基于星載SAR的海上溢油檢測研究進展

李穎，李冠男，崔璨

（1.大連海事大學航海學院，遼寧大連116026；2.大連海事大學環(huán)境信息研究所，遼寧大連116026）

基于星載SAR的海上溢油檢測研究進展

李穎1，2，李冠男1，2，崔璨1，2

（1.大連海事大學航海學院，遼寧大連116026；2.大連海事大學環(huán)境信息研究所，遼寧大連116026）

基于大量有關(guān)星載SAR溢油檢測研究和溢油微波散射特性研究文獻的梳理和總結(jié)，回顧了星載SAR傳感器的發(fā)展歷程和海上溢油檢測技術(shù)原理，重點總結(jié)了目前國內(nèi)外基于單極化SAR數(shù)據(jù)、全極化SAR數(shù)據(jù)對溢油信息提取研究的進展，概述了溢油水面微波散射特性研究對SAR溢油檢測研究的重要輔助作用及當前的研究成果，分別討論了目前星載SAR溢油檢測和溢油微波散射特性研究中存在的不足，并針對今后需解決的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向進行簡要分析。

SAR；溢油檢測；微波散射特性；信息提取

海洋占地球表面積的70%，蘊藏了豐富的資源和巨大的能量，但是人類在不斷的汲取資源和能量的同時也將破環(huán)和污染反作用于海洋環(huán)境（閆殿武，2001）。近幾年，隨著海洋石油資源的不斷勘探和開采，石油加工業(yè)和海上運輸業(yè)的快速發(fā)展，海上油氣田溢油、輸油管道破裂、載油船舶的突發(fā)性溢油等重大海洋事故的數(shù)量也隨之增多，如2010年4月美國墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺爆炸事件及2010年7月大連新港輸油管爆炸事件均導致大量的油污泄漏入海，不僅對海洋、大氣及海岸帶生態(tài)環(huán)境造成污染和破壞，引起生物的大量死亡，更間接影響了整個生物鏈，造成巨大的經(jīng)濟損失（陳澎，2012；劉丙新，2013）。

海洋溢油事故發(fā)生后，能夠?qū)κ鹿拾l(fā)生的位置、溢油的面積及后期的擴散趨勢進行實時的跟蹤監(jiān)測是應急指揮工作和后期油污清理的根本保證（劉朋，2012）。相對于傳統(tǒng)的溢油探測方法，遙感技術(shù)具有省時省力、監(jiān)測范圍廣泛、時效性強等優(yōu)勢，已成為目前海上溢油檢測的主要手段之一，其中，SAR因具有全天時全天候、受云霧天氣影響小、能夠?qū)σ缬蛥^(qū)域有效的識別等特點而最具代表性，在目前海洋溢油檢測系統(tǒng)中得到廣泛的應用。

星載SAR是指搭載在衛(wèi)星平臺上的SAR傳感器，能夠在以上的優(yōu)勢基礎(chǔ)上提供空間角度大面積探測范圍的影像數(shù)據(jù)，引領(lǐng)了眾多學者致力于該方面研究，在影像的溢油信息提取方面取得了大量的成果；另一方面，SAR的成像機理是獲取被測目標的后向散射回波信號，因此通過開展溢油微波散射測量實驗能夠更好的理解和掌握溢油的微波散射機理和散射特性，同時為輔助星載SAR溢油檢測的相關(guān)研究提供可靠的實測數(shù)據(jù)（劉朋，2012；鄒亞榮，2014）。本文從星載SAR的發(fā)展進程出發(fā)，梳理國內(nèi)外星載SAR海洋溢油監(jiān)測研究的歷史和現(xiàn)狀，論述了溢油微波散射特性研究對星載SAR溢油監(jiān)測研究的重要輔助作用，總結(jié)了目前研究中存在的不足，以期為今后基于SAR的海洋溢油監(jiān)測研究提供一定的參考。

1 星載SAR的溢油探測機理

合成孔徑雷達（SAR）作為微波遙感技術(shù)的分支，不依賴于太陽光照條件，擁有“穿云透霧”的觀測本領(lǐng)，能夠穿透大氣和云層并有效的識別偽裝物及遮蓋物；SAR主要工作波段為P、L、S、C、X，極化模式包括HH、VV、HV、VH 4種，利用搭載的衛(wèi)星和目標物之間的相對運動將小尺寸天線孔徑合成較大的等效天線，在距離向上發(fā)射壓縮的微波短脈沖從而獲取較高的距離分辨率，同時在方位向上利用散射信號多普勒頻移獲取較高的方位分辨率，最終合成高分辨率的SAR影像（石立堅，2008；劉朋，2012；周圓等，2015）。SAR具備了全天時全天候、穿透能力強、受云霧天氣影響小等獨特優(yōu)勢，適合進行溢油檢測工作并能夠?qū)σ缬蛥^(qū)域進行有效的識別，這些優(yōu)勢是可見光和紅外等傳感器無法達到的，因此SAR逐漸成為探測海洋溢油的有效傳感器之一，已廣泛應用于海上溢油探測工作（Kasischke et al，1984；石立堅，2008）。

