多角度偏振遙感在水體油污染監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)分析

羅楊潔，朱 俊

多角度偏振遙感在水體油污染監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)分析

羅楊潔1，朱 俊2

(1.內(nèi)江師范學(xué)院地理與資源科學(xué)學(xué)院，內(nèi)江 641112;2.內(nèi)江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)江 641112)

為了更好地進(jìn)行水體油污染監(jiān)測(cè)，首先簡(jiǎn)要介紹了多角度偏振探測(cè)技術(shù)，然后著重分析了水體油污染目標(biāo)的偏振特性，同時(shí)從目標(biāo)地物反射光譜的偏振探測(cè)機(jī)理出發(fā)，討論了它們偏振光譜的空間特征，并總結(jié)出3條普適規(guī)律。結(jié)果顯示:偏振光譜信息與強(qiáng)度輻射光譜信息相比，目標(biāo)地物間反射光譜的微小差異得到了增強(qiáng)，且在大角度入射時(shí)，增強(qiáng)效果更為明顯?？梢姡嘟嵌绕襁b感在水環(huán)境監(jiān)測(cè)和地物識(shí)別中具有廣闊的應(yīng)用前景。

偏振;多角度;油污染;地物識(shí)別

0 引言

雖然海洋幅員遼闊，有很強(qiáng)的自凈能力，但它的納污能力也是有限的。油輪油泄漏、沿海及河口石油礦藏的開發(fā)、煉油廠工業(yè)廢水的排放等，會(huì)使水體受油的污染，尤其是河口海域和近海水域，油污染十分突出。水體油污染的來源主要是工業(yè)排放與城市排放占37%，船舶操作占33%，其他來源有油輪意外、大氣沉降、自然來源、油氣勘探與生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生等。油在水面形成油膜后，會(huì)影響氧氣進(jìn)入水體，當(dāng)油膜厚度大于10－4cm時(shí)，就會(huì)嚴(yán)重阻止氧氣進(jìn)入水體，從而使水中溶解氧減少，少到一定限度后就會(huì)使水變臭，進(jìn)而造成水中生物的死亡。另外，油污染還對(duì)全球海平面變化和長(zhǎng)期氣候變化造成潛在影響。因此，對(duì)水體油污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)是十分重要的。

國(guó)外學(xué)者由20世紀(jì)80年代開展的可見光和紅外遙感研究轉(zhuǎn)向20世紀(jì)90年代利用微波遙感監(jiān)測(cè)海洋溢油災(zāi)害。我國(guó)自“六五”計(jì)劃以來，相繼開展了一些水面溢油航空檢測(cè)方法研究，取得了許多可喜的成果，但就總體而言，研究程度仍局限在常規(guī)的垂直收集目標(biāo)信息上。為此，需要進(jìn)一步探討各類油品泄漏到水體后的漂移、擴(kuò)散、溶解、蒸發(fā)后的各個(gè)過程的多角度偏振光譜響應(yīng)特性，為識(shí)別溢油范圍，正確劃分油膜厚度，進(jìn)而為正確估計(jì)泄漏油量提供技術(shù)支持［1］。

1 探測(cè)機(jī)理

遙感探測(cè)油污染，主要是依據(jù)在不同入射條件下油膜具有不同的反射、散射、吸收和偏振特性，通過選擇適當(dāng)?shù)娜肷錀l件和探測(cè)方位來監(jiān)測(cè)溢油，并設(shè)法增強(qiáng)油膜與其背景水面之間的反差，以達(dá)到確定油膜參數(shù)的目的。怎樣增強(qiáng)油膜與其背景水面反射光譜的反差呢?怎樣才能更精確地監(jiān)測(cè)水面油膜呢?這也是人們?yōu)槭裁匆l(fā)展多角度偏振探測(cè)的原因。

傳統(tǒng)的單一觀測(cè)方向遙感只能得到地面目標(biāo)一個(gè)方向的投影，由于缺乏足夠的信息來同時(shí)推斷一個(gè)像元的主要材料的波譜和空間結(jié)構(gòu)，從而使定量遙感非常困難。與單一觀測(cè)方向遙感相比，多角度對(duì)地觀測(cè)是通過對(duì)地面固定目標(biāo)進(jìn)行多個(gè)方向的觀測(cè)，使得對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)信息得以豐富，因而有希望從中提取較單一方向的觀測(cè)更為詳實(shí)可靠的地面目標(biāo)三維空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，以便為開展定量遙感提供新的途徑。

