不同厚度海上油膜高光譜遙感波段敏感性研究

劉丙新，李 穎，張至達(dá)，周 新

(大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

不同厚度海上油膜高光譜遙感波段敏感性研究

劉丙新，李 穎，張至達(dá)，周 新

(大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

利用地物反射率光譜結(jié)合星載高光譜遙感環(huán)境噪聲估計(jì)法，研究了星載高光譜遙感數(shù)據(jù)對(duì)較薄、中等、較厚原油油膜的響應(yīng)特性，并提出了敏感波段.結(jié)果表明：對(duì)于較薄油膜(10 μm和50 μm)，Hyperion傳感器的第8—52波段能夠有效識(shí)別；對(duì)300 μm和1 000 μm的中等厚度油膜，Hyperion傳感器的探測(cè)通道為第26—53波段；對(duì)于1 500 μm和2 000 μm的較厚油膜， Hyperion的第15—23波段以及第27—49波段數(shù)據(jù)探測(cè)性能較好.

高光譜遙感；油膜厚度；敏感性

海上溢油是海洋污染的主要形式之一，溢油發(fā)生后，其位置、種類、面積和相對(duì)厚度等相關(guān)信息[1]是公眾和媒體十分關(guān)注的.在應(yīng)用遙感進(jìn)行溢油檢測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外對(duì)多光譜、熱紅外、雷達(dá)等均有廣泛的研究與應(yīng)用[2-3]，但由于海洋環(huán)境復(fù)雜、海面大氣影響及水體對(duì)電磁波的散射與吸收作用，海面油膜遙感信息較弱，導(dǎo)致海面油膜信息提取時(shí)存在“同物異譜，同譜異物”的現(xiàn)象.隨著高光譜遙感技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，針對(duì)海面油膜信息的高光譜遙感探測(cè)技術(shù)研究也得到不斷發(fā)展，該技術(shù)可獲取地物目標(biāo)近乎連續(xù)的反射光譜，從而根據(jù)光譜特征差異來區(qū)分海水與溢油目標(biāo).對(duì)于海上油膜的光譜特征，國(guó)內(nèi)已進(jìn)行了很多研究，并取得了一系列的成果[4-6].此外，Lammonglia等[7]對(duì)原油、油膜以及乳化后的油的光譜特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)量與分析，指出三種狀態(tài)下均可表現(xiàn)出可見光近紅外的光譜特征；趙冬至等[5]對(duì)潤(rùn)滑油、柴油和原油在不同厚度下的反射率進(jìn)行了分析，并指出柴油隨厚度增加反射率增大，而潤(rùn)滑油和原油則反之；張永寧等[8]根據(jù)油膜光譜特征選擇利用衛(wèi)星通道以達(dá)到區(qū)分油水的目的.但是利用星載高光譜遙感數(shù)據(jù)對(duì)油膜和海水進(jìn)行識(shí)別，尤其是不同油膜厚度敏感性的研究還鮮見報(bào)道.本文借鑒M.Wettle等[9]的方法，以Hyerion高光譜遙感數(shù)據(jù)為例，通過光譜響應(yīng)函數(shù)對(duì)實(shí)測(cè)光譜進(jìn)行重采樣，并計(jì)算Hyperion圖像數(shù)據(jù)的環(huán)境噪聲等效反射比，將地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，以此為基礎(chǔ)評(píng)價(jià)了該數(shù)據(jù)對(duì)不同厚度油膜和海水光譜差異的敏感性.遙感數(shù)據(jù)對(duì)油膜厚度的敏感性是傳感器進(jìn)行油膜探測(cè)潛力的標(biāo)志之一，是利用光學(xué)遙感進(jìn)行溢油監(jiān)測(cè)與識(shí)別的重要前期研究，對(duì)選擇適當(dāng)?shù)倪b感數(shù)據(jù)、有效識(shí)別海上油膜信息具有一定的參考意義.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 油膜光譜反射率測(cè)量