當海上發(fā)生溢油事故時，油膜覆蓋在海面上阻尼了海面毛細波及短重力波而改變了海表的粗糙程度，信號在光滑的油膜上發(fā)生鏡面反射背離SAR傳感器從而導致SAR接收的后向散射回波減小，引起B(yǎng)ragg散射，同時與星載SAR工作半波長相近的Bragg波波長越短，油膜對其分布的改變能力越強，接收的后向散射信號越少，圖像反映了Bragg散射形成的后向散射；基于海面電磁散射微擾模型可得到一階后向散射系數(shù)為（Wright，1968；劉朋，2012）：

其中，W（2kesinθ，0）是海面毛細波和短重力波的波數(shù)譜；Ke是電磁波數(shù)；θ是入射角；i，j是極化方式；εr是海水相對介電常數(shù)，與海水溫度和鹽度相關(guān)。海面油膜對Bragg共振短波的阻尼作用可以表示為：

隨后，許多專家學者針對SAR對溢油的探測機理進行了相關(guān)研究，Alpers等（1989）和Cini等（2008）針對溢油對海表面粗糙程度抑制作用而引起海面的“Marangoni”效應的機理和作用進行了研究。Pinel（2008）建立了溢油的海浪譜衰減模型，分析了海面溢油對短重力波等的抑制，為后續(xù)溢油探測機理研究提供了模型參考和理論基礎(chǔ)。綜上，海面的油膜通過改變海面張力衰減Bragg短波的波數(shù)譜，從而降低了SAR接收到的后向散射回波信號，因此在SAR圖像上表現(xiàn)為具有突出的“暗”特性低散射區(qū)，與周圍粗糙度較大的背景海水相比具有明顯的區(qū)別，是基于SAR溢油檢測和提取的理論基礎(chǔ)。

1978年美國發(fā)射了攜帶SAR的衛(wèi)星Seasat，工作在L波段的HH單極化模式，標志著星載SAR正式應用于海洋觀測研究（Jordan，1980；劉朋，2012）；歐空局分別于1991和1995年發(fā)射了搭載SAR的ERS-1、ERS-2，工作于C波段，極化模式為VV，進行了大量的海上溢油探測工作和研究，全面開啟了利用SAR進行海上溢油探測研究的時代（Espedal，1999）。隨后，各國陸續(xù)發(fā)射了載有SAR的衛(wèi)星，以期利用SAR的獨特優(yōu)勢服務(wù)于海洋溢油探測研究，如：1992年日本發(fā)射了載有SAR傳感器的資源衛(wèi)星CJ-ERS-1，工作于L波段，極化模式為HH；1995年加拿大發(fā)射了RADARSAT-1，工作于C波段，極化模式為HH；2002年歐空局發(fā)射了ENVISAT-ASAR，工作于C波段；2006年我國成功發(fā)射了載有SAR的“遙感衛(wèi)星一號”，隨后于2012年發(fā)射了環(huán)境衛(wèi)星系列HJ-1C，同時載有SAR、可見光、紅外探測傳感器，對今后多源信息融合的遙感識別研究有著重要作用和意義，并在隨后的幾年中陸續(xù)發(fā)射了同系列衛(wèi)星；隨著各國星載SAR的成功發(fā)射和運行，星載SAR開始了全面發(fā)展，為海洋溢油的研究提供了大量的海上溢油遙感影像，并逐漸由單極化模式向多極化、全極化模式發(fā)展，海洋溢油的研究也不斷深入，如：2006-2007年日本、德國和加拿大分別發(fā)射了ALOS/PALSAR，Terra-SAR和RADARSAT-2，均具有多極化工作模式（Zelli et al，1999；劉朋，2012；洪文（譯），李仲森，鮑狄埃（著），洪文等（譯），2013），為溢油檢測研究提供了新的角度和方法。目前具有代表性的SAR傳感器如表1。

表1 SAR傳感器列表

2 SAR溢油檢測算法的研究現(xiàn)狀

基于SAR海上溢油探測機制和圖像特點，專家學者在SAR溢油檢測研究和相關(guān)的輔助研究方面做了大量的工作和實踐，然而，因為海洋環(huán)境的復雜性和“暗”特征的多解性，很多海洋現(xiàn)象在SAR影像上也同樣表現(xiàn)為“暗”特征，引起混淆，這類海洋現(xiàn)象統(tǒng)稱為“假目標”，主要包括：低風速區(qū)、背風岬角、降雨區(qū)、海冰區(qū)、生物油膜、船舶尾跡、海洋內(nèi)波、河口沖擊區(qū)等；通常表現(xiàn)為：邊界較為模糊的大面積區(qū)域、長期存在于特定地理位置區(qū)域、形狀較為固定不受天氣影響等，而海上溢油區(qū)域在SAR影像上通常表現(xiàn)為濃厚的黑色塊狀區(qū)域，邊緣明顯且平滑，而后隨著風場、流場和擴散作用逐漸變薄，影像暗區(qū)域變大，邊緣逐漸模糊并出現(xiàn)細絲狀油帶（黃曉霞等，1999；劉朋，2012；李寶玉，2013）。因此基于SAR影像提取溢油的關(guān)鍵步驟是有效的提取目標信息并最大程度的剔除假目標信息的干擾（黃曉霞等，1999；徐青等，2011）。根據(jù)SAR傳感器極化模式的差異，以下從兩個方面（單極化和全極化）梳理和總結(jié)SAR的海上溢油檢測算法研究進展，為今后的相關(guān)研究提供技術(shù)總結(jié)和借鑒。