偏振是各種矢量波的一種基本性質(zhì)，是指用一矢量波來描述空間某一固定點(diǎn)所觀測(cè)到的矢量波隨時(shí)間變化的特征。偏振特性能在特殊背景和條件下提高目標(biāo)的識(shí)別率，特別是對(duì)反射輻射強(qiáng)度對(duì)比度低的表面和人為模擬制造的偽裝目標(biāo)具有獨(dú)特的區(qū)分能力［2－4］。偏振信息在遙感領(lǐng)域的重要性已得到美國(guó)國(guó)家航空和宇航局(NASA)的認(rèn)可［5］。法國(guó)的POLDER傳感器［6］是目前將多角度遙感與偏振特性結(jié)合得最好的例子之一。目前人們對(duì)偏振遙感圖像特性的研究越來越重視，并且展開了系列研究［7］，趙云升等人對(duì)液體表面的偏振反射特征進(jìn)行了初步探討［8，9］。在以往研究的基礎(chǔ)上，本文從偏振反射光譜分析的角度驗(yàn)證了多角度偏振遙感在油污染監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)α=0°時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為

圖1 n=1.333時(shí)水的光譜反射率Fig.1 Reflectivity of water when n=1.333

圖2 n=1.5時(shí)油的光譜反射率Fig.2 Reflectivity of oil when n=1.5

2 液體三維偏振光譜測(cè)量的實(shí)驗(yàn)條件

被測(cè)的試驗(yàn)樣品有以下兩種:①水，為采自長(zhǎng)春市居民飲用的自來水，水質(zhì)清澈透明，無污染;②汽油，由東北師范大學(xué)車隊(duì)提供的常用商品油，淺橙黃色，流動(dòng)性與水接近。

為了獲得液體樣品的偏振光譜反射數(shù)據(jù)，利用了地物偏振光譜二向性反射比測(cè)量裝置來進(jìn)行測(cè)量［10］，該儀器由計(jì)算機(jī)控制，可對(duì)被測(cè)定樣品的偏振光譜反射數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集與處理。為了敘述方便，把偏振片透光軸的方向規(guī)定為0°方向，而把其正交方向規(guī)定為90°方向，以后簡(jiǎn)稱為0°偏振和90°偏振，其間標(biāo)有45°偏振刻度。傳感器波段為630～690 nm，探測(cè)架上有7個(gè)探測(cè)頭，天頂角從0°～60°，每隔10°固定一個(gè)探測(cè)頭;7個(gè)光源位置的設(shè)置與探測(cè)頭設(shè)置相同;方位角為0°～350°，每隔10°采集一個(gè)數(shù)據(jù)。測(cè)試時(shí)，讓探測(cè)拱架繞被測(cè)物和白板(標(biāo)準(zhǔn)朗伯體)運(yùn)行一周，就獲得了方位角0°～350°半球內(nèi)、不同探測(cè)角位置上的2π空間的三維分布偏振反射比(即被測(cè)物與白板偏振反射光譜的比值)數(shù)據(jù)。如果加了偏振片，即文中所說的0°偏、45°偏和90°偏，就是偏振反射比;如果不加偏振片，即文中所說無偏，則為二向性反射比，本文統(tǒng)稱其為反射比。

3 液體三維偏振曲線特性研究

為了方便表示，特作以下說明:圖3～圖7中，圖表標(biāo)題命名格式為“偏振角代碼－p－入射角代碼”，如“0－p－6”的意義為液體在光線入射角60°，0°偏振狀態(tài)下的反射曲線(即“wu”代表無偏，后面“6”代表入射角60°，前面“0”代表 0°偏振，余類推，“*”表示該代碼位置上所有可選擇的類型。)

3.1 液體三維偏振光譜與探測(cè)方位角、探測(cè)角的關(guān)系

圖3是汽油在光線入射角為60°，0°偏振狀態(tài)下，探測(cè)方位角為0°～350°，探測(cè)角為 0°～60°時(shí)的偏振反射比曲線;圖4是水在光線入射角40°，無偏狀態(tài)下，探測(cè)方位角為0°～350°，探測(cè)角為0°～60°時(shí)的偏振反射比曲線。