本文所采用的設(shè)備是ASD FieldSpec?3地物光譜儀，其光譜范圍為350～2 500 nm，采樣間隔為1.4 nm (350～1 000 nm)和2 nm (1 000～2 500 nm).實(shí)驗(yàn)水槽采用70 cm高的圓桶，內(nèi)涂黑色啞光漆、外用遮光布遮嚴(yán)，以模擬深水環(huán)境.測(cè)量地點(diǎn)選擇在周圍無高出建筑物、無雜散光的樓頂平臺(tái).測(cè)量時(shí)天空晴朗無云，風(fēng)力微弱，以保證水面基本處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài).

利用100 mL注射器向水面緩慢滴入定量油，根據(jù)滴入油的體積和油膜所形成的面積，計(jì)算油膜厚度.數(shù)據(jù)采集前，儀器自動(dòng)進(jìn)行暗電流校正，測(cè)量過程中每隔3～5 min進(jìn)行一次優(yōu)化；測(cè)量時(shí)探頭距觀測(cè)表面50 cm，并保持垂直向下，視場(chǎng)角3°；參考板采用與ASD FieldSpec?3相配套的漫反射標(biāo)準(zhǔn)參考板；每次測(cè)量重復(fù)10次，剔除異常曲線后取目標(biāo)反射亮度的平均值(Do)；在其前后準(zhǔn)同步測(cè)量參考板反射太陽(yáng)輻射的平均值(Dr).通過比值法計(jì)算測(cè)量目標(biāo)的反射率[10]

式中：Ro，Rr分別為測(cè)量目標(biāo)和參考板的反射率；Do，Dr分別為測(cè)量目標(biāo)和參考板反射亮度的測(cè)量平均值；λ為波譜采樣點(diǎn)的中心波長(zhǎng).

1.2 Hyperion數(shù)據(jù)獲取與處理

研究中所需的影像數(shù)據(jù)采用了Hyperion于2006年5月6日獲取的影像數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包括了遼東灣區(qū)域.Hyperion是地球觀測(cè)一號(hào)星(EO-1)上搭載的推掃式高光譜成像光譜儀，其光譜范圍為356～2 577 nm，共有242個(gè)波段，光譜分辨率約為10 nm.經(jīng)過輻射定標(biāo)處理的波段數(shù)為198個(gè)，實(shí)際可用波段為196個(gè)[11].考慮到水體在大于1 000 nm后對(duì)光的強(qiáng)吸收作用，本文選擇波長(zhǎng)小于1 000 nm的Hyperion波段進(jìn)行分析.為獲取Hyperion數(shù)據(jù)上地物的反射率數(shù)據(jù)，本文利用ENVI 4.5的FLAASH軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正.

1.3 遙感影像環(huán)境噪聲等效反射比計(jì)算

對(duì)傳感器-大氣-目標(biāo)系統(tǒng)噪聲的準(zhǔn)確估計(jì)，能夠提高環(huán)境信息提取的準(zhǔn)確性.為評(píng)估遙感系統(tǒng)提取環(huán)境變量的準(zhǔn)確性和精確性，需要對(duì)遙感圖像的環(huán)境噪聲等效輻射率和環(huán)境噪聲等效反射比進(jìn)行計(jì)算.環(huán)境噪聲當(dāng)量由傳感器信噪比SNR和特定觀測(cè)圖像的特點(diǎn)構(gòu)成.本文利用環(huán)境噪聲等效反射比來對(duì)其進(jìn)行描述，該值與儀器的信噪比有關(guān)，同時(shí)受到大氣變量、汽-水界面、太陽(yáng)光和天空光的散射等影響[9].公式為

RE=σ(R).

