基于圖像分割的油膜厚度計算及其光譜相關(guān)性分析*

王娟，單春芝，宋文鵬，孫樂成，劉旭東(1.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島 266033; 2. 國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點實驗室 青島 266033)

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基于圖像分割的油膜厚度計算及其光譜相關(guān)性分析*

王娟1，2，單春芝1，2，宋文鵬1，2，孫樂成1，2，劉旭東1，2
(1.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島 266033; 2. 國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點實驗室 青島 266033)

以渤海原油為油樣，利用ASD地物光譜儀開展油膜光譜測量，針對油膜光譜實驗過程中油膜厚度難以控制的問題，改進(jìn)布設(shè)油膜的方式，利用定量滴定和圖像分割方法完成油膜厚度計算，并開展油膜光譜特性及其與油膜厚度的相關(guān)性分析。研究表明，油膜厚度計算方法可信度較高，能夠較真實地計算出油膜厚度；油膜光譜在350～900 nm范圍內(nèi)較為平滑，油膜厚度及其光譜在可見光波段具有較高的相關(guān)性，900 nm之前具有較好的相關(guān)性且為正相關(guān)，在600～800 nm之間相關(guān)性達(dá)到最高，波長在900 nm之后油膜厚度與其光譜無明顯相關(guān)性；油膜光譜在761 nm處有峰值存在，此處可以作為判斷油膜存在以及油膜厚度反演的敏感波段；利用645 nm以及761 nm波段建立油膜厚度與反射光譜的相關(guān)模型，能夠清晰地顯示油膜厚度與其光譜在可見光波段具有較強(qiáng)的相關(guān)性，分析結(jié)果能夠為后續(xù)遙感方法溢油量反演提供可信的參考。

油膜；光譜；相關(guān)性；圖像分割

1 引言

通過分析油膜的地物光譜特征，可以識別、監(jiān)測海上溢油的發(fā)生、發(fā)展?fàn)顩r，甚至可以根據(jù)典型相關(guān)譜段與油膜厚度的相關(guān)性開展溢油量反演，國內(nèi)外已有大量相關(guān)研究，Palmer等[1]分析1993年Shetlands群島的溢油事件時，指出海洋中分散原油隨濃度不同在700 nm、740 nm、800 nm處反射率也不同，440～900nm可用來進(jìn)行溢油油膜信息提取的有效譜段。Foudan[2]的研究表明，擴(kuò)散開的油膜在580 nm、700 nm具有強(qiáng)的反射峰，600～900 nm范圍光譜反射具有最大的油膜遙感探測可能性。Valborg[3]在其博士論文中分析不同油類、不同厚度的油膜在400～850 nm光譜通道的表現(xiàn)。趙冬至等[4]總結(jié)了柴油、潤滑油、原油等3種油膜隨厚度變化的光譜特征，指出736 nm和774 nm對不同的油類具有相同的吸收特征，揭示了油膜隨厚度變化的光譜特征、油水反差規(guī)律及吸收特征參數(shù)等。在可見光波段，隨原油油膜厚度的增加，反射率呈現(xiàn)出下降的趨勢。張永寧等[5]分析了海洋溢油波譜特征，指出500～580 nm是不同油膜最高反射率的所在位置；此外近紅外光譜可用來鑒別不同的溢油種類，提出利用TM和AVHRR數(shù)據(jù)監(jiān)測煤油、輕柴油、潤滑油、重柴油和原油的最佳波段組合。付玉慧等[6]通過原油、重柴油、輕柴油、潤滑油和煤油溢油波譜特征測試分析，繪制各油種不同厚度時光譜特征曲線圖，篩選出各種油膜不同厚度時的最佳衛(wèi)星通道組合與增強(qiáng)處理模式。陸應(yīng)誠等[7]結(jié)合海面甚薄油膜光譜響應(yīng)特征分析，指出海面甚薄油膜存在平行多光束干涉現(xiàn)象，入射到薄膜內(nèi)的光由于多次反射和折射導(dǎo)致了海面可見光/近紅外光譜反射率的增加，為海面甚薄油膜遙感探測提供了理論依據(jù)。李穎等[8]通過測量海水、碎冰、整冰等不同背景條件下輕柴油和原油油膜的可見光一近紅外光譜反射率曲線，并與潔凈的海水、碎冰和平整冰光譜曲線進(jìn)行比較，得到能有效識別冰區(qū)溢油的波段。