圖3 汽油在0－p－6時(shí)的偏振反射比曲線Fig.3 Polarized reflectance curve of gasoline 0－p －6

圖4 水在wu－p－4時(shí)的二向性反射比曲線Fig.4 Bidirectional reflectance curve of water wu－p－4

由圖3可見，液體的偏振反射比曲線在2π空間存在著明顯差異，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非朗伯體特性。其值與探測(cè)角有很大的關(guān)系，當(dāng)探測(cè)角小于60°時(shí)，其曲線特征基本不隨方位角的變化而變化，近似于一條直線;當(dāng)探測(cè)角為60°時(shí)，探測(cè)角與入射角相等，在入射光所決定的主平面內(nèi)(即探測(cè)方位角為180°)將出現(xiàn)強(qiáng)烈的峰值，此時(shí)的反射比為偏振反射比。這表明當(dāng)探測(cè)角與入射角相等時(shí)，油膜呈現(xiàn)明顯的鏡面反射現(xiàn)象。同樣，由圖4可見，在入射角為40°，探測(cè)角為40°，探測(cè)方位角為180°時(shí)水的反射比達(dá)到峰值，此時(shí)的反射比為二向性反射比。由此可見，不論是二向性反射比或者是偏振反射比，反射比峰值都會(huì)出現(xiàn)在入射角等于探測(cè)角，探測(cè)方位角為180°處，即探測(cè)角與入射角相等且兩者位于同一平面時(shí)反射比最大，此為規(guī)律一。這也說明物體的反射比不但與探測(cè)器的高度有關(guān)，還與它的探測(cè)方向有關(guān)。

3.2 液體三維偏振反射比曲線與偏振角的關(guān)系

圖5是在光線入射角為50°，偏振角分別為0°、45°、90°和無偏狀態(tài)下，探測(cè)角為 0°～60°，探測(cè)方位角為120°～240°時(shí)水的偏振反射比曲線或二向性反射比曲線。

圖5 水在* －p－5時(shí)的偏振反射比曲線Fig.5 Polarized reflectance curve of water* －p－5

由圖3、圖4可見，不同液體的偏振反射比曲線或二向性反射比曲線是不同的。方位角在0°～120°，240°～350°兩個(gè)區(qū)間各種液體的偏振反射比曲線平直，且差異很小，具有漫反射特征;而方位角在140°～220°區(qū)間，各種液體的偏振反射特征差異顯著，并且各種液體的偏振反射比曲線峰值都出現(xiàn)在方位角180°處。在改變?nèi)肷浣堑那闆r下，同樣可以得到以上結(jié)論。因此，在方位角120°～240°以外處，地物的偏振反射比差異很小，對(duì)目標(biāo)識(shí)別以及輻射角度糾正意義都不大，本文在此處分析中，主要把目標(biāo)方位角定位在120°～240°。

圖5顯示，無偏反射比曲線峰值和45°偏振反射比曲線反射比峰值是位于0°偏振反射比曲線峰值和90°偏振反射比曲線峰值之間的，且兩者值接近于0°偏振反射比曲線峰值和90°偏振反射比曲線峰值的算術(shù)平均值。這種規(guī)律在其他類似的偏振反射比曲線比較中也可以觀察到。因此可以認(rèn)為這是一條液體偏振反射的普適規(guī)律，此為規(guī)律二。

3.3 液體偏振反射比曲線與光線入射角的關(guān)系

圖6是汽油在0°偏振時(shí)不同光線入射角的偏振反射比曲線，圖7是汽油在90°偏振時(shí)，不同光線入射角的偏振反射比曲線，兩圖的探測(cè)角均為0°～60°，探測(cè)方位角均為 0°～350°。

圖6 汽油在0－p－*時(shí)的偏振反射比曲線Fig.6 Polarized reflectance curve of gasoline 0－p－*

圖7 汽油在90－p－*時(shí)的偏振反射比曲線Fig.7 Polarized reflectance curve of gasoline 90－p－*

圖6 、圖7顯示，汽油的偏振反射比除了遵循規(guī)律一外，還可以看出，隨著光線入射角的改變，汽油的偏振反射比峰值隨之改變，并且存在明顯規(guī)律。圖6顯示，0°偏振時(shí)，隨著光線入射角的增大，汽油的偏振反射比峰值先減小后迅速增大;圖7顯示，90°偏振時(shí)，隨著光線入射角的增大，汽油的偏振反射比峰值呈逐漸增大之勢(shì)，這與菲涅耳公式是相吻合的，此為規(guī)律三。

3.4 偏振反射遙感在油污染監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)分析

表1是汽油和水的偏振反射比差值列表，這里本文分別將汽油和水的0°偏振反射比峰值與無偏時(shí)反射比峰值相比較，得出它們的差值。圖8是汽油和水的偏振反射比差值比較圖。

表1 汽油和水的偏振反射比差值Tab.1 Polarizing reflectance difference value of gasoline and water

