基于星載SAR影像的海面溢油業(yè)務(wù)化監(jiān)測系統(tǒng)

丁 一，曹叢華，王 萍，王瑞富，徐江玲，黃 蕊，徐茂景，宋耀鑫

(1.國家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東青島 266061；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266061；3山東科技大學(xué)，山東青島 266000)

基于星載SAR影像的海面溢油業(yè)務(wù)化監(jiān)測系統(tǒng)

丁 一1，2，曹叢華1，2，王 萍3，王瑞富3，徐江玲1，2，黃 蕊1，2，徐茂景3，宋耀鑫3

(1.國家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東青島 266061；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266061；3山東科技大學(xué)，山東青島 266000)

為提高溢油業(yè)務(wù)化監(jiān)測精度和效率，基于海面油膜成像機(jī)理和檢測難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了海洋溢油業(yè)務(wù)化監(jiān)測流程。研發(fā)了溢油SAR衛(wèi)星遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了SAR圖像處理算法和暗區(qū)特征打分法，實(shí)現(xiàn)了SAR影像處理、溢油信息提取和溢油監(jiān)測報(bào)告制作等功能。系統(tǒng)已應(yīng)用到業(yè)務(wù)化監(jiān)測中，可為溢油應(yīng)急處置提供決策支持。

海洋溢油；SAR；監(jiān)測系統(tǒng)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國加快了對(duì)近海石油的開發(fā)和進(jìn)口，海洋突發(fā)性溢油事故時(shí)有發(fā)生。2011年蓬萊19－3油田溢油事故給海洋生態(tài)環(huán)境帶來了巨大災(zāi)難[1]。溢油事故發(fā)生后，迅速開展溢油監(jiān)測，及時(shí)掌握油膜位置和分布狀況，是制定科學(xué)溢油處置方案和降低溢油災(zāi)害損失的基礎(chǔ)。

溢油SAR衛(wèi)星遙感監(jiān)測具有全天時(shí)、全天候、大范圍同步的優(yōu)勢，在溢油應(yīng)急監(jiān)測中發(fā)揮越來越大的作用。國外20世紀(jì)90年代初期利用統(tǒng)計(jì)分類[2]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]等方法開展SAR衛(wèi)星影像溢油檢測研究。其中挪威、加拿大、法國等國家都研發(fā)了溢油SAR衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)[4－5]。本世紀(jì)初國內(nèi)學(xué)者開始SAR影像溢油檢測研究，如梁小祎，鄒亞榮等利用紋理分析[6－7]，原君娜、韓吉衢等利用多特征參數(shù)[8－9]等方法開展SAR衛(wèi)星影像溢油檢測研究，研究成果大都沒有應(yīng)用到業(yè)務(wù)化監(jiān)測中。僅國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心研發(fā)的溢油遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)化系統(tǒng)于2007年投入運(yùn)行。系統(tǒng)可處理歐洲太空局Envisat ASAR影像和加拿大Radarsat－1衛(wèi)星SAR圖像資料，輔助開展溢油信息提取，形成溢油監(jiān)測報(bào)告[5]。

本文以北海區(qū)溢油SAR衛(wèi)星遙感監(jiān)測工作需求出發(fā)，利用RS和GIS等技術(shù)，設(shè)計(jì)研發(fā)能處理多源SAR衛(wèi)星影像的溢油監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)導(dǎo)入風(fēng)、流等海洋環(huán)境信息，輔助溢油信息檢測，能有效區(qū)分油膜和類油膜，從而提高溢油信息解譯準(zhǔn)確度?？芍С?Envisat、Radarsat－2、Cosmo-Skymed、TerraSAR四種星源SAR影像，具有海洋環(huán)境信息導(dǎo)入、SAR衛(wèi)星影像處理、油膜識(shí)別、溢油監(jiān)測快報(bào)制作等功能。通過系統(tǒng)研發(fā)，集成溢油SAR衛(wèi)星遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測流程，以期提高溢油監(jiān)測的準(zhǔn)確性和效率，為溢油事故應(yīng)急處置提供更好的技術(shù)支持。

1 溢油檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)測流程

SAR衛(wèi)星遙感利用海面油膜改變海水表面的散射特性來監(jiān)測溢油。海面油膜可改變海面粗糙度，阻尼海水的短表面波對(duì)入射電磁波的Bragg散射作用，使其在SAR圖像上呈暗色調(diào)[10]。通常在3～10m/s中等風(fēng)速條件下，SAR可以檢測到海面油膜。除海面油膜外，海洋中還存在著一些抑制短表面波產(chǎn)生暗區(qū)的現(xiàn)象，通常稱為“類油膜”，對(duì)溢油檢測造成很大干擾，如低風(fēng)區(qū)、油脂狀海冰、大雨區(qū)、海洋內(nèi)波、鋒面、船舶尾跡等等[11]。

