專利名稱：一種基于參數(shù)查找表的海洋溢油油膜厚度高光譜遙感估算方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于參數(shù)查找表的海洋溢油油膜厚度高光譜遙感估算方法，具體地說，基于溢油模擬實驗(如附圖1所示)，獲取溢油油膜厚度變化標準光譜反射率曲線，利用一種改進的油膜厚度估算模型并結合基于溢油模擬實驗構建的參數(shù)查找表，來計算衛(wèi)星高光譜影像數(shù)據(jù)中溢油油膜厚度的方法(流程如附圖2所示)。
背景技術：
海洋石油開采、加工、運輸?shù)戎T多過程中產(chǎn)生的溢油污染，在風、浪、流等因素的影響下，對海水、海表大氣、海底、海岸帶等都產(chǎn)生諸多不良影響，嚴重損害了海洋生態(tài)環(huán)境，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟損失。如2010年美國墨西哥灣的深海油井溢油事件、2010年中國大連新港溢油事件、2011年蓬萊19-3油田溢油事件，都產(chǎn)生了巨大的環(huán)境、經(jīng)濟損失。海洋溢油污染事故發(fā)生后，有效的、及時的空間監(jiān)測與評估技術，能確定海洋溢油污染的位置、圈定污染的面積、查明溢油污染形成的類型，將有助于海洋溢油污染后續(xù)清理工作的開展；于此同時，也將有助于海洋溢油污染造成的損失評估，為海洋生態(tài)環(huán)境損失索賠提供依據(jù)。遙感技術因其大面積同步觀測、時效性、數(shù)據(jù)的綜合性、可比性及經(jīng)濟性等特點，成為海洋溢油污染監(jiān)測與評估的有效支撐。多光譜、熱紅外、微波雷達、激光熒光等諸多技術手段在海洋溢油污染遙感研究中具有不同的技術特點。目前，海面溢油面積監(jiān)測尚不能完全滿足應用部門的需求，還需要深入開展溢油量估算研究，準確評估溢油量是溢油污染遙感應用研究需關注的重點。海面油膜是海洋溢油污染的最直接形式，也是海洋溢油污染轉化的重要承載體之一。海洋溢油油膜隨著厚度的不同，其光學特性也發(fā)生了顯著的變化，同時海水背景影響逐漸增強，因此海面油膜探測的難度也逐漸增大，成為海洋溢油污染監(jiān)測中的一個難點。高光譜遙感技術是20世紀90年代后期才趨于成熟的新型光學遙感前沿技術，該技術可提取出相應像元(像素)大小地表物質的、精度如同實驗室光譜儀測量得到的精細光譜曲線，從而進行直接識別地物類型，并對其組成成分含量進行定量計算、分析與空間分布制圖。在準確探測油膜污染面積的基礎上，開展油膜厚度的定量遙感估算，得出對溢油量的估算將具有重要的現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一套利用地物光譜儀測量的標準油膜厚度變化的高光譜數(shù)據(jù)，根據(jù)星載傳感器的性能指標，建立油膜厚度估算模型及其參數(shù)查找表，并以此計算衛(wèi)星高光譜遙感影像中海洋溢油油膜厚度及分布的方法。本發(fā)明的原理如下利用較新的高光譜遙感技術手段，針對海洋溢油污染油膜，獲取溢油油品與海水樣品，模擬并測量標準油膜厚度連續(xù)變化的高光譜反射率數(shù)據(jù)，獲取該次溢油海域的高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)，根據(jù)衛(wèi)星傳感器的參數(shù)指標，將標準實驗數(shù)據(jù)轉換成衛(wèi)星傳感器的模擬數(shù)據(jù)，利用模擬數(shù)據(jù)結合油膜厚度計算模型去建立計算模型的參數(shù)查找表，衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)預處理后，通過歸一化處理，消除不同水色背景差異的影響，利用掩膜技術，識別溢油污染區(qū)，再結合計算模型與參數(shù)查找表，計算海洋溢油污染區(qū)油膜厚度。本發(fā)明的技術方案主要包括以下步驟(I)首先利用地物光譜儀，設計油膜厚度連續(xù)變化模擬實驗，獲取標準油膜厚度變·化的光譜反射率數(shù)據(jù)(圖3)，其中包含了油膜厚度指標、反射率大小和范圍。