圖8 汽油和水的偏振反射比差值比較Fig.8 Comparative chart of polarizing reflectance difference value of gasoline and water

由偏振片的特征可知，入射光通過偏振片后，其光強(qiáng)已經(jīng)被削弱了一半，這樣就減少了傳感器達(dá)到飽和狀況的可能。這就是多角度偏振遙感的優(yōu)勢(shì)之一。另外，由圖8還可見，同樣測(cè)試條件下，汽油的偏振反射比差值比水的大，且隨著入射角的增加，在布儒斯特角附近，差值越來越大，這與本文開頭的理論分析是相符的。這也說明，較之傳統(tǒng)的輻射強(qiáng)度探測(cè)來說，偏振遙感探測(cè)能擴(kuò)大物體間的細(xì)節(jié)差異。因此在水體的油污染監(jiān)測(cè)中，運(yùn)用偏振遙感在光線大角度入射時(shí)，更能體現(xiàn)偏振遙感的優(yōu)越性，更利于界定水體油面污染的范圍和程度。此為多角度偏振遙感的優(yōu)勢(shì)之二。

4 結(jié)論

本文雖然是以汽油和水作為代表樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析的，但自然界各種液體的偏振反射比具有相同的規(guī)律，因此可以得出以下結(jié)論:

(1)各種液體的偏振反射特征是不同的，這與它們各自的表面特征、物質(zhì)組成和光滑程度有密切關(guān)系;

(2)各種液體的偏振反射比在光線入射角等于探測(cè)角，且在兩者構(gòu)成的主平面上出現(xiàn)峰值;

(3)各種液體偏振反射曲線中，無偏反射比曲線峰值和45°偏振反射比曲線峰值位于0°偏振反射比曲線峰值和90°偏振反射比曲線峰值之間，且兩者值接近于0°偏振反射比曲線峰值和90°偏振反射比曲線峰值的算術(shù)平均值;

(4)0°偏振時(shí)，各種液體隨著光線入射角的增大偏振反射比峰值先減小，后迅速增大;90°偏振時(shí)，其偏振反射比峰值隨著入射角的增加逐漸增大;

(5)從無偏反射比曲線峰值與0°偏振反射比曲線峰值的差值比較來看，汽油的偏振反射光譜反射比差值比水的大，且隨著光線入射角的增加，到布儒斯特角，差值越來越大。

總之，在水體油污染監(jiān)測(cè)中，較之傳統(tǒng)的垂直輻射遙感而言，多角度偏振遙感具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其既可以避免傳感器的部分飽和狀態(tài)，又可以更有效地區(qū)分污染情況。因此多角度偏振遙感在水環(huán)境監(jiān)測(cè)和地物識(shí)別中具有廣闊的應(yīng)用前景，并將得到進(jìn)一步的研究和發(fā)展。當(dāng)然，水體油污染不僅與折射率有關(guān)，還與油膜厚度、水面粗糙度等以及探測(cè)儀器的波譜范圍有關(guān)，本文只是對(duì)水和汽油的偏振反射進(jìn)行了探測(cè)，沒有進(jìn)行實(shí)際的油污染遙感探測(cè)，關(guān)于海洋油污染的檢測(cè)，還有待進(jìn)一步研究。

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A Superiority Analysis of the Multi－angle Polarization Remote Sensing in Water－body Oil Pollution Monitoring

LUO Yang－jie1，ZHU Jun2
(1.School of Geography and Resources Science，Neijiang Normal University，Neijiang 641112，China;2.College of Chemistry ＆ Chemical Engineering，Neijiang Normal University，Neijiang 641112，China)

The technique of multi － angle polarization detection is described briefly in this paper.Based on experiments，the authors analyzed in detail polarized characteristics of the oil pollution object.The spatial characteristics of the spectrum of polarized light are discussed from the mechanism of polarization detection，and three universal laws are summarized.In comparison with intensity spectrum，small discrepancy of the object is enhanced，especially in the case of polarized light incidence at a large angle.Multi－angle polarization remote sensing has wide application vista in water environment monitoring and object identification.

Polarization;Multi－angle;Oil pollution monitoring;Object identification

TP 79:X 832

A

1001－070X(2011)03－0032－05

2010－11－12;

2011－01－22

四川省教育廳青年基金項(xiàng)目(編號(hào):07ZB046，2006B077)及四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(編號(hào):2008JY0121)共同資助。

羅楊潔(1979－)，女，地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)碩士研究生，講師，從事偏振遙感理論和地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究。

(責(zé)任編輯:丁 群)