基于機(jī)載多光譜遙感數(shù)據(jù)的溢油信息提取方法

劉丙新，李 穎，高 超

(大連海事大學(xué)環(huán)境信息研究所，大連 116026)

0 引言

海上溢油是當(dāng)今海洋污染物的重要來(lái)源之一，無(wú)論是事故性溢油還是人為非法排放物都會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成巨大威脅[1]。近些年，隨著深海石油開(kāi)采業(yè)的興起和沿海石油儲(chǔ)運(yùn)基地的建設(shè)，加之由于管道老化和操作失誤等造成的海洋石油污染均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，而且該類型事故造成的溢油往往會(huì)形成較大規(guī)模的污染:2010年墨西哥灣的深水地平線采油平臺(tái)爆炸導(dǎo)致的溢油、2010年大連新港油罐爆炸造成的溢油以及2011年康菲石油蓬萊19－3石油平臺(tái)的溢油，均造成了嚴(yán)重的海洋污染[2]。

溢油遙感監(jiān)測(cè)是溢油污染管理工作的重要部分。在較大的溢油事故中，遙感是進(jìn)行宏觀觀測(cè)的最有效方法。在利用航空、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)油膜方面，國(guó)內(nèi)外研究者已開(kāi)展了較廣泛的研究，集成紫外光、可見(jiàn)光、紅外、微波、激光熒光和側(cè)視雷達(dá)等幾類傳感器數(shù)據(jù)，開(kāi)展油膜監(jiān)測(cè)[3－8]。在油膜厚度監(jiān)測(cè)方面研究較多，尤其是利用可見(jiàn)光－近紅外數(shù)據(jù)反演溢油厚度方面，有研究者建立了油厚和油膜表觀現(xiàn)象的關(guān)系[9－10]。最早的報(bào)道是1930年提交給美國(guó)國(guó)會(huì)的報(bào)告，將 0.4～2.0 μm 油膜厚度進(jìn)行了分類[11];1972年Hornstein建立了一個(gè)基于實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)[10]，該標(biāo)準(zhǔn)目前還在廣泛應(yīng)用;歐洲應(yīng)急委員會(huì)也設(shè)置了自己的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)[12]。但通過(guò)人的觀察進(jìn)行油膜厚度判定受到諸多因素的制約，如個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、觀察角度以及假目標(biāo)等[13]。Ocean Imaging 公司[11]在2010年墨西哥灣溢油事故中利用可見(jiàn)光－近紅外多光譜設(shè)備對(duì)溢油范圍和相對(duì)厚度進(jìn)行了識(shí)別與監(jiān)測(cè);Clark等[14]也對(duì)該次溢油事故進(jìn)行了研究，通過(guò)AVIRIS航空數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)反射率光譜數(shù)據(jù)反演了油膜厚度的分布情況，同時(shí)提出對(duì)溢油中的油厚進(jìn)行精確反演必要性不大，主要是能夠區(qū)分薄油膜和可回收的厚油膜即可。

本文利用機(jī)載多光譜遙感數(shù)據(jù)對(duì)油膜相對(duì)厚度進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)分析目標(biāo)的光譜特征，利用決策樹(shù)分類法較好地區(qū)分可回收的厚油膜、不可回收的薄油膜和甚薄油膜，以及海水等，為利用可見(jiàn)光－近紅外－熱紅外多光譜遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行油膜相對(duì)厚度分布制圖提供了一種思路和參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省舟山市岙山油碼頭附近。該海域處于杭州灣東部，是長(zhǎng)江、錢塘江及甬江等江河的入?？趨^(qū)，往來(lái)油船密集，存在一定的溢油風(fēng)險(xiǎn)。該海域海水深度一般不超過(guò)10 m，海底沉積物以泥沙為主。泥沙在洋流攪動(dòng)下易被卷帶至海面，懸浮在海水中，顆粒較大，由于其減弱了海水對(duì)紅光、橙光、黃光的吸收，致使該處海水呈現(xiàn)黃色。2008年10月16日，大連海事大學(xué)“水上溢油遙感識(shí)別與監(jiān)測(cè)技術(shù)”課題組在岙山油碼頭附近海域進(jìn)行了機(jī)載遙感監(jiān)測(cè)溢油實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證溢油監(jiān)測(cè)算法和航空遙感監(jiān)測(cè)溢油系統(tǒng)的功能。