2.1 基于單極化SAR影像的溢油檢測算法研究

單極化SAR是指僅具有單一極化模式（HH或VV）的SAR傳感器；針對單極化SAR溢油影像的分類和提取方面，國內(nèi)外專家提出了很多算法理論，也在實踐的過程中采用多種方法相結(jié)合的手段，以求提高處理結(jié)果的準確度。單極化SAR溢油檢測的簡化過程如圖1。

最為常見的方法是基于圖像處理的方法，主要分為圖像預處理、根據(jù)暗斑區(qū)域進行圖像分割、特征提取等，并在研究的過程中引入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、模式識別等特定理論。

圖1 單極化SAR溢油檢測的簡化流程

在圖像分割算法方面，專家學者結(jié)合不同的算子和模型進行算法優(yōu)化，取得了許多的成果。Change等（1996）融合多尺度分割法和高斯拉普拉斯算子檢測溢油區(qū)的邊緣并提取溢油信息，提高了溢油區(qū)域邊緣的提取效果。Fiscella等（2000）基于半自動方法檢測影像中暗斑區(qū)域，結(jié)合目視解譯對圖像進行灰度特征分割，進而實現(xiàn)溢油區(qū)域和假目標信息的半自動分類。Solberg等（2003）選擇移動窗口內(nèi)平均后向散射系數(shù)減去Kdb為分割閾值，基于多尺度的金字塔方法對溢油區(qū)域進行提取，該方法提高了閾值分割法的識別效率。Shu（2010）提出一種利用空間密度特性來區(qū)分暗斑和背景的方法，使用強度閾值、背景核密度估算劃分出潛在暗斑區(qū)域和潛在背景區(qū)，而后基于區(qū)域閾值和對比度閾值剔除假目標信息進而得到最終提取結(jié)果，該方法能夠較全面的提取溢油信息，提高了整體精度。吳一全等（2012）將Tsallis熵多閾值分割法和CV模型相結(jié)合對SAR影像溢油區(qū)域進行分割提取，降低了CV模型對全局影像復雜度和初始條件局限造成的分割誤差，提高了運行效率。

在特征提取算法的優(yōu)化方面，學者多采用紋理特征計算和篩選的方法進行溢油信息提取。Solberg等（1997）結(jié)合特征選擇法和判別分析法尋找紋理特征的最佳組合，通過結(jié)合不同紋理模型的特征進行計算進而提高分類精度。Nirchio等（2005）利用線性回歸方程法對大量油膜和類油膜樣本的紋理特征求解，依據(jù)得出的經(jīng)驗特征參數(shù)區(qū)分油膜和類油膜。朱宗斌等（2015）計算了SAR影像的幾何、灰度和紋理特征共66個參量，采用二進制離散粒子群優(yōu)化和支持向量機封裝算法對參量進行特征選擇，分別與序列前向搜索結(jié)合支持向量機優(yōu)化法、序列后向搜索結(jié)合支持向量機優(yōu)化法的計算結(jié)果進行對比，結(jié)果表明該方法能夠快速有效的對溢油特征進行篩選和識別。

融合模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和模糊理論等特定理論的溢油檢測算法也取得了廣泛的應用，F(xiàn)rate等（2000）首次將多層感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法用于SAR影像進行溢油的識別和提取，取得了較好的結(jié)果，也為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在SAR溢油信息提取方向的應用奠定了基礎(chǔ)。Topouzelis等（2004）在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上進行了提高和優(yōu)化，以油膜的幾何特征作輸入?yún)?shù)，提高識別溢油精度，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠有效區(qū)分油膜及類油膜的研究提供了有力證據(jù)；隨后又對前期成果的魯棒性進行進一步的研究。石立堅（2008）將SAR影像和MODIS影像結(jié)合對溢油的幾何形態(tài)、紋理特征進行分析，引入模糊識別理論，同時利用水平集算法和多尺度小波算法對影像中模糊邊緣進行有效的監(jiān)測和提取，建立了圖像處理和光學模型分析相結(jié)合的分析處理體系。Marghany（2015）提出一種不涉及圖像預處理的遺傳算法，可實現(xiàn)溢油擴散邊界的局部和全局的優(yōu)化處理；同時將該算法應用于Radasat-2影像實現(xiàn)了墨西哥灣溢油擴散邊界的有效提取。

為了輔助SAR溢油檢測研究，一些學者也針對海上溢油檢測參數(shù)的選取進行了分析和總結(jié)，鄒亞榮（2011）和蘇騰飛（2013）分別針對不同SAR溢油影像對海上溢油監(jiān)測參數(shù)進行綜合分析，結(jié)果表明：X波段和C波段更適合監(jiān)測海上溢油，VV極化方式較其他極化方式更為適合監(jiān)測海上溢油，中等入射角（23°～36°）和中低風速（3.0～7.0 m/s）條件下適合溢油檢測更，易將海水與溢油區(qū)分；該方面研究為溢油監(jiān)測最優(yōu)化條件的選擇提供了一定的技術(shù)參考。

