遙感技術(shù)海上溢油監(jiān)測研究進(jìn)展

宋仕林 朱永英* 張明慧

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

遙感技術(shù)海上溢油監(jiān)測研究進(jìn)展

宋仕林 朱永英* 張明慧

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

從衛(wèi)星遙感、航空遙感、地面遙感三個角度對海上溢油監(jiān)測的研究成果進(jìn)行了論述，對溢油遙感監(jiān)測中存在的問題進(jìn)行了探討，并對未來遙感技術(shù)在該領(lǐng)域的研究趨勢進(jìn)行了展望，以期為海上溢油研究提供參考。

遙感技術(shù)，溢油，監(jiān)測，無人機(jī)，傳感器

隨著石油產(chǎn)業(yè)和海上運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，海洋石油污染頻發(fā)，給海洋生態(tài)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重?fù)p失。遙感技術(shù)作為監(jiān)測海上溢油的一種有效手段，通過圖像解譯和特征分析，能精確定位事故地點(diǎn)和提取油膜光譜特征，為溢油應(yīng)急處置提供決策依據(jù)[1]。近年來，遙感技術(shù)在海洋環(huán)境監(jiān)測、資源開發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛，在溢油污染監(jiān)測方面已得到國內(nèi)外學(xué)者的重視。本文從衛(wèi)星遙感、航空遙感、地面遙感三個角度總結(jié)近年來遙感技術(shù)在海上溢油監(jiān)測方面的研究成果，探討海洋溢油遙感監(jiān)測的不足，并對未來遙感技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望，以期為海上溢油研究提供參考。

1 衛(wèi)星遙感溢油監(jiān)測

衛(wèi)星遙感具有全天候?qū)崟r監(jiān)測、探測范圍廣等優(yōu)勢，是海洋環(huán)境監(jiān)測的有效手段之一。溢油改變了遙感影像中原海水背景的灰度、紋理、亮度等基本特征，因此通過分析圖像特征變化能夠識別出溢油。針對遙感光譜數(shù)據(jù)溢油監(jiān)測的研究開展較早，并取得了諸多成果[1,2]。但早期的光譜數(shù)據(jù)波段信息不連續(xù)，提取的油膜信息有限。隨著高光譜探測技術(shù)的發(fā)展，地物光譜較窄的通道數(shù)據(jù)被探測，進(jìn)一步提高了溢油的識別準(zhǔn)確率。目前，微波雷達(dá)遙感不受天氣條件影響，對溢油范圍的監(jiān)測最為有效，在環(huán)境監(jiān)測中受到許多國家重視。

在溢油范圍研究方面，研究人員基于遙感圖像采用閾值分割、光譜角匹配、邊緣檢測等算法，實(shí)現(xiàn)了溢油信息提取[3-5]。在油種識別研究方面，模糊邏輯檢測、深度信念網(wǎng)絡(luò)、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法具有較大優(yōu)勢，能有效識別溢油類型[6-8]。在溢油量估計(jì)研究方面，熊攀等開展了油膜厚度與反射率關(guān)系研究，為油膜厚度的估算提供理論依據(jù)[9]。溢油總量多借助于溢油范圍和油膜厚度來估算。M.S.Lee和B.G.Gautama等開展了反射率和消光系數(shù)的溢油厚度研究，取得了較好效果[10,11]。這些研究多以實(shí)測油膜數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，忽略了空間尺度、海洋環(huán)境對油膜光譜的影響[6-8,10,11]。在溢油軌跡研究方面，“油粒子”溢油軌跡和風(fēng)化模型、二維拉格朗日軌跡模型等方法被用于溢油漂移模擬，研究中考慮了氣象條件、潮流等因素對油膜擴(kuò)散的影響[12,13]。目前對海上溢油范圍的研究理論和方法較為成熟，而對于溢油量的估計(jì)多結(jié)合地面遙感實(shí)測油膜光譜進(jìn)行研究，精度相對較低，同時對海上溢油漂移擴(kuò)散預(yù)測的研究相對較少，有待深入研究。

2 航空遙感溢油監(jiān)測

航空遙感具有探測速度快、靈活機(jī)動、空間分辨率高等優(yōu)勢，在溢油監(jiān)測應(yīng)用中發(fā)展較快，成為衛(wèi)星遙感的有效補(bǔ)充。