根據(jù)標準油膜厚度變化光譜，分析溢油油膜厚度估算的可用波段和油膜厚度的有效探測范圍；海面溢油油膜厚度估計依靠對背景反射率的大小，考慮水體的光學輻射特性，因此選定油膜厚度參數(shù)表與計算模型的可用光譜區(qū)間為380nm-760nm,油膜的最大探測厚度為54 μ m。(2)根據(jù)衛(wèi)星傳感器的性能指標與參數(shù)，進行模擬數(shù)據(jù)的光譜重采樣，地物光譜儀所測量的可用光譜數(shù)據(jù)范圍為380um-760nm，光譜分辨率為Inm ;根據(jù)星載Hyperion高光譜傳感器的性能指標(表I)，確定可用探測范圍為426. 8nm-762. 6nm，光譜分辨率約為10nm，將實驗模擬數(shù)據(jù)轉換成星載傳感器的模擬光譜數(shù)據(jù)(圖4)。(3)模擬光譜數(shù)據(jù)的歸一化處理，消除水色背景差異，得到歸一化反射率值NR，NR=(Rt5il-RminZ(Rs--Rmin)，其中Rt5il為某一個波段油膜反射率值、Rmin為該波段最小油膜反射率值、Rsrawate為該波段海水背景反射率值，歸一化反射率值(NR)的變化區(qū)間為
(圖5)。(4)油膜厚度估算模型，根據(jù)Beer定律，光強隨著穿透介質長度的增加而逐步的衰減，因此油膜厚度光譜反射率與油膜的厚度具有負指數(shù)變化的關系，根據(jù)這一理論基礎，可以建立油膜厚度與油膜歸一化反射率的關系為NR = e(_a<M)，貝帳據(jù)步驟3中的歸一化反射率公式，可以將該模型描述為(Rt5il-RminV(Rseawate-Rmin) = e(_aW)，d為油膜厚度，Rtjil為所測量的標準油膜反射光譜，則可以根據(jù)這些參數(shù)估算各波段衰減系數(shù)a。(5)海洋溢油高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取與處理，獲取海洋溢油事故發(fā)生地的衛(wèi)星高光譜影像數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過大氣校正、輻射校正等預處理后，得到衛(wèi)星遙感反射率數(shù)據(jù)；對該數(shù)據(jù)進行取樣分析，此過程為人工過程，需要均勻選擇清潔海水樣點、海洋溢油樣點與海面其它目標樣點(圖6a)，分析這些樣點的光譜特征(圖6b)，可以發(fā)現(xiàn)反射率的大小排列為海水反射率>溢油油膜反射率，對這些目標取平均，并結合影像統(tǒng)計，獲取平均海水背景反射率值、油膜最低反射率值等信息(圖6c);平均反射率曲線也有助于最優(yōu)波段的選擇，根據(jù)海水背景的反射率大小，選擇背景海水反射率最高值所在波段為最優(yōu)監(jiān)測波段。(6)對該影像反射率數(shù)據(jù)進行歸一化處理，處理方法為NR= (Roil-Rfflin)/(Rseawate-Rmin)，考慮到衛(wèi)星數(shù)據(jù)量較大，且只需要一個波段進行計算即可，因此選取其中一個最佳波段，其中心波長為548. 9nm，進行影像數(shù)據(jù)反射率歸一化處理，其中Rtjil為該波段油膜反射率值、Rmin為最小油膜反射率值、Rseawate為該波段海水背景反射率值，這些數(shù)據(jù)可采用圖像統(tǒng)計的方法獲得，計算得到該波段的歸一化反射率影像(圖7)。(7)溢油區(qū)掩膜處理與油膜厚度計算，經(jīng)過歸一化處理后的反射率影像，其歸一化值的范圍為
，其中D > I為非溢油區(qū)，因此先對該區(qū)做掩膜處理，保留溢油區(qū)信息，利用D = (-l/a548.9)*LN(NR548.9)公式計算溢油區(qū)油膜厚度，其中NR548.9為掩膜處理后的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)548. 9nm波段的歸一化反射率，a548.9為步驟3中計算得到的548. 9nm波段衰減系數(shù)，可以計算得到該次溢油事故中溢油油膜厚度及其分布情況(圖8)。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明優(yōu)勢體現(xiàn)在高光譜遙感技術為海面溢油油膜厚度估算提供了有效的技術手段，與傳統(tǒng)監(jiān)測手段相比，該技術方法無需進入溢油污染現(xiàn)場，只需要在室內(nèi)模擬測量溢油油膜厚度連續(xù)變化光譜，根據(jù)獲取溢油信息的遙感傳感器性能參數(shù)進行轉換，建立相應的參數(shù)查找表，能客觀高效的估算海洋溢油油膜厚度及其范圍分布，該方法能滿足海洋溢油應急監(jiān)測的需求，提高溢油量應急監(jiān)測與估算的準確度。