綜上，單極化SAR影像在區(qū)分溢油和“假目標”信方面主要從圖像處理和模式識別等角度出發(fā)，未能結(jié)合SAR傳感器接收的多方面信息進行研究，具有一定的局限性。而全極化SAR具有單極化SAR數(shù)據(jù)缺少的“多源”信息，能夠完成海水及油膜完整信息的采集，具有更多的優(yōu)勢和探測功能。近幾年，各國陸續(xù)發(fā)射了載有雙極化、全極化SAR傳感器的衛(wèi)星，開啟了極化SAR的全面發(fā)展的大門，為極化SAR溢油檢測研究提供了更為廣闊的平臺。

2.2 極化SAR溢油檢測算法研究現(xiàn)狀

全極化SAR是指具有4種極化模式（HH、VV、HV和VH）的SAR傳感器，全極化SAR通過測量目標每一個分辨單元內(nèi)的散射回波進而獲取與目標散射相關(guān)的矩陣，能夠完整獲取海面油膜及背景環(huán)境的物理特性進而電磁特征，可提供能量和相位的全面信息；因此，極化SAR影像在檢測溢油信息方面具有很大的優(yōu)勢。極化SAR溢油檢測算法的簡化過程如圖2。

圖2 極化SAR溢油檢測的簡化過程

在極化SAR溢油檢測算法方面，極化目標分解是一個重要的方法基礎(chǔ)，專家多基于極化散射矩陣和相干矩陣衍生特征模型，在溢油和類溢油的區(qū)分及溢油檢測方面取得了很好的成果。Alpers等（1988）基于實驗結(jié)果提出多波段SAR有助于區(qū)分自然油膜和人為油膜。Wismann等（1998）分別利用L、S、C、X、Ku波段的4種極化模式測量不同種類礦物油品，結(jié)果表明Ku波段衰減率較L和C波段更高，而重油的衰減率與油膜厚度呈現(xiàn)遞增關(guān)系。Migliaccio等（2005）在這方面做了很多的工作，是利用極化散射相干矩陣計算特征值參量，基于極化散射熵和平均散射角的比值對影像進行分類，結(jié)果表明極化特征值可區(qū)分重油、油醇等物質(zhì)；Migliaccio又基于相同數(shù)據(jù)進行目標分解計算，結(jié)果顯示H、A這兩個極化特征在低風速環(huán)境條件下能夠較好的區(qū)分背景海水和溢油區(qū)域，且以H這一參數(shù)的區(qū)分效果最為突出；隨后Migliaccio（2009）利用雙極化SAR數(shù)據(jù)的極化相位差模型區(qū)分溢油和生物油膜，模型結(jié)果表明，在低風速條件下，溢油較海洋背景環(huán)境具有更大的極化相位差標準差值，而生物油膜的標準差值與海洋背景的標準差值相似，且C波段較L波段更具有監(jiān)測優(yōu)勢。Wang等（2010）將若干反熵參數(shù)、相關(guān)系數(shù)等進行組合，借助參數(shù)和組合參數(shù)提取溢油信息。Nunziata等（2011）基于海表Mueller矩陣的全極化電磁模型描述溢油和生物油膜的散射，該模型構(gòu)建了油膜覆蓋海表和無油海面完全不同的散射機制，有利于區(qū)分溢油和生物油膜。Minchew等（2012）利用工作于L波段的SAR數(shù)據(jù)進行相干矩陣的分解，通過散射角、熵值和反射熵值的提取對墨西哥溢油區(qū)域的油膜極化散射特征進行了分析，驗證了極化相干矩陣在溢油信息的特征提取和分類中的優(yōu)勢。

鄒亞榮等（2013）基于SIR-C數(shù)據(jù)提取極化參數(shù)，利用極化相干矩陣特征值計算獲得的極化散射熵H、散射角α和反熵A作為特征向量，通過比較多項式核函數(shù)、徑向基核函數(shù)和多層感知基核函數(shù)的分類結(jié)果后選取支持向量機多層感知基核函數(shù)分類方法提取溢油信息，結(jié)果顯示基于支持向量機的分類方法能夠更好的區(qū)分溢油和海水背景。楊帆等（2015）提出基于極化分解模型得到的Bragg散射能量占比可以有效從海雜波里檢測出溢油區(qū)域，同時能夠有效的排除油醇干擾虛警；模型結(jié)果表明：利用C波段各種極化模型下該特征能夠有效鑒別油膜和類油膜，而利用HH/ VV雙極化數(shù)據(jù)和緊縮進化模式對大面積溢油監(jiān)測具有很好的效果。

