油監測的研究進展可以歸納為如下幾點：
國內的研究主要基于光學遙感傳感器，盡管利用微波遙感技術也對海洋溢油監測進行了研究，但研究的內容主要限于油膜邊界的提取，研究的算法也相對簡單，比如：比值和閾值算法。
國外的研究則側重于微波遙感技術，研究的內容包括油模的位置、面積、周長、厚度及擴散的方向和速度等，但是計算精度和計算方法還存在許多不足。
 國內外溢油研究進展表明，在今后的研究應該把雷達檢測海洋溢油當做研究的重點，并結合地理信息系統和數值模型等技術相結合，建立數據綜合處理與分析預測的應急反應集成系統，為溢油事故的分析、應急反應方案的制定、以及損害評估等提供依據和技術支持。
3. 選題研究方案
3.1 選題研究目標、研究內容
 本文研究的目的擬通過SAR影像數據對溢油源、溢油種類及相關參數進行提取，為進一步海洋溢油的動態監測提供參考依據。因而，擬研究的主要內容包括：
 海面溢油波譜特性分析；
 SAR影像特性；
 溢油的提取；
 溢油面積和厚度提取；
 溢油擴散方向和擴散速度模型模擬。
3.2 擬采取的研究方法、技術路線、實驗方案及可行性分析（已有的研究工作基礎和研究條件）
 根據研究內容及擬解決的問題，暫擬定如下實驗方案。（如圖1所示）

圖 1 實驗方案
數據預處理：使用各種傳感器對海上油污染進行探測并對所獲取數據進行的處理其根本即在于增大油污與背景海水的反差，達到識別油污的目的。本文將通過適當的濾波算法對數據進行處理，以達到所需要的結果。
溢油提取：根據數據預處理的結果，通過油膜圖像的灰度直方圖，選取灰度變化最大的兩峰之間的極小值作為閾值，從而對溢油區域進行提取。或采用小波分析法對溢油區域進行提取。
溢油面積提取：油污擴散面積的計算是研究海上油污染的重要問題，同時也是溢油量估算的前提和基礎；準確地計算某一時刻油污在海面的擴散面積，可以更好的掌握油污在海面上的擴散以及漂移趨勢，預測其走向，監測其變化。擴散面積是采用計算柵格數據面元面積的方法得到的，式（1）為其計算式：計算油污位置處的像元個數 N，與每一像元所代表的實際面積 s 相乘便得到油污在這一時刻的擴散面積 S，
 S ＝ N × s / b              （1）
 其中，b為目標區相對于原始圖像放大的倍數。
溢油厚度提取：根據海洋動力參數或油膜粗糙度對溢油的厚度進行估算。
溢油擴散方向和擴散速度模型模擬：在得知溢油面積和油膜厚度，還有海洋環境動力參數的情況下，可根據油粒子模型對溢油的擴散方向和速度進行模擬。

 本文選自中國科學院地理科學與資源研究所與國家環境保護總局合作的“環境與災害檢測預報小衛星星座運行管理與應用系統工程”。而且是在和導師及課題組老師和同學多次交流的基礎上提出的，課題組在“九五”和“十五”期間對海洋溢油檢測也做了大量的研究并得到了許多豐碩的成果，同時積累了大量的寶貴經驗，為本論文的開展提供了強有力的保障。
 除此之外，本人從2005年8月到現在也一直在從事水環境遙感檢測的部分研究工作，尤其是運用SAR衛星數據和TM數據做了很多研究，這些研究工作將為本論文的撰寫提供參考。
 因此，本人認為此方案可行。
3.3 選題研究及論文工作計劃
 根據選題的研究內容及擬定的研究方法，暫定選題研究及論文工作計劃如下：
2007年5月-6月 在已有的文獻積累的基礎上，進一步查找國內外最新的有關海洋溢油檢測的文獻資料，從理論、方法、應用等方面進行對目前海洋溢油檢測進行歸納總結，汲取新的知識；
2007年7月-8月 溢油面積和厚度算法研究；
2007年9月-10月 溢油擴散方向和速度模型研究；
2007年11月-12月 對研究結果進行分析；
2008年1月-4月 論文撰寫。
3.4 預期研究成果
預期的研究成果有：
從當代遙感探測海洋油污染的發展狀況出發，將 SAR探測特點，確定了以 SAR數據為主的對大型油污染事件的研究方法；
根據SAR的特性和油膜特性對海洋溢油的面積、厚度、擴散方向和速度進行估算。