具體有益效果如下本發(fā)明利用地物光譜儀，模擬并獲取了標準油膜厚度連續(xù)變化過程中的精細光譜反射率數(shù)據(jù)，基于溢油油膜厚度計算模型建立了相應的參數(shù)查找表，明確了利用該方法進行衛(wèi)星影像中溢油油膜厚度估算的計算流程，利用該方法成功計算了海面溢油的油膜厚度。這種基于參數(shù)查找表計算衛(wèi)星影像中油膜厚度的方法，能為今后海洋衛(wèi)星溢油污染應急監(jiān)測提供應用基礎與相關信息，能降低溢油區(qū)監(jiān)測的時間、人力和物力成本，保證監(jiān)測精度，提高實時監(jiān)測效率。實際應用也表明，本發(fā)明提供了一套有效的方法，對今后的溢油污染監(jiān)測與評估，只需要通過該方法建立一定的參數(shù)數(shù)據(jù)庫，針對不同的衛(wèi)星遙感影像的性能指標，均可以同過該發(fā)明進行參數(shù)的轉換，并進一步用于海洋溢油油膜厚度的定量估算。該方法克服了傳統(tǒng)方法需花費大量時間和大量人力物力，且降低了對溢油污染區(qū)的難進入的實際困難。該方法也能進一步增強高光譜遙感技術在海洋溢油油膜污染監(jiān)測應用的普及性和有效性，可以更好地服務于海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋溢油污染評估、海洋溢油量估算與溢油污染定損索賠等海洋應用行業(yè)。
四

圖1為本發(fā)明的模擬實驗2為本發(fā)明的流程示意圖；圖3為實驗室測量的標準油膜厚度變化光譜反射率曲線；圖4為模擬衛(wèi)星傳感器獲取的油膜厚度變化光譜反射率曲線；圖5為歸一化反射率模擬光譜曲線；圖6為溢油區(qū)典型目標及其影像光譜a.溢油區(qū)典型目標及其空間位置；b.典型目標的采樣光譜曲線；c.典型目標的平均光譜曲線；圖7為548. 9nm波段的歸一化反射率影像；圖8為海洋溢油油膜厚度估算；
五具體實施例方式以下通過實例對本發(fā)明作進一步解釋以2007年中國遼東灣海域一次典型溢油污染監(jiān)測為例，發(fā)生溢油事件后，獲取了溢油發(fā)生區(qū)域的海水與油品樣品。使用ASD地物光譜儀(具體參數(shù)如表I所示)，利用2盞50瓦鹵素燈作為入射光源，入射光角度與上午10時的太陽高度角相近，在實驗室內(nèi)獲取海水背景下不同油膜厚度的高光譜反射率數(shù)據(jù)(如圖1)，該數(shù)據(jù)的光譜范圍為350-2500nm，光譜分辨率為lnm，選取可見光波段380-760nm作為原始數(shù)據(jù)(如圖3)。表IASD光譜儀的技術參數(shù)
權利要求
1.一種基于參數(shù)查找表的海洋溢油油膜厚度高光譜遙感估算方法，至少基于美國ASD 公司生產(chǎn)的FieldSpec 3Hr便攜式地物光譜儀I臺、50瓦鹵素燈2盞和25°視場的探測鏡頭I個等設備開展實驗模擬，其特征在于包括以下步驟(1)首先利用地物光譜儀，通過油膜厚度連續(xù)變化模擬實驗，獲取標準油膜厚度變化的光譜反射率數(shù)據(jù)，其中包含了油膜厚度指標、反射率大小和范圍等參數(shù)，根據(jù)標準油膜厚度變化光譜，分析溢油油膜厚度估算的可用波段和油膜厚度的有效探測范圍；海面溢油油膜厚度估計依靠對背景反射率的大小，考慮水體的光學輻射特性，選定油膜厚度參數(shù)表與計算模型的可用光譜區(qū)間為380nm-760nm,油膜的最大探測厚度為54 μ m。(2)根據(jù)衛(wèi)星傳感器的性能指標與參數(shù)，進行模擬數(shù)據(jù)的光譜重采樣；地物光譜儀所測量的可用光譜數(shù)據(jù)范圍為380nm-760nm，光譜分辨率為Inm ;根據(jù)星載高光譜傳感器的性能指標，可用探測范圍為426. 8nm-762. 6nm，光譜分辨率約為10nm，將實驗模擬數(shù)據(jù)轉換成星載傳感器的模擬光譜數(shù)據(jù)。