綜上所述，目前關(guān)于極化SAR溢油檢測、溢油和疑似油膜區(qū)分的研究仍需深入；但多波段、多極化SAR數(shù)據(jù)的應用前景卻是眾所周知的。通過極化SAR數(shù)據(jù)的處理和分析可以獲取海上油膜、背景海水和“假目標”信息等的微波散射特性參數(shù)，是SAR對溢油信息深入研究的理論基礎(chǔ)和重要依據(jù)；其中散射系數(shù)是描述微波散射特性的重要物理量，也是進行定量遙感研究的基礎(chǔ)（理查茲（著），邢孟道等（譯），2008；鄒亞榮，2014）；因此，基于全極化SAR海上溢油檢測研究中，除了對影像進行極化分解等圖像處理技術(shù)外，對海水及覆蓋油膜進行實際的微波散射測量實驗也是至關(guān)重要的。近幾年，基于室內(nèi)、陸基微波散射計對海水及油膜微波散射特征分析和研究也逐漸發(fā)展為重要的課題，通過研究不同海況條件下波段、入射角度、極化模式與其后向散射系數(shù)的關(guān)系及變化的影響，可以更好的理解溢油的微波散射特性，為輔助極化SAR溢油檢測研究和極化SAR數(shù)據(jù)的處理提供基礎(chǔ)研究，也為日后建立溢油極化散射特性與極化參數(shù)反演的耦合關(guān)系模型提供數(shù)據(jù)源，同時為今后SAR溢油檢測參數(shù)設(shè)置、條件的選取及數(shù)據(jù)的正確處理提供指導性幫助。

3 溢油微波散射特性研究現(xiàn)狀

鑒于室內(nèi)、陸基等微波散射計對地物的散射特性進行研究具有重要的意義，國外在上世紀中期開始構(gòu)建了微波散射系統(tǒng)并開展了地物微波散射特性的相關(guān)研究（Koo et al，1999；Hwang et al，2010；Luzi et al，2004）。我國也自20世紀80年代開始進行地物的微波散射特性研究。

電磁波入射物體表面后能量向各個方向散開，稱為散射；其中，散射回到入射源的能量為后向散射，為定量描述散射目標物的散射強度，引入雷達截面積（RCS）定義來度量，由雷達方程（理查茲（著），邢孟道等（譯），2008；石立堅，2008）：

其中，Pr和Pt分別為接收天線輸出功率和發(fā)射機饋給發(fā)射天線的功率；G為天線增益；R為天線到目標的有效距離；σ為雷達散射截面，由目標物質(zhì)的外形、電磁特性等參數(shù)決定，是一個標量，表示為：

以上表達也通常轉(zhuǎn)換為電場幅度表示形式，即：

其中，|Es|和|Et|分別代表了后向散射電場和入射電場的幅度。在研究地物微波散射特性時，引入了微波散射系數(shù)，其定義為單位面積下被照射區(qū)的雷達散射截面，通常，微波散射系數(shù)以對數(shù)形式存在參與計算；以上定義的RCS為單獨的實標量，主要應用于發(fā)射波為單極化情況（理查茲（著），邢孟道等（譯），2008）。

當入射到散射物的波為特定極化模式時，散射波特性由入射波源的極化狀態(tài)、散射體極化特征等決定；常見的極化包括：線極化和圓極化，為了能夠完整描述入射波和散射物之間的相互作用，引入極化散射矩陣的定義。當發(fā)射源和接受源與散射目標物間的距離足夠遠，能夠使得入射到目標的入射波和接收源的散射波近似為平面波，極化散射矩陣表示為（理查茲（著），邢孟道等（譯），2008；Holm，1987；knott，1985）：

則RCS與散射矩陣S的關(guān)系可表示為：

綜上，基于微波散射系數(shù)用來研究被照射區(qū)域的性質(zhì)，是目前微波遙感研究的主要參數(shù)，也是目前學者對目標地物進行研究和分析的主要內(nèi)容；Pelyushenko等（1995）基于微波測量裝備對水面油膜進行了W、Ka、Ku 3個波段的室內(nèi)模擬和室外測量，為后期的模型改進和溢油識別提供了指導性建議。Salberg（2012）等開展了植物油、原油等不同油種的海上油膜實驗，同時利用同步的Radarsat-2數(shù)據(jù)進行溢油信息提取，但是沒有結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行進一步研究。Yang（2013）等提出基于模型微波散射模型和Monte-Carlo模型新的數(shù)值計算技術(shù)，分析了不同粗糙表面、頻率、入射角度等條件下溢油對海表的后向散射系數(shù)的降低程度?？凳糠宓龋?000）基于波譜計對青島海域海雜波進行多波段（S、C、X、Ku）、多極化測量，分析不同海況下散射系數(shù)和多普勒譜等與極化模式、入射角度、頻率之間的變化。成都電子科技大學（童玲，2014）基于室內(nèi)微波散射測量系統(tǒng)對不同極化模式、入射角度下水面和溢油水面的散射特性進行研究，并總結(jié)出相應的變化趨勢。這些數(shù)據(jù)和研究成果為今后溢油散射特征譜的建立提供了寶貴的數(shù)據(jù)，也為今后建立更多的散射模型、反演相關(guān)參數(shù)以及SAR圖像海上溢油信息提取的研究工作奠定了基礎(chǔ)。近幾年，專家學者逐漸關(guān)注室內(nèi)微波散射特性的研究，以期為微波遙感溢油監(jiān)測提供基礎(chǔ)性研究數(shù)據(jù)，也為今后SAR傳感器的設(shè)計提供合理化的建議。