由于油膜厚度在實驗過程難以精確控制，本文通過改進(jìn)實驗方法，利用定量滴定和圖像分割的方法，計算實驗過程中的油膜厚度，通過油膜各波段的相關(guān)性分析，提取最相關(guān)譜段，開展油膜厚度與其光譜相關(guān)模型的研究。

2 油膜實驗

2.1 油樣數(shù)據(jù)

通過國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點實驗室的油指紋庫獲得原油油樣，樣品按照實驗室規(guī)定利用棕色瓶，封裝冷藏保存。樣品為重質(zhì)油，分析其氣相色譜圖得知，正構(gòu)烷烴已被嚴(yán)重降解。

2.2 實驗設(shè)備

ASD(350～2 500 nm)光譜儀，筆記本電腦1臺，1 mL注射器多支，相機(jī)，探頭支架，灰板，黑色棉布，不沾油桶5個，水桶1個(圖1)。

圖1 油膜光譜采集實驗設(shè)備

2.3 實驗方案

本課題中油膜光譜實驗在自然光照條件下進(jìn)行，天氣要求晴朗無云、無風(fēng)、干燥，場地要求開闊、無遮擋物、無強(qiáng)反射體。

針對油膜重復(fù)滴入無法擴(kuò)散的問題，改進(jìn)實驗方法，每次測量5組厚度油膜，利用注射器控制每次滴入桶內(nèi)的油量，保證每次都是一次滴入，使油膜擴(kuò)散后能形成較為連續(xù)且均勻的油膜。待靜置一段時間后，基本無擴(kuò)散處于穩(wěn)定狀態(tài)時，每5 min同時采集光譜和油膜分布圖像，直至油膜完全處于均勻分布狀態(tài)。采集完后，清洗不沾油桶，重復(fù)以上步驟，完成不同厚度油膜光譜數(shù)據(jù)采集。此實驗過程能充分保證油膜的均勻連續(xù)性，且與滴入油量形成一一對應(yīng)關(guān)系，通過圖像處理完成油膜面積及厚度精確計算。

3 油膜厚度計算

為實現(xiàn)油膜實驗厚度控制方法的優(yōu)化，本研究在控制滴入油量的前提下，利用相機(jī)完成現(xiàn)場油膜擴(kuò)散狀態(tài)的記錄，同步開展此狀態(tài)下的光譜測量。篩選油膜停止擴(kuò)散，處于穩(wěn)定狀態(tài)時的圖像和同步光譜作為均勻厚度的可用實驗數(shù)據(jù)。根據(jù)油膜與水體灰度閾值的不同，利用圖像分割方法，實現(xiàn)油膜面積的相對準(zhǔn)確計算，進(jìn)而可求算出油膜厚度，根據(jù)油膜厚度對應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)分析光譜隨厚度的變化情況。

以油樣0.1 mL時測量結(jié)果為例，圖2為相機(jī)原始記錄相片，根據(jù)多幅照片比對，此時油膜已靜置較長時間，基本不再擴(kuò)散，處于穩(wěn)定狀態(tài)，油膜分布較為均勻，但并未覆蓋整個桶口。

圖2 油膜原始照片

對圖像進(jìn)行預(yù)處理得到圖3所示結(jié)果，去除桶口外其他因素的影響，只留下桶口內(nèi)圖像。

圖3 照片初次處理后結(jié)果

油膜直方圖分布如圖4所示，可看出，同口內(nèi)灰度分布成像雙峰的特點，油膜像元占有較大比例，故油膜灰度處在后峰值處，前峰值為水體本底灰度分布區(qū)域，設(shè)置閾值為130，利用單閾值分割方法實現(xiàn)油膜提取，得到分割結(jié)果見圖5。