2 數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)獲取

實(shí)驗(yàn)工作由航空和海上2部分組成。航空平臺(tái)是哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)的運(yùn)－12固定翼飛機(jī)，其傳感器為機(jī)載多波段溢油探測(cè)傳感器，探測(cè)波段包括紫外至紅外共11個(gè)波段(表1)，瞬時(shí)視場(chǎng)(IFOV)為5 mrad，總視場(chǎng)(FOV)角為73°。海上實(shí)驗(yàn)部分由1艘海巡船和4艘清污船組成:海巡船負(fù)責(zé)布油，并利用ASD FieldSpec3地物光譜儀與機(jī)載傳感器同步獲取油膜與海水的反射光譜曲線;清污船負(fù)責(zé)及時(shí)清除海巡船所布下的油污。

表1 傳感器波段配置[15]Tab.1 Band configuration of the sensor[15]

航拍時(shí)間為2008－10－16T13∶00—13∶30，天氣晴朗，風(fēng)速2～3級(jí)，水平能見(jiàn)度20 km，垂直能見(jiàn)度優(yōu)，潮流流速 0.5 ～0.8 m/s，波高 0.5 m，水溫 25℃左右。為保證較好的成像分辨率，同時(shí)避免隔帶掃描，飛機(jī)的飛行高度大約為500 m，航向相對(duì)太陽(yáng)為0°或 180°。

2.2 特征分析

2.2.1 溢油污染光譜響應(yīng)特征分析

利用ASD地物波譜儀獲取的水體和較厚油膜的反射光譜曲線如圖1所示。

圖1 油膜和海水反射光譜曲線Fig.1 Reflectance spectrum of oil film and water

研究區(qū)海水中所含黃色物質(zhì)較多，在可見(jiàn)光－近紅外波段反射率較高，在583 nm處形成反射峰，相對(duì)于清水，該反射峰明顯向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，并且在近紅外波段的806 nm處也表現(xiàn)為明顯的反射峰。厚油膜的存在使得水面的反射光衰減，所以在該區(qū)域的反射率相對(duì)無(wú)油覆蓋的海水反射率要低。

從機(jī)載多光譜遙感圖像中提取水體、船只、厚油膜、薄油膜和甚薄油膜的DN值曲線發(fā)現(xiàn)，水體和油膜在B3，B4，B5以及B9波段具有較高的反射率，但厚油膜相對(duì)于水體的反射率總體較低。在B11波段，即熱紅外波段，只有船的 DN＞0，其余目標(biāo)的DN值均為負(fù)值(圖2)。

圖2 機(jī)載多光譜圖像的DN值曲線Fig.2 DN spectral curve of the aerial image

2.2.2 溢油污染影像特征分析油膜的存在會(huì)改變海面對(duì)太陽(yáng)光的吸收與反射，從而在遙感圖像上體現(xiàn)出與無(wú)油膜覆蓋海面的差異。由于原油、重柴油等的薄油膜與厚油膜的反射光譜有差異，導(dǎo)致不同厚度下油膜在遙感圖像上的表現(xiàn)特征也有所差異。

分別獲取油膜覆蓋區(qū)域的紫外、可見(jiàn)光及紅外波段遙感圖像如圖3所示。油膜即使在厚度很薄的情況下也表現(xiàn)出對(duì)紫外光的高反射，因此常用紫外波段對(duì)薄油膜進(jìn)行探測(cè)。

圖3 油膜影像特征Fig.3 Image features of oil film

從圖3(a)上可以明顯地發(fā)現(xiàn)薄油膜的存在，并能較好地區(qū)分油膜邊緣的甚薄油膜與其內(nèi)側(cè)的薄油膜。圖3(b)為綠光范圍內(nèi)B5灰度圖像，厚油膜的存在阻礙了水體對(duì)該波段太陽(yáng)光的反射，形成了灰度值較低的厚油膜覆蓋區(qū)。薄油膜對(duì)該波長(zhǎng)光線的反射影響較弱，因此在圖像上表現(xiàn)不明顯，但仍表現(xiàn)出厚油膜與無(wú)油覆蓋水體之間存在過(guò)渡區(qū)域。圖3(c)B9為近紅外波段圖像，該圖像不僅能夠區(qū)分油膜與水體，而且對(duì)不同厚度的油膜區(qū)分也較為明顯，油膜越薄灰度值越大。圖3(d)B11為熱紅外波段圖像，由于本次所觀測(cè)的油膜是由儲(chǔ)存設(shè)備直接撒至水面，且油膜存在時(shí)間較短，因此油的溫度低于海水溫度，厚油膜在該波段的DN值明顯低于水體和薄油膜，而薄油膜在圖像上無(wú)法識(shí)別，因此可利用該波段進(jìn)行厚油膜的識(shí)別。另外，在該波段圖像上船只表現(xiàn)為“熱”區(qū)域，且與其他物體區(qū)別較大，因此可利用該波段數(shù)據(jù)識(shí)別船只。圖3(e)的波段比值圖像上油水邊界相對(duì)B5和B9單波段圖像更加明顯，因此可用于區(qū)分水體和油膜覆蓋區(qū)域。圖3(f)假彩色合成圖像兼具有紅外波段圖像的厚油膜信息和紫外圖像的薄油膜信息，同時(shí)能夠很好地識(shí)別實(shí)驗(yàn)船只和清污船只，能夠?yàn)橐缬偷淖R(shí)別和相關(guān)信息提取提供很好的數(shù)據(jù)源。