式中：RE是環(huán)境噪聲等效反射比值；σ(R)是圖像上一個(gè)覆蓋內(nèi)部盡量均勻、光學(xué)深度很大水域的窗口內(nèi)各波段反射率的標(biāo)準(zhǔn)差，通過調(diào)整窗口大小(3×3，5×5，7×7等)，使σ(R)達(dá)到收斂[12].在窗口位置選擇上，采用Wettle等人提出的局部收斂自動(dòng)定位算法(automated local convergence locator，ALCL)[13].

1.4 油膜厚度敏感性評(píng)價(jià)

通過光譜測(cè)量獲得不同厚度情況下油膜的連續(xù)光譜，并以此計(jì)算其反射率，記為Rm.通過Hyperion數(shù)據(jù)光譜響應(yīng)函數(shù)，對(duì)Rm進(jìn)行濾波，得到Hyperion數(shù)據(jù)對(duì)不同厚度油膜的響應(yīng)，結(jié)果光譜反射率記為Rr，并將Rr歸一化至Hyperion的環(huán)境噪聲等效反射比值光譜.以此將反射光譜拉伸到遙感數(shù)據(jù)可區(qū)分的量級(jí)，記為S.結(jié)果光譜揭示了Hyperion數(shù)據(jù)在區(qū)分油膜厚度方面的理論極限值，見圖1.

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 反射率光譜特征

圖2是海水和不同厚度油膜的反射率光譜特征，油膜的厚度分別為10，50，300，1 000，1 500和2 000 μm.通過光譜曲線可知，在整個(gè)波段范圍內(nèi)，油膜越薄，其測(cè)得的反射率值越大.同時(shí)可知，較薄的油膜(10，50 μm)的反射率總是高于海水的反射率，尤其在427～583 nm的可見光近紅外波段，油膜和海水的反射率光譜曲線差異較大，而在波長(zhǎng)498～579 nm之間，較厚的油膜(1 500，2 000 μm)的反射率比海水的低.對(duì)于所有厚度油膜，在771 nm處具有明顯的峰值.

圖2 海水和不同厚度油膜反射率光譜曲線

2.2 實(shí)測(cè)反射率光譜經(jīng)響應(yīng)函數(shù)濾波后的光譜特征

圖3是不同厚度油膜的實(shí)測(cè)反射率光譜經(jīng)Hyperion的光譜響應(yīng)函數(shù)濾波所形成的光譜曲線，其中包含測(cè)量時(shí)背景海水的反射率光譜曲線.圖4是油膜與海水的實(shí)測(cè)反射率經(jīng)傳感器響應(yīng)函數(shù)處理并利用環(huán)境噪聲等效反射比值歸一化處理后的光譜曲線，圖5是經(jīng)環(huán)境噪聲等效反射比值歸一化處理后不同厚度油膜的環(huán)境噪聲等效反射比值分別減去海水的環(huán)境噪聲等效反射比值所得到的光譜曲線.

圖3 傳感器波譜響應(yīng)函數(shù)處理后反射率光譜

根據(jù)Wettle等[8]的研究，以環(huán)境噪聲等效反射比值為單位進(jìn)行度量，若兩個(gè)地物在某波長(zhǎng)位置的環(huán)境噪聲等效反射比值度量值絕對(duì)值大于1，在傳感器所獲取的圖像數(shù)據(jù)上，二者在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)能夠有比較明顯的區(qū)別，則傳感器在該波長(zhǎng)位置所獲取的數(shù)據(jù)能夠區(qū)別這兩個(gè)地物.由圖5可發(fā)現(xiàn)，較薄的油膜(10，50 μm)和海水的環(huán)境噪聲等效反射比值差異在427～875 nm間均超過1，即在此波段范圍內(nèi)Hyperion數(shù)據(jù)能夠區(qū)分薄油膜和海水的差異，從而識(shí)別海上的薄油膜.在498～579 nm和620～854 nm范圍內(nèi)，較厚的油膜(1 500，2 000 μm)和海水的環(huán)境噪聲等效反射比值的差異也均超過1，因此在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)利用Hyperion數(shù)據(jù)進(jìn)行厚油膜的識(shí)別更加有效.對(duì)于中間厚度(300，1 000 μm)的油膜，在427～590 nm范圍內(nèi)與海水的環(huán)境噪聲等效反射比值的差異并不是很大，但是差異先為正，后為負(fù)，并且在610～885 nm范圍內(nèi)與海水的環(huán)境噪聲等效反射比值差異均大于1.理論上通過Hyperion傳感器能夠比較好地識(shí)別海上原油油膜，薄油膜和厚油膜的環(huán)境噪聲等效反射比值差異主要體現(xiàn)在508～610 nm范圍內(nèi)，并且能夠區(qū)分薄油膜和厚油膜.