參考文獻
[1]  安居白,張永寧.發達國家海上溢油遙感監測現狀分析.交通環保.23(3),2002
[2]  趙冬至,叢丕福.海面溢油的可見光波段地物光譜特征研究.遙感技術與應用.15(3),2000
[3]  張永寧,丁倩.海上溢油污染遙感監測的研究.大連海事大學學報.25(3),1999
[4]  李四海,海上溢油遙感監測技術及其應用進展.遙感信息.2004.2
[5]  李四海,王宏.海洋水色衛星遙感研究與進展.15(2),2000
[6]  紀大偉,楊建強.海洋溢油生態損害評估研究進展.水道港口.27(4),2006
[7]  安居白.航空遙感探測海上溢油的技術.交通環保.23(1),2002
[8]  李棲筠,傅玉慧.美國氣象衛星監測海洋溢油.海洋環境科學.16(1),1997
[9]  李棲筠.衛星遙感技術在老鐵山水道溢油監測中的應用.中國航海.34,1994
[10] 叢旭東,趙如箱.衛星遙感在溢油監測中的應用. 交通環保.23,2003
[11] 張永寧,丁倩.油膜波譜特征分析與遙感監測溢油.海洋環境科學.19(3),2000
[12] 朱振海,黃曉霞.中國遙感的回顧與展望. 地球物理學進展.17(2),2002
[13] 王麗,何鷹.近紅外光譜技術結合主成分聚類分析判別海面溢油種類.海洋環境科學.23(2),2004
[14] 李棲筠,傅玉慧.NOAA衛星監測船舶溢油.中國航海.39,1996
[15] 徐恒振.Fuzzy相關分析鑒別海面溢油.海洋環境科學.14(1),1995
[16] 薛浩潔,種勁松.SAR圖像海洋表面油膜檢測方法.遙感技術與應用.19(4),2004
[17] 劉彥呈,殷佩海.基于GIS的海上溢油擴散和漂移的預測研究. 大連海事大學學報.28(3) ,2002
[18] 趙冬至.海洋環境污染與災害衛星遙感業務化監測系統研究.
[19] 嚴志宇,肖井坤,殷佩海.溢油蒸發過程的研究.大連海事大學學報.26(4),2000
[20] 嚴志宇,殷佩海. 溢油風化過程研究進展. 海洋環境科學.19(1),2000
[21] Camilla Brekke, Anne H. S. Solberg. Oil spill detection by satellite remote sensing. Remote Sensing of Environment.95(2005),1-13
[22] Iphigenia Keramitsoglou, Constantions Cartalis. Automatic
identification of oil spills on satellite images. Environment Modelling & Software.2001(2006),640-652
[23] Mervin F. Fingas & Carle. Brown.  Review of Oil Spill Remote Sensing. Spill Science & Technology Bulletin, Vol. 4, No. 4, pp. 199-208, 1997
[24] Antonio Martinez, Victoriano  Moreno. An oil spill monitoring system based on SAR images. Spill Science & Technology Bulletin, Vo3. No. 1/2, pp. 65-71, 1996
[25] D. o. Hodgin, S. S. Salvador. RADARSAT SAR for oil spill response. Spill Science & Technology Bulletin, Vo3. No. 4, pp. 241-246, 1996
[26] Maged Marghany. RADARSAT for oil spill trajectory model. Environment Modelling & Software.19(2004),473-483
[27] Theo Hengstermann and Rainer Reuter Lider fluoroscence of mineral oil spills on the sea surface.
[28] B. Jones. A comparison of visual observations of surface oil with synthetic aperture radar imagery of the Sea Empress oil spill. International Journal of Remote Sensing. 22(9),1619–1638,2001