為減少“類油膜”干擾，綜合風(fēng)場流場海洋環(huán)境信息和平臺(tái)、航道、管線、岸線等基礎(chǔ)地理信息開展油膜識(shí)別。流程包括三個(gè)步驟(見圖1):第一，SAR影像預(yù)處理和暗區(qū)提取，該操作的主要目的是把圖像中的所有暗區(qū)都提取出來，暗區(qū)包括油膜和類油膜。第二，溢油信息提取，綜合利用環(huán)境信息和基礎(chǔ)地理信息開展區(qū)分油膜和類油膜，并判斷溢油來源。第三，制作溢油監(jiān)測成果，包括影像圖、解譯圖和監(jiān)測快報(bào)制作。

圖1 溢油業(yè)務(wù)化監(jiān)測流程圖Fig.1 Flowchartofoilspilloperational monitoringsystem

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 暗區(qū)提取

溢油信息提取技術(shù)包括SAR影像處理和溢油信息提取。SAR影像處理是油膜的面積和位置精確提取的保證，包括SAR衛(wèi)星影像輻射校正、影像濾波、幾何糾正、影像分割等功能，基于GDAL1.8和C＋＋實(shí)現(xiàn)。GDAL1.8組件實(shí)現(xiàn)SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)及其元數(shù)據(jù)讀取，C＋＋實(shí)現(xiàn)影像處理功能。其中，影像分割采用固定閾值和自適應(yīng)閾值兩種分割方法。固定閾值分割方法是根據(jù)油膜后向散射值經(jīng)驗(yàn)范圍進(jìn)行分割。自適應(yīng)閾值方法采用最大類間方差法，同時(shí)因整景影像范圍大導(dǎo)致不同區(qū)域暗區(qū)后向散射差別較大，系統(tǒng)中采用影像分塊自動(dòng)閾值分割，默認(rèn)分塊為2×2，也可按照影像范圍大小設(shè)置分塊大小n×n，以保證準(zhǔn)確地分割出所需暗區(qū)。

1.2.2 溢油信息提取

溢油信息提取分為溢油識(shí)別和溢油來源判斷。系統(tǒng)根據(jù)暗區(qū)空間位置、幾何特征兩方面屬性并參考風(fēng)場、流場等海洋環(huán)境因素來識(shí)別油膜。幾何和空間特征包括面積、面積周長比、與岸線、與平臺(tái)、與船舶、與航道距離6種，按照打分規(guī)則(見表1)結(jié)合風(fēng)流場信息，將暗區(qū)分為疑似油膜和非油膜。其中疑似油膜按照分?jǐn)?shù)分為高、中、低三個(gè)置信等級(jí)。疑似油膜利用北海預(yù)報(bào)中心溢油溯源系統(tǒng)計(jì)算其先前多個(gè)時(shí)刻位置，然后結(jié)合平臺(tái)、輸油管線、航道等信息判斷其來源。

表1 油膜特征打分規(guī)則Tab.1 TheScoringruleoftheoilfilmcharacteristics

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

1.3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

衛(wèi)星溢油遙感監(jiān)測系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，系統(tǒng)架構(gòu)分為三層(見圖2)，分別是數(shù)據(jù)層、功能層和用戶層。數(shù)據(jù)層包括SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息、海洋風(fēng)、流場數(shù)據(jù)等。功能層集成了數(shù)據(jù)管理、SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理、溢油信息提取、制圖和快報(bào)輸出以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)共5個(gè)模塊。

圖2 溢油衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structureoftheoilspillsatelliteremotesensing monitoringsystem