圖4 歸一化至環(huán)境噪聲等效反射比的反射率曲線

圖5 油膜與海水歸一化反射率差異

3 結(jié)論

本文利用Hyperion高光譜數(shù)據(jù)對(duì)海上溢油油膜厚度探測(cè)的能力進(jìn)行了評(píng)估，利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)油膜厚度能力的分析，得到了進(jìn)行油膜厚度監(jiān)測(cè)的最有效的波段范圍，節(jié)約了經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本.

通過對(duì)實(shí)測(cè)水體和不同油膜厚度數(shù)據(jù)重采樣并利用環(huán)境噪聲等效反射比值進(jìn)行歸一化處理，再分別與海水的環(huán)境噪聲等效反射比值相減可得到光譜通道的敏感程度.對(duì)于較薄油膜(10，50 μm)，Hyperion傳感器的第8—52波段能夠有效識(shí)別；對(duì)300，1 000 μm的中等厚度油膜，Hyperion傳感器的探測(cè)通道為第26—53波段；對(duì)于較厚油膜(1 500，2 000 μm)， Hyperion的第15—23波段以及第27—49波段數(shù)據(jù)探測(cè)性能較好.

本文對(duì)Hyperion高光譜傳感器對(duì)海上原油油膜的探測(cè)性能進(jìn)行了初步研究，獲取的星載高光譜遙感影像與實(shí)測(cè)光譜曲線完全同步，研究結(jié)果將更有實(shí)用性與針對(duì)性；另外研究精度還需要考慮具體海況、天氣條件及觀測(cè)角度等因素.

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(責(zé)任編輯：方 林)

Study on the sensitivity of hyper-spectral imagery to detect oil film with different thickness

LIU Bing-xin，LI Ying，ZHANG Zhi-da，ZHOU Xin

(College of Navigation，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China)

The reflectance of water and different crude oil film thickness was measured in this study. The spectral response functions of Hyperion sensor was used for filtering the measured reflectance to the theoretic spectral response. Then，these spectral response spectra were normalized to environmental noise equivalent reflectance. Final，subtract the environmental noise equivalent reflectance between crude oil film and water，according to which，the sensitivity of the sensor in oil film detecting could be evaluated. For thin oil film(10 μm and 50 μm)，the range for Hyperion sensor to identify the film is within the Band 8 to Band 52. Band 26—53 of Hyperion sensor are the most efficient ones to monitor the medium oi film(300 μm and 1 000 μm). For thick oil film(1 500 μm and 2 000 μm)，the range for Hyperion sensor to identify the film is within the wavelength from Band 15—23 and Band 27—49.

hyper-spectral remote sensing；oil film thickness；sensitivity

1000-1832(2015)04-0156-05

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2015.04.032

2014-08-09

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA7013037)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51509030)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(3132015006)；國(guó)家海洋公益項(xiàng)目(201205012，201305002)；遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015020081).

劉丙新(1984—)，男，博士，副教授，主要從事遙感技術(shù)應(yīng)用研究；通訊作者：李穎(1968—)，女，教授，主要從事海洋溢油遙感監(jiān)測(cè)研究.

TP 722.4 [學(xué)科代碼] 420·2040

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