4 目前研究的不足

4.1 溢油圖像處理技術(shù)的精度和效率有待提高

目前溢油檢測的研究多集中于影像的分析、分割與分類等圖像處理方面，并未從溢油的特征和散射機理進行深入研究，加之SAR影像中“暗”特征區(qū)域的復雜性和不確定性，使得溢油與類溢油的區(qū)分的精度較低、難度加大。因此，如何將溢油信息快速準確的提取仍然是今后的一個難攻課題。

4.2 極化SAR溢油檢測算法種類和特征參數(shù)尚需拓展

全極化SAR影像包含了較為完整的溢油散射特征信息，能夠有效區(qū)分礦物溢油和生物油膜，但是未對其他疑似溢油現(xiàn)象的區(qū)分進行研究；此外，目前極化目標分解的矩陣模型和特征參量研究仍需深入，因此，基于極化SAR區(qū)分溢油和不同種類疑似溢油的算法研究和算法精度仍然有待提高，溢油極化分解模型和極化特征參量仍需不斷的充實，這也是今后研究的重點和難點。

4.3 極化參數(shù)和溢油微波散射特性研究的結(jié)合仍需深入

基于多波段、全極化、多種海況下的溢油微波散射特性研究能夠更好的了解和掌握溢油的微波散射機制，是構(gòu)建溢油散射特征數(shù)據(jù)庫的根本保障，為今后極化參數(shù)的反演和SAR溢油信息提取提供可靠的數(shù)據(jù)。因此，開展溢油微波散射特性的相關(guān)研究，加強油微波散射模型的理論研究，將極化參數(shù)提取和溢油微波散射特性研究相結(jié)合深入分析海表和油膜的散射特性，是今后研究中的一個重要且具有廣泛前景的難題和方向。

4.4 溢油微波散射模型的理論研究仍需深入

溢油微波散射模型的研究是掌握溢油微波散射特性的理論基礎(chǔ)，對SAR影像溢油信息的識別和提取具有重要的作用和意義，而目前有關(guān)溢油微波散射模型的研究仍需完善，因此需在今后的研究中加強溢油微波散射模型的理論性探索，同時利用室內(nèi)、陸基等微波散射測量裝置在多種海況下的實測數(shù)據(jù)完善和修正散射模型，進而提高模型的精確度和適用性。

5 結(jié)論與展望

目前，海上石油開采和船舶運輸造成的溢油事故頻繁發(fā)生，如何在短時間內(nèi)識別溢油并快速的檢測其范圍、擴散趨勢是減緩環(huán)境災害影響的首要工作，星載SAR具有監(jiān)測范圍廣、溢油識別能力強、不受惡劣天氣影響等優(yōu)勢，是目前國際上公認的溢油探測工作的有效工具。國內(nèi)外針對SAR溢油檢測研究已經(jīng)逐漸完善，許多國家也在溢油檢測研究中投入很大的精力和財力，開展了大量星載、機載和散射特性實測研究；目前，基于SAR溢油檢測和信息提取的研究仍在不斷地完善和提高，單極化數(shù)據(jù)逐漸向全極化數(shù)據(jù)發(fā)展，極化SAR數(shù)據(jù)在溢油的檢測識別方面具有突出的能力，提供豐富的地物信息的同時提高了溢油檢測的精度，利用極化SAR數(shù)據(jù)提取極化參數(shù)對今后溢油識別和信息提取的研究發(fā)揮重要的作用，但是全極化數(shù)據(jù)的觀測范圍相對較小，不適用于大范圍的業(yè)務(wù)化工作；若將圖像處理、極化參數(shù)提取和溢油散射特征分析等技術(shù)相結(jié)合能夠更好進行溢油檢測工作，隨著新型高分辨率SAR衛(wèi)星和極化SAR衛(wèi)星的成功發(fā)射和應用，雷達遙感進入了全面發(fā)展階段，高分辨率SAR影像數(shù)據(jù)和極化SAR數(shù)據(jù)可以提供更多的地物探測信息，為溢油遙感監(jiān)測研究帶來了全新的機遇和挑戰(zhàn)。

總而言之，有關(guān)SAR溢油檢測理論和溢油微波散射特性研究仍然面對著諸多挑戰(zhàn)，需要開展更多的工作和研究，基于星載SAR的溢油監(jiān)測研究在極化數(shù)據(jù)處理、溢油信息提取、油膜的微波散射模型理論研究、微波散射特性分析等方面仍然需要更深層面的研究和技術(shù)挖掘，但是隨著技術(shù)的不斷成熟，微波遙感溢油檢測技術(shù)，尤其星載SAR溢油檢測技術(shù)將在海樣溢油檢測、溢油災害應急和事故后期清理等方面得到更為廣泛的發(fā)展和應用。

Alpers W,Hühnerfuss H,1989.The damping of ocean waves by surface films:A new look at an old problem.Journal of Geophysical Research:Oceans,94(C5):6251-6265.