1.3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)溢油信息提取業(yè)務(wù)化流程，溢油SAR衛(wèi)星遙感溢油業(yè)務(wù)化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)管理模塊、圖像處理模塊、溢油信息提取模塊、快報(bào)制作模塊和系統(tǒng)設(shè)置五個(gè)功能模塊(見圖3)。數(shù)據(jù)管理模塊包括柵格影像圖、矢量、地圖文檔打開和另存功能，流場、風(fēng)場導(dǎo)入和顯示；圖像處理模塊包括輻射定標(biāo)、濾波、幾何校正、分割、形態(tài)學(xué)處理和柵格矢量化。在處理流程上設(shè)計(jì)兩種操作方式，分步操作和一鍵處理。其中，一鍵處理方式是把上述功能集成起來，每步處理所用的參數(shù)一次性設(shè)置好，然后一步完成所有的操作。溢油信息提取模塊包括溢油信息提取、油膜結(jié)果導(dǎo)出、油膜邊界點(diǎn)導(dǎo)出和暗區(qū)透明設(shè)置；快報(bào)制作模塊包括影像圖、解譯圖和監(jiān)測快報(bào)制作功能；系統(tǒng)設(shè)置模塊能控制工具欄、圖層、狀態(tài)欄、編輯工具條、鷹眼等工具的顯示和隱藏。工具欄包括放大、縮小、全景、回退等瀏覽操作；狀態(tài)欄能顯示當(dāng)前鼠標(biāo)位置的WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)和高斯投影坐標(biāo)、當(dāng)前視圖比例尺；編輯工具包括多邊形編輯、添加等功能。

圖3 系統(tǒng)功能模塊Fig.3 Functionmodulesofthesystem

2 溢油監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于溢油SAR衛(wèi)星影像遙感監(jiān)測方法和流程，應(yīng)用VS.NET3.5、ArcEngine9.3和GDAL1.8研發(fā)的溢油業(yè)務(wù)化SAR衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)(如圖4)。系統(tǒng)主要包括風(fēng)場流場導(dǎo)入功能、SAR衛(wèi)星影像處理、溢油信息提取和結(jié)果輸出等操作流程。

風(fēng)場流場導(dǎo)入，每天早6點(diǎn)中心高性能服務(wù)器通過ftp形式將風(fēng)場流場數(shù)據(jù)自動(dòng)推送到系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)器，系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)器接收完后，自動(dòng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成.shp數(shù)據(jù)，以備用戶溢油信息提取時(shí)參考。

圖像處理過程有一鍵處理和分步操作(見圖6)兩種方式。一鍵處理方式是把圖像處理功能集成起來，一次性設(shè)置好輸入輸出影像和每步處理所用的參數(shù)，中間不需人工干預(yù)便可一步完成所有圖像處理過程。

信息提取過程，打開幾何糾正后圖像、分割結(jié)果矢量，其上疊加顯示風(fēng)流場信息，岸線、平臺(tái)、港口和航道等基礎(chǔ)地理信息，參考各暗區(qū)屬性，進(jìn)行綜合分析各暗區(qū)所代表的現(xiàn)象，最終識(shí)別出是溢油的暗區(qū)(見圖7)。

圖4 系統(tǒng)主界面Fig.4 Maininterfaceofthesystem

圖5 風(fēng)場和流場顯示Fig.5 Displaysofthewindandflowfields

結(jié)果輸出包括影像圖、解譯圖和快報(bào)制作三個(gè)內(nèi)容。影像圖和解譯圖制圖范圍定義有三種方式:按影像圖范圍、手動(dòng)拉框和手工輸入四角坐標(biāo)，用戶選擇一種方式確定制圖范圍，系統(tǒng)便可按照用戶定義的范圍，根據(jù)定義的規(guī)則添加地理網(wǎng)格、比例尺等制圖要素，并自動(dòng)獲取影像數(shù)據(jù)源、成像時(shí)間，自動(dòng)繪制出美觀、規(guī)范的圖件?？靾?bào)制作按照溢油SAR衛(wèi)星遙感監(jiān)測快報(bào)模版，自動(dòng)添加影像圖、解譯圖、修改快報(bào)制作時(shí)間、數(shù)據(jù)源、SAR影像成像時(shí)間，信息解譯人員輔助修改溢油圖斑描述的相關(guān)信息、值班員和審核員(見圖8)。

本系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用到北海區(qū)溢油業(yè)務(wù)化監(jiān)測中，系統(tǒng)應(yīng)用之前，溢油SAR衛(wèi)星遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測需要應(yīng)用 ENVI、ArcGIS Desktop、Microsoft OfficeWord等多個(gè)軟件，溢油信息提取依靠人工提取油膜邊界，油膜面積誤差較大，溢油信息提取值班耗時(shí)約1h。系統(tǒng)應(yīng)用后，提高油膜面積提取精度，同時(shí)提高了工作效率。