圖4 油膜直方圖

圖5 油膜照片分割后結(jié)果

由(2)步驟中可以獲得油膜與桶口像素的比例關(guān)系k，直桶口直徑為d，根據(jù)每次滴入桶內(nèi)油滴的體積v可以計算出光譜測量是桶內(nèi)油膜的厚度h為S桶=π(d/2)2；S油膜=kS桶；h=v/S油膜

利用以上方法計算19次滴入油量所對應(yīng)的厚度(如表1)，由于實驗用不沾油桶口面積固定，油膜厚度與滴入油量呈現(xiàn)較強(qiáng)的線性關(guān)系，如圖6所示，分析油量與厚度的相關(guān)性可知，其復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.908 7，可以認(rèn)為利用圖像分割的方法能較真實地計算油膜擴(kuò)散后的厚度。

表1 油膜厚度計算結(jié)果

序號桶口像素/個油膜像素/個分割閾值比值桶口實際面積/cm2油量/mL油膜厚度/μm1218236619030161050.87165.130.053.472241090420933931150.87165.130.106.973285321623951401250.84165.130.107.214266952721566151150.81165.130.107.50

續(xù)表

圖6 滴入油量與油膜厚度相關(guān)性分析

4 油膜厚度與光譜相關(guān)性分析

4.1 光譜特征

處理后的油樣光譜曲線如圖7所示，從圖中可看出，油膜光譜在350～900 nm范圍內(nèi)較為平滑，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，在1 000 nm以后的波長范圍內(nèi)光譜由于受到大氣、水汽等影響，油膜光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，在1 400～1 500 nm以及1 800～2 000 nm處受水汽影響，整個光譜出現(xiàn)較大波動，此處為典型的水汽吸收波段。在可見光波段內(nèi)，由于受本底水體光譜的影響，油膜反射率呈隨波長增加逐漸減小趨勢。各厚度油膜光譜在761 nm處發(fā)現(xiàn)有異常峰值存在，實驗發(fā)現(xiàn)水體光譜并不存在此突起，表明此處可以作為判斷油膜存在以及油膜厚度反演的敏感波段。

圖7 實驗油樣不同厚度油膜光譜分布

4.2 相關(guān)性分析

圖8為油膜厚度與各波段光譜之間的相關(guān)系數(shù)，900 nm之前具有較好的相關(guān)性且為正相關(guān)，在600～800 nm之間相關(guān)性達(dá)到最高。波長在900 nm 之后油膜厚度與其光譜無明顯相關(guān)性。

圖8 實驗油樣各油膜厚度與光譜相關(guān)性

選擇油樣光譜中的紅光中心波段645 nm處以及紅光與近紅外交界處761 nm波段完成模型建立，如圖9和圖10所示。利用2次、3次多項式可以較好地擬合這2個波段光譜與油膜厚度的相互關(guān)系，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.830 2(645 nm)和R2=0.812 1(761 nm)。

圖9 645 nm波長光譜與油膜厚度相關(guān)性模型

圖10 761 nm波長光譜與油膜厚度相關(guān)性模型

5 結(jié)論

改進(jìn)油膜光譜實驗中的布油方式，利用定量滴定和圖像分割的方法，能夠有效地解決油膜厚度難以精確控制的問題，分析可知，其可信度較高?；诖朔椒ǚ治鰧嶒炘陀湍ず穸扰c其光譜相關(guān)性可知，此油樣在可見光波段具有較高的相關(guān)性，利用相關(guān)性較好的645 nm以及761 nm波段建立油膜厚度與反射光譜的相關(guān)模型，能夠清晰地顯示油膜厚度與光譜之間的相互關(guān)系，為后續(xù)遙感方法溢油量反演提供可信的參考。

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國家海洋局北海分局科技項目“海面油膜厚度與其光譜特征的相關(guān)性分析(2013A01)”；海洋工程和海上溢油生態(tài)補償/賠償關(guān)鍵技術(shù)研究示范項目(201105006)；國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助項目“海洋溢油污染風(fēng)險評估及應(yīng)急響應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)集成及示范應(yīng)用”(201205012).

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1005-9857(2015)07-0107-04