Alpers W,Hühnerfuss H,1988.Radar signatures of oil films floating on the sea surface and the Marangoni effect.Journal of Geophysical Research:Oceans(1978-2012),93(C4):3642-3648.

Change L Y,Chen K,Chen C,et al,1996.A multiplayer-multiresolution approach to detection of oil slicks using ERS SAR image.Proceeding of 17th Asian Conference of Remote Sensing(ACRS'96),Sri Lanka.

3.加快“三權(quán)”分置改革?！叭龣?quán)”分置是我國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略穩(wěn)步推進的實踐需要，也是我國農(nóng)村繼家庭聯(lián)產(chǎn)承包責任制改革后又一重大制度創(chuàng)新，被視為新的農(nóng)村土地革命。繼續(xù)完善承包地的“三權(quán)”(所有權(quán)、承包權(quán)、經(jīng)營權(quán))分置制度和宅基地的“三權(quán)”(所有權(quán)、資格權(quán)、使用權(quán))分置制度改革，鑒定清楚所有權(quán)者、承包權(quán)者、經(jīng)營權(quán)者各自的權(quán)利邊界及責權(quán)利的匹配關(guān)系，積極探索集體所有權(quán)的實現(xiàn)與傳承方式，探討承包權(quán)退出與補償機制，進一步明晰所有權(quán)、穩(wěn)定承包權(quán)(資格權(quán))、放活經(jīng)營權(quán)(使用權(quán))、強化監(jiān)管權(quán)，有效推進農(nóng)地產(chǎn)權(quán)制度改革，催化城鄉(xiāng)融合發(fā)展活力。

Del Frate F,Petrocchi A,Lichtenegger J,et al,2000.Neural networks for oil spill detection using ERS-SAR data.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,38(5):2282-2287.

Fiscella B,Giancaspro A,Nirchio F,et al,2000.Oil spill detection using marine SAR images.International Journal of Remote Sensing,21 (18):3561-3566.

Holm,W.A.MMW Radar Signal ProcessingTechniques,"Chap,6 in N. C.CurrieandC.E.Brown(eda.),PrinciplesandApplicationsofMillimeter-Wave Radar.Artech House,Boston,MA,1987.

Hwang J,Park S,Kwon S,et al,2010.Study on the calibration of a fullpolarimetricscatterometer system at X-band.The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science,21(4):408-416.

Jordan R L,1980.The Seasat-A synthetic aperture radar system.Oceanic Engineering,IEEE Journal of,5(2):154-164.

Kasischke E S,Meadows G A,Jackson P L,1984.The use of synthetic aperture radar imagery to detect hazards to navigation.No.ERIM-169200-2-F.

Knott E F,Shaeffer J F,Tuley M T,1985.Radar Cross Section.Artech House,Boston,MA.

Koo V C,Chung B K,Chuah H T,1999.Design and development of a scatterometer system for environmental monitoring.Proceeding of IGARSS 1999 Symposium.

Marghany M,2015.Automatic detection of oil spills in the Gulf of Mexico from RADARSAT-2 SAR satellite data.Environmental Earth Sciences,74(7):5935-5947.

Migliaccio M,Nunziata F,Gambardella A,2009.On the co‐polarized phase difference for oil spill observation.International Journal of Remote Sensing,30(6):1587-1602.

Migliaccio M,Tranfaglia M,2005.A study on the capability of sarpolarimetry to observe oil spills.ESA Special Publication,586:25.

Minchew B,Jones C E,Holt B,2012.Polarimetric analysis of backscatter from the deepwater horizon oilspill using l-band synthetic aperture radar geoscience and remote sensing.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,50(10):3812-3830.

Nirchio F,Sorgente M,Giancaspro A,et al,2005.Automatic detection of oil spills from SAR images.International Journal of Remote Sensing, 26(6):1157-1174.

Nunziata F,Migliaccio M,Gambardella A,2011.Pedestal height for sea oil slick observation.IET radar,sonar&navigation,5(2):103-110. Pelyushenko S A,1995.Microwave radiometer system for the detection of oil slicks.Spill Science&Technology Bulletin,2(4):249-254.

Pinel N,Dechamps N,Bourlier C,2008.Modeling of the bistatic electromagnetic scattering from sea surfaces covered in oil for microwave applications.Geoscience and Remote Sensing,IEEE Transactions on,46(2):385-392.

Salberg A B,Rudjord?,Solberg A H S,2012.Model based oil spill detection using polarimetric SAR//Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS),2012 IEEE International.IEEE,5884-5887.

Shu Y,Li J,Yousif H,et al,2010.Dark-spot detection from SAR intensity imagery with spatial density thresholding for oil-spill monitoring. Remote Sensing of Environment,114(9):2026-2035.

Solberg A H S,Jain A K,1997.Texture fusion and feature selection applied to SAR imagery.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,35(2):475-479.

Solberg A H S,Storvik G,Solberg R,et al,1999.Automatic detection of oil spills in ERS SAR images.Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on,37(4):1916-1924.

Topouzelis K,Karathanassi V,Pavlakis P,Rokos D,2004.Oil spill detection using RBF neural networks and SAR data.XXth ISPRS Congress.Istanbul,Turkey.