在航空遙感溢油監(jiān)測方面，研究人員采用曲波變換、決策樹分類、Borda算法等方法實(shí)現(xiàn)了航空遙感數(shù)據(jù)不同油種、厚薄油膜、油膜與非油膜的信息提取[14-16]?；诤娇者b感監(jiān)測海上溢油，大連海事大學(xué)較早地開展了相關(guān)試驗(yàn)研究，由李穎科研小組開發(fā)的空基機(jī)載激光熒光溢油探測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了海上油膜、油種和油膜厚度的信息獲取和自動識別，在國內(nèi)外屬首創(chuàng)。根據(jù)油膜和海水之間不同的熱紅外特性，陳澎等分析了不同條件下油膜的熱紅外特征，有效監(jiān)測了溢油，在“7·16”大連新港油污清理中發(fā)揮了重要作用[17]。目前，海上溢油的熱紅外監(jiān)測研究仍處于初級階段，不能排除海岸線、海洋植物的干擾，無法識別薄油膜。

無人機(jī)作為新型航空遙感監(jiān)測平臺，能夠搭載多種高分辨率探測設(shè)備，具有高機(jī)動性、低成本的優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境和海岸帶監(jiān)測等領(lǐng)域[18,19]，未來在遙感溢油應(yīng)急監(jiān)測中有較大應(yīng)用潛力。

3 地面遙感溢油監(jiān)測

海上溢油地面遙感監(jiān)測主要有固定點(diǎn)監(jiān)測、船舶監(jiān)測、浮標(biāo)監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)監(jiān)測等。固定點(diǎn)監(jiān)測通常用于港口、碼頭和橋梁等地，傳感器多采用激光熒光和電磁能量吸收傳感器，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)全天監(jiān)測和自動報警，但受傳感器條件限制，監(jiān)測范圍較小。船舶通過搭載航海雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)海上溢油全天候、實(shí)時探測，不受雨霧等天氣的影響，縮短了溢油應(yīng)急響應(yīng)時間，能夠?qū)崿F(xiàn)溢油位置的精確定位和溢油面積的估計(jì)[20]，但船舶監(jiān)測在速度和靈活性方面存在不足。海上浮標(biāo)是一種新型溢油監(jiān)測設(shè)施，主要用于溢油跟蹤，當(dāng)溢油發(fā)生后將其投入溢油區(qū)，能實(shí)時獲取油膜漂移的速度、軌跡和溢油厚度等信息[21]。油膜光譜特征是遙感監(jiān)測溢油的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，文獻(xiàn)[9][22]開展了不同油種的紫外—近紅外、熱紅外等波段的實(shí)驗(yàn)研究，獲取了光譜特征信息，為遙感圖像溢油監(jiān)測提供了數(shù)據(jù)支撐，但研究中未考慮復(fù)雜海況條件對油膜光譜特征的影響。

4 前景

隨著遙感、圖像處理等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)在海洋資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、科學(xué)研究等方面對傳感器的光譜分辨率、空間分辨率等性能提出了更高要求，需要研制高性能傳感器和小型化探測設(shè)備。通過遙感圖像解譯獲得不同地物的光譜特征，雖能實(shí)現(xiàn)溢油與假目標(biāo)的區(qū)分，但對油品快速識別和溢油量的精確估算等方面達(dá)不到精度要求，仍需要進(jìn)一步研究。受海洋環(huán)境影響，油膜在不同階段的光譜特征差異明顯，油膜信息的實(shí)時探測難度較大，這就需要進(jìn)一步開展海上溢油實(shí)驗(yàn)，研究油品在復(fù)雜海況環(huán)境下的波譜特征，建立油指紋數(shù)據(jù)庫，為遙感溢油監(jiān)測和油種快速識別提供數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)語

從衛(wèi)星遙感、航空遙感、地面遙感三個角度總結(jié)了近年來遙感技術(shù)在海上溢油監(jiān)測的研究成果，探討了溢油監(jiān)測存在的不足，分析了遙感溢油監(jiān)測的發(fā)展前景，以期為海上溢油研究提供參考。

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Advances in marine oil spill monitoring using remote sensing

Song Shilin Zhu Yongying* Zhang Minghui

(OceanandCivilEngineeringDepartment,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China)

The paper indicates the research results of the oil spill monitoring from the satellite remote sensing, aerial remote sensing, and ground remote sensing, explores the problems in the oil spill monitoring, and has the prospect for the research trend for the future remote sensing technique in the field, so as to provide some reference for the ocean oil spill research.

remote sensing technique, oil spill, inspection, drone, sensor

1009-6825(2017)20-0205-02

2017-04-26

朱永英(1979- )，女，副教授

TP753

A