3 溢油信息提取與分析

根據(jù)不同目標(biāo)在遙感圖像上的光譜響應(yīng)差異，利用決策樹(shù)分類方法對(duì)其進(jìn)行提取(圖4)。

圖4 基于機(jī)載多光譜數(shù)據(jù)的分類決策樹(shù)Fig.4 Classification decision tree based on airborne multi－spectral data

提取的主要地物類型包括船只、水體、厚油膜、薄油膜和甚薄油膜。在溢油事故中，通常溢油的相對(duì)厚度對(duì)溢油是否利于撇油器收集或是否能夠使用消油劑具有更重要的參考價(jià)值。在此次研究中，油膜存在有3種情況:厚油膜擴(kuò)散緩慢，厚度較大，適合撇油器進(jìn)行油污的回收，或利用吸油氈進(jìn)行吸附;薄油膜擴(kuò)散較為充分，形成的油膜無(wú)法回收，但仍可以利用消油劑進(jìn)行清除或吸油氈進(jìn)行吸附;甚薄油膜位于油膜的最邊緣，擴(kuò)散最充分，利用吸油氈進(jìn)行吸附效果不理想，可用消油劑進(jìn)行去除。

根據(jù)各波段DN值對(duì)溢油油膜相對(duì)厚度進(jìn)行提取，以Bn形式表示第n波段的DN值。首先對(duì)B11進(jìn)行分割，用B11＞0將圖像中船只目標(biāo)提取出來(lái);然后用(B9/B5)＜1.71區(qū)分水體和油膜;在識(shí)別為油膜的區(qū)域內(nèi)，由于厚油膜在熱紅外波段圖像上的DN值相對(duì)薄油膜更低，因此可用B11＜－0.03來(lái)提取厚油膜分布情況;B1和B2對(duì)薄油膜比較敏感，甚薄油膜在這2個(gè)波段圖像上的DN值均大于較薄油膜的，但差異并不大，但通過(guò)將這2個(gè)波段相加，擴(kuò)大了較薄油膜和甚薄油膜的差異，據(jù)此可將二者進(jìn)行區(qū)分。

利用決策樹(shù)算法的分類結(jié)果如圖5所示。

圖5 基于光譜信息的分類結(jié)果Fig.5 Result of classification based on spectral information

從圖5可以看出，各種目標(biāo)物已經(jīng)被正確地識(shí)別出來(lái)，但由于“同物異譜”、“同譜異物”現(xiàn)象的影響，加之油膜厚度并非離散而是接近連續(xù)變化的，因此部分厚油膜被識(shí)別為薄油膜，而薄油膜與甚薄油膜之間也有部分像元被錯(cuò)誤地歸類。

分別選取不同數(shù)量的水體、船只、厚油膜、薄油膜和甚薄油膜等樣本，建立混淆矩陣對(duì)決策樹(shù)分類算法結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，如表2所示，總體分類精度達(dá)到了93.7%，說(shuō)明本文方法完全能夠滿足溢油應(yīng)急監(jiān)測(cè)的精度需求。

表2 分類精度Tab.2 Classification accuracy (像元)

4 結(jié)論

本文結(jié)合舟山海域的溢油實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)載多光譜溢油探測(cè)裝置對(duì)海上油膜的識(shí)別能力，并通過(guò)對(duì)多光譜數(shù)據(jù)的分析提出了利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行溢油識(shí)別的有利波段，進(jìn)而通過(guò)決策樹(shù)分類法對(duì)多光譜遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。研究結(jié)果表明，本文所采用的影像與光譜響應(yīng)特征能夠有效地區(qū)分水體、油膜(相對(duì)厚度)以及船只信息，總體分類精度較高。該研究結(jié)果可為溢油事故監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和方法選擇提供重要參考。

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