Wang W G,FeiL,Peng W,et al,2010.Oil spill detection from polarimetric SAR image.IEEE l0 th International Conference on Signal Processing.Beiiing:IEEE,832-835.

Wismann V,Gade M,Alpers W,Huhnerfuss H,1998.Radar signatures of marine mineral oil spills measured by an airborne multi-frequency radar.International Journal of Remote Sensing,19(18):3607-3623. Wright J W,1968.A new model for sea clutter.Antennas and Propagation,IEEE Transactions on,16(2):217-223.

Yang C S,PARK S M,OH Yisok,et al,2013.An analysis of the radar backscatter from oil-covered sea surfaces using moment method and Monte-Carlo simulation:preliminary results.Acta Oceanologica-Sinica,01:59-67.

Zelli C,Aerospazio A,1999.ENVISAT RA-2 advanced radar altimeter: Instrument design and pre-launch performance assessment review. ActaAstronautica,44(7):323-333.

陳澎，2012.機載激光熒光海上溢油信息提取與反演研究.大連：大連海事大學博士論文.

黃曉霞，朱振海，1999.海洋表面膜特征的SAR圖像探測.遙感學報（1）：49-54.

康士峰，葛德彪，羅賢云，等，2000.多波段多極化海雜波特性的實驗研究.微波學報（S1）：463-468.

李寶玉，2013.基于ASAR數(shù)據(jù)的海面溢油信息提取.大連：大連海事大學碩士論文.

劉丙新，2013.基于高光譜特征的水上油膜提取與分析研究.大連：大連海事大學博士論文.

劉朋，2012.SAR海面溢油檢測與識別方法研究.青島：中國海洋大學博士論文.

石立堅，2008.SAR及MODIS數(shù)據(jù)海面溢油監(jiān)測方法研究.青島：中國海洋大學博士論文.

蘇騰飛，2013.Envisat ASAR溢油檢測影響因素分析.海洋通報，32（4）：467-473.

童玲，陳彥，賈明權(quán)，2014.雷達遙感機理.北京:科學出版社.

吳一全，吉玚，沈毅，等，2012.Tsallis熵和改進CV模型的海面溢油SAR圖像分割.遙感學報，16（4）：678-690.

（美）李仲森（Jong-Sen Lee）,（法）鮑狄埃（Eric Pottier）著.極化雷達成像基礎(chǔ)與應用.洪文等譯.2013.北京.電子工業(yè)出版社.

（美）理查茲（Richard M A）著.雷達信號處理基礎(chǔ).邢孟道,等譯. 2008.北京:電子工業(yè)出版社.

徐青，鄭汲，程永存，等，2011.應用紋理分析識別SAR海上溢油圖像.河海大學學報(自然科學版),39（5）：569-574.

閆殿武，2001.衛(wèi)星影像溢油信息提取研究.大連海事大學.

楊帆，楊健，殷君君，等，2015.基于極化SAR分解模型的油膜檢測.清華大學學報:自然科學版（8）：854-859.,

周圓，邵偉增，鄧一兵，2015.HH極化TerraSAR-X圖像提取海浪要素的方法研究.海洋通報，（6）：710-715.

朱宗斌，趙朝方，曾侃，等，2015.二進制粒子群支持向量機算法在SAR圖像海面溢油特征選擇的應用.海洋湖沼通報，3：22.

鄒亞榮，梁超，陳江麟，等，2011.基于SAR的海上溢油監(jiān)測最佳探測參數(shù)分析.海洋學報（1）：36-44.

鄒亞榮，梁超，曾韜，2013.基于極化參數(shù)的SVM海上溢油識別.海洋學研究,31（3）：71-75.

鄒亞榮，鄒斌，梁超，2014．應用極化合成孔徑雷達檢測海上溢油研究進展．海洋學報，36（9）：1-6

（本文編輯：袁澤軼）

Research progress of oil spill detection based on the spaceborne SAR

LI Ying1,2,LI Guan-nan1,2,CUI Can1,2

(1.Navigation College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China;2.Environmental Information Institute, Dalian Maritime University,Dalian 116026)

Based on a large number of the literature review and summarizing relevant spaceborne SAR oil spill detection researches and microwave scattering characteristics researches of oil spill,this paper reviews the development process of the spaceborne SAR sensor and the principle of the detection technology of oil spill,and summarizes the research progress of oil spill information extraction based on the single polarized SAR data,the polarization SAR data at home and abroad,and it also outlines the important supporting role of microwave scattering characteristics research of oil spill on the study of SAR oil spill detection and the current research results,and moreover it respectively discusses the insufficiency of the spaceborne SAR oil spill detection and microwave scattering characteristics of oil spill in research,and finally it analyzes the key technology issue that need to solve in the future and its development direction.

SAR;oil spill detection;microwave scattering characteristics;information extraction

TP7

A

1001－6932（2016）03－0241－09

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.03.001

2016-01-17；

2016-03-24

海洋公益性行業(yè)科研專項（201305002）；國家自然科學基金（41571336））。

李穎（1968-），博士，教授，主要從事海洋溢油遙感檢測研究，電子郵箱：yldmu@126.com。