(3)模擬光譜數(shù)據(jù)的歸一化處理，消除水色背景差異，得到歸一化反射率值NR= (Roil-RminV(Rs--Rmin)，其中Rt5il為某一個波段油膜反射率值、Rmin為可探測最厚油膜該波段最小油膜反射率值、RSMWatOT為該波段海水背景反射率值，歸一化反射率值的變化區(qū)間為O 到I。(4)油膜厚度估算模型，根據(jù)Beer定律，光強隨著穿透介質長度的增加而逐步的衰減， 因此油膜厚度光譜反射率與油膜的厚度具有負指數(shù)變化的關系，根據(jù)這一理論基礎，可以建立油膜厚度與油膜歸一化反射率的關系為NR = e(_a<w)，則根據(jù)步驟3中的歸一化反射率公式，可以將該模型描述為(Rt5il-RminVOUrate-Rmin) = e(_aW)，d為油膜厚度，Rtjil為所測量的標準油膜反射光譜，可以根據(jù)這些參數(shù)估算各波段衰減系數(shù)a。(5)海洋溢油高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取與處理，獲取某次海洋溢油事故發(fā)生地的衛(wèi)星高光譜影像數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過大氣校正、輻射校正等預處理后，得到衛(wèi)星遙感反射率數(shù)據(jù)；對該數(shù)據(jù)進行取樣分析，此過程為人工過程，需要均勻選擇清潔海水樣點、海洋溢油樣點與海面其它目標樣點，分析這些樣點的光譜特征，可以發(fā)現(xiàn)反射率的大小排列為海水反射率>溢油油膜反射率，對這些目標取平均，并結合影像統(tǒng)計，獲取平均海水背景反射率值RSMWate、 油膜最低反射率值等信息Rmin ;根據(jù)海水背景的反射率大小，選擇背景海水反射率最高值所在波段為最優(yōu)監(jiān)測波段。(6)對該影像反射率數(shù)據(jù)進行歸一化處理，處理方法為NR= (Roil-Rmin) / (Rseawater-Rmin)， 考慮到衛(wèi)星數(shù)據(jù)量較大，只需要一個波段進行計算即可，因此選取其中一個最佳波段進行影像數(shù)據(jù)反射率歸一化處理，其中Roil為該波段油膜反射率值、Rfflin為最小油膜反射率值、 Rseawater為該波段海水背景反射率值，這些數(shù)據(jù)可采用圖像統(tǒng)計的方法獲得，計算得到該波段的歸一化反射率影像。(7)溢油區(qū)掩膜處理與油膜厚度計算，經(jīng)過歸一化處理后的反射率影像，其歸一化值的范圍為從O到D，其中D > 1，因此先對歸一化反射率影像中歸一化反射率值小于I的區(qū)域做掩膜處理，保留溢油區(qū)信息，利用D = (_l/a548.9)*LN(NR548.9)公式計算溢油區(qū)油膜厚度， 其中殿548.9為掩膜處理后的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)548. 9nm波段的歸一化反射率，a548.9為步驟3中計算得到的548. 9nm波段衰減系數(shù)，可以計算得到該次溢油事故中溢油油膜厚度及其分布情況。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于參數(shù)查找表的海洋溢油油膜厚度高光譜遙感估算方法，其特征在步驟1，所述油膜光譜反射率數(shù)據(jù)是有地物光譜儀獲取的油膜厚度連續(xù)變化過程中的光譜曲線，其中包括了油膜厚度指標，光譜分辨率指標為lnm，連續(xù)光譜指標 350nm-2500nm，對獲取的光譜反射率曲線進行平滑處理，作為建立參數(shù)查找表的基礎信息源。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于參數(shù)查找表的海洋溢油油膜厚度高光譜遙感估算方法，其特征在步驟2，對實驗室獲取的標準反射率數(shù)據(jù)進行光譜重采樣，根據(jù)需要計算的衛(wèi)星光學傳感器性能指標、探測波段選擇標準油膜反射率光譜的波段范圍，根據(jù)衛(wèi)星傳感器的波段寬度、中心波長、半波高寬將標準油膜反射率光譜進行轉換，將標準油膜反射率光譜數(shù)據(jù)模擬成衛(wèi)星傳感器所獲取的光譜數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種基于參數(shù)查找表的海洋溢油油膜厚度高光譜遙感估算方法，其特征在步驟3，對于獲取的基礎數(shù)據(jù)，將油膜光譜反射率曲線進行歸一化處理，將油膜反射率光譜大小轉換到從O到I的數(shù)值區(qū)間，消除實驗背景的差異，使歸一化油膜反射率光譜可以應用到不同海洋環(huán)境背景、不同光學衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)中去。