圖6 圖像一鍵處理界面Fig.6 Interfaceofimageone-keyprocessing

圖7 溢油信息提取和導(dǎo)出Fig.7 Extractionandexportofoilspillinformation

圖8 溢油SAR衛(wèi)星遙感監(jiān)測快報(bào)Fig.8 SARsatelliteremotesensingmonitoringreportforoilspill

3 結(jié)語

本文根據(jù)溢油信息識(shí)別的難點(diǎn)，設(shè)計(jì)研發(fā)了溢油業(yè)務(wù)化監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)將風(fēng)場、流場海洋環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為GIS識(shí)別格式，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)場和流場環(huán)境信息疊加到影像圖上，方便了溢油信息提取時(shí)參考海洋環(huán)境信息。系統(tǒng)集成暗區(qū)幾何形狀、空間位置特征打分溢油信息識(shí)別法，能提高溢油信息識(shí)別的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)集成整套溢油業(yè)務(wù)化監(jiān)測流程，包括SAR衛(wèi)星影像圖像處理、溢油信息識(shí)別和來源判斷以及溢油監(jiān)測報(bào)告制作，使整個(gè)業(yè)務(wù)監(jiān)測工作更簡單高效。且圖像處理部分設(shè)計(jì)了“一鍵”處理功能，減少人機(jī)交互，提高了效率。

系統(tǒng)提供的監(jiān)測結(jié)果可為溢油事故管理和應(yīng)急指揮部門提供及時(shí)準(zhǔn)確的溢油位置和面積信息，為其科學(xué)組織人力、物力開展溢油回收和處置提供技術(shù)支持。若在溢油信息識(shí)別模塊增加紋理、灰度、梯度等特征信息，則能進(jìn)一步提高溢油識(shí)別的準(zhǔn)確度。

[1] 中國新聞網(wǎng).蓬萊19－3油田溢油事故調(diào)查處理報(bào)告發(fā)布[EB/OL].[2012－06－21].http:// www.chinanews.com/gn/2012/06－21/39804043. shtm l

[2] K. Weisteen， A. Solberg， and R. Solberg. Detection of oil spills in SAR images using a statistical classification scheme[C].in Proc.IEEE Symp.Geosci.Remote Sensing(IGARSS).Tokyo，1993:943－945.

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[4] Antonio Martinez and Victoriano Moreno.An oil spill monitoring system based on SAR images[J].Spill Science and Technology Bulletin，1997，3(1):65－71.

[5] 國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，中國海監(jiān)總隊(duì).海上溢油衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)培訓(xùn)[Z]2009，7.

[6] 梁小祎，張杰，孟俊敏.溢油SAR圖像分類中的紋理特征選擇[J].海洋科學(xué)進(jìn)展，2007，25(3): 346－354.

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[10] Christopher R.Jackson John R.Apel.Heidi A. Espedal.Synthetic Aperture Radar Marine User’s Manual.Chapter 11—Oils and Surfactants[M]. Werner A lpers.2004:263－276.

[11] Espedal，H.A.Detection ofoilspilland natural film in the marine environment by spaceborne synthetic aperture radar[D].PhD thesis，Department of Physics University of Bergen and Nansen Environment and Remote Sensing Center，Norway，1998.

Sea Surface Oil Spill Operational M onitoring System Based on Spaceborne SAR im ages

Ding Yi1，2，Cao Conghua1，2，Wang Ping3，Wang Ruifu3，Xu Jiangling1，2，Huang Rui1，2，Xu Maojing3，Song Yaoxin3
(1.North China Sea Marine Forecasting Center of SOA，Qingdao 266033；2.Shandong Provincial Laboratory ofMarine Ecology and Environment＆Disaster Prevention and Mitigation，Qingdao 266033；3 Shandong university of Science and Technology，Qingdao 266000)

To improve the monitoring accuracy and efficiency for oil spill，the oil spill extraction workflow of spaceborne SAR images was designed based on the sea surface oil film imaging mechanism and the detecting difficulties.Moreover，North China Sea oil spillmonitoring system was developed，which integrated the SAR image processing and scoring rules of the dark area feature.Hence，the system includes threemain functions:SAR images processing，oil information extraction and oil monitoring result document generation.Besides，the system has been applied into the operational work，which can provide the technology support for the oil spill emergency response.

marine oil spill；SAR；monitoring system

X

:A

:1673－8047(2015)02－0055－06

2014－12－31

國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評(píng)估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金(201021)

:丁一(1979—)，男，碩士，工程師，主要從事海洋遙感研究和應(yīng)用。