5.根據(jù)權利要求1-4之一所述的一種基于參數(shù)查找表的海洋溢油油膜厚度高光譜遙感估算方法，其特征在步驟4，基于Beer定律構建的油膜厚度光學模型能用來描述透明或半透明介質的光衰減行為，通過計算衰減系數(shù)作為油膜厚度計算模型的參數(shù)查找表，查找表數(shù)據(jù)用于所模擬衛(wèi)星光學傳感器獲取的影像中油膜厚度計算。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種基于參數(shù)查找表的海洋溢油油膜厚度高光譜遙感估算方法，其特征在步驟5，衛(wèi)星傳感器獲取的海洋溢油區(qū)影像，需要經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理，將其轉換反射率影像，在影像上手動提取溢油油膜和背景海水的反射率光譜曲線，確認海水背景反射率 > 油膜反射率，對海水背景反射率光譜求平均，確認背景海水最高反射峰所在位置，以此作為計算的最優(yōu)波段；統(tǒng)計最優(yōu)波段海水背景反射率值和最低油膜反射率值，作為影像數(shù)據(jù)歸一化處理的基礎數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種基于參數(shù)查找表的海洋溢油油膜厚度高光譜遙感估算方法，其特征在步驟6，以步驟5中獲取的最優(yōu)波段背景海水反射率值和最低油膜反射率值，結合步驟4中計算歸一化油膜反射率公式，計算最優(yōu)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，獲得歸一化影像數(shù)據(jù)，歸一化遙感影像反射率值< 1，可以視為影像中油膜覆蓋區(qū)；歸一化遙感影像反射率值> I，可以視為聞反射率目標物，為聞懸浮物海水、航跡線水體與船等。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種基于參數(shù)查找表的海洋溢油油膜厚度高光譜遙感估算方法，其特征在步驟7，對歸一化衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進行掩膜處理，保留歸一化反射率值小于I 的海域，結合步驟4中建立的參數(shù)查找表與油膜厚度計算模型，對最優(yōu)波段進行計算，獲取該海域溢油油膜厚度及其分布數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于參數(shù)查找表的海洋溢油油膜厚度高光譜遙感估算方法，屬于海洋環(huán)境監(jiān)測的研究領域。其具體步驟為通過設計模擬實驗，獲取標準油膜厚度連續(xù)變化高光譜數(shù)據(jù)并進行預處理；海洋溢油衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的獲取與預處理；基于衛(wèi)星傳感器性能指標的標準油膜光譜重采樣；光譜反射率歸一化；油膜厚度光學計算模型；衰減系數(shù)參數(shù)查找表；衛(wèi)星數(shù)據(jù)的反射率歸一化與掩膜處理；衛(wèi)星數(shù)據(jù)的最優(yōu)波段及其相關參數(shù)查詢建立；利用參數(shù)查找表及光學模型計算衛(wèi)星數(shù)據(jù)中的油膜厚度。本發(fā)明與傳統(tǒng)觀測手段相比，野外工作量小，能量化溢油油膜的厚度，無需直接進入海洋溢油污染區(qū)就能計算溢油區(qū)油膜的厚度，能滿足海洋溢油應急監(jiān)測與評估的需求。
文檔編號G01B11/06GK102997856SQ20121053183
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權日2012年12月12日
發(fā)明者陸應誠, 李想 申請人:南京大學