一種海面不同厚度原油油膜高光譜探測(cè)通道選擇方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種海面不同厚度原油油膜高光譜探測(cè)通道選擇方法，包括以下步驟：獲取實(shí)測(cè)海水及不同厚度原油油膜的光譜反射率數(shù)據(jù)；對(duì)Hyperion數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；對(duì)實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)光譜進(jìn)行濾波；對(duì)Hyperion數(shù)據(jù)環(huán)境噪聲進(jìn)行等效反射比計(jì)算；對(duì)模擬Hyperion通道數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化。本發(fā)明對(duì)海上原油油膜的光譜反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過計(jì)算Hyperion傳感器數(shù)據(jù)的光譜響應(yīng)函數(shù)和環(huán)境噪聲等效反射率，對(duì)實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波與歸一化，進(jìn)行Hyperion傳感器進(jìn)行海面不同厚度原油油膜探測(cè)通道選擇。本發(fā)明既考慮了實(shí)測(cè)光譜差異，又考慮了遙感圖像獲取時(shí)的環(huán)境噪聲影響，因此更加接近實(shí)際情況，通道選擇更加準(zhǔn)確。
【專利說明】一種海面不同厚度原油油膜高光譜探測(cè)通道選擇方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種海面不同厚度原油油膜高光譜 探測(cè)通道選擇方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 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，但由于海洋環(huán)境復(fù)雜、海面大氣影響，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)。
[0003] 高光譜遙感數(shù)據(jù)在進(jìn)行油膜和水體探測(cè)時(shí)，同時(shí)受到傳感器系統(tǒng)噪聲和數(shù)據(jù)獲取 時(shí)大氣的影響（系統(tǒng)噪聲與大氣影響合稱環(huán)境噪聲），因此水體與油膜在遙感圖像上的可 區(qū)分性不僅考慮實(shí)測(cè)光譜差異，還應(yīng)考慮環(huán)境噪聲的影響。但當(dāng)前利用實(shí)測(cè)光譜選擇有利 波段和傳感器時(shí)，假設(shè)觀測(cè)過程中的環(huán)境噪聲可以忽略，僅分析了水體和油膜實(shí)測(cè)光譜差 異，從而導(dǎo)致油膜探測(cè)通道選擇結(jié)果不準(zhǔn)確。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一種可提高探測(cè)通道選擇準(zhǔn)確度 的海面不同厚度原油油膜高光譜探測(cè)通道選擇方法。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種海面不同厚度原油油膜高光譜 探測(cè)通道選擇方法，包括以下步驟：
[0006] A.獲取實(shí)測(cè)海水及不同厚度原油油膜的光譜反射率數(shù)據(jù)
[0007] 不同厚度原油油膜的光譜反射率數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間選擇在天氣晴朗無云、風(fēng)速較小的 11:00?12:30進(jìn)行，為了減少外界反射太陽光對(duì)結(jié)果造成干擾，測(cè)量人員著深色服裝。光 譜測(cè)量設(shè)備為ASD FieldSpec?3地物光譜儀，光譜范圍為350?2500nm。數(shù)據(jù)采集前， ASD FieldSpec?3地物光譜儀自動(dòng)進(jìn)行暗電流校正；在測(cè)量海水和油膜前分別測(cè)量參考板 的反射率光譜數(shù)據(jù)，參考板采用與ASD FieldSpec?3配套的漫反射標(biāo)準(zhǔn)參考板；測(cè)量時(shí)探 頭距參考板、水面和油膜20-50cm且垂直向下，視場(chǎng)角3° -25° ;測(cè)量過程中每隔3?5分 鐘測(cè)量一下參考板的反射率光譜數(shù)據(jù)；對(duì)同一測(cè)量目標(biāo)重復(fù)測(cè)量10次，剔除離群數(shù)據(jù)后， 計(jì)算每組數(shù)據(jù)的平均值，得到海水、油膜的光譜反射率數(shù)據(jù)R m。
[0008] Β·對(duì)Hyperion數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理
[0009] Hyperion是地球觀測(cè)一號(hào)星E0-1上搭載的推掃式高光譜成像光譜儀，其光譜范 圍為356-2577nm，共有242個(gè)波段，光譜分辨率約為10nm。經(jīng)過輻射定標(biāo)處理的波段數(shù) 為198個(gè)，其中VNIR56、57波段與SWIR77、78波段重疊，實(shí)際可用波段為196個(gè)?？紤]到 水體在大于lOOOnm后對(duì)光的強(qiáng)吸收作用，選擇波長(zhǎng)小于lOOOnm的Hyperion波段進(jìn)行分 析。Hyperion數(shù)據(jù)在成像過程中受到大氣中水汽和臭氧的影響，為了消除大氣的影響，將 Hyperion原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地球表面的反射率數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行大氣校正。大氣校正使用的工 具是軟件ENVI4. 5的FLAASH模塊，使用該軟件可同時(shí)獲取Hyper ion數(shù)據(jù)的光譜響應(yīng)函數(shù)。 [0010] C.對(duì)實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)光譜進(jìn)行濾波
[0011] 利用步驟B獲取的Hyperion數(shù)據(jù)的光譜響應(yīng)函數(shù)作為濾波器，對(duì)步驟A獲取的實(shí) 測(cè)海水和不同厚度油膜的光譜反射率數(shù)據(jù)Γ進(jìn)行濾波。即按照Hyperion傳感器的中心波 長(zhǎng)和波段數(shù)設(shè)置，對(duì)實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，得到模擬Hyperion通道數(shù)據(jù)礦。
[0012] D.對(duì)Hyperion數(shù)據(jù)環(huán)境噪聲進(jìn)行等效反射比計(jì)算
[0013] 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)境噪聲等效反射比 NEARe進(jìn)行計(jì)算。
[0014] ΝΕ Δ RE = σ (R)
[0015] 〇 (R)是Hyperion數(shù)據(jù)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 波段反射率標(biāo)準(zhǔn)差，通過調(diào)整窗口大小，使σ (R)達(dá)到收斂。采用Wettle等人提出的自動(dòng) 局部收斂定位算法進(jìn)行窗口位置選擇。
[0016] E.對(duì)模擬Hyperion通道數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化
[0017] 將步驟C得到的模擬Hyperion通道數(shù)據(jù)礦歸一化至步驟D得到的ΝΕ Λ RE光譜， 得到歸一化后光譜S。
[0018] S = Rr/NE Δ RE
[0019] F.對(duì)Hyperion數(shù)據(jù)油膜厚度進(jìn)行敏感性評(píng)價(jià)與通道選擇
[0020] 步驟E的歸一化光譜S揭示了 Hyperion數(shù)據(jù)在區(qū)分油膜厚度方面的理論極限 值。以ΝΕ Λ RE為單位進(jìn)行度量，若兩個(gè)地物在某波長(zhǎng)位置的ΝΕ Λ RE差值絕對(duì)值大于1，則 在Hyperion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，即 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。即，將包含該波長(zhǎng)位置的通道選 為進(jìn)行不同厚度油膜探測(cè)的通道。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0022] 本發(fā)明對(duì)海上原油油膜的光譜反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過計(jì)算Hyperion傳感 器數(shù)據(jù)的光譜響應(yīng)函數(shù)和環(huán)境噪聲等效反射率，對(duì)實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波與歸一化，進(jìn)行 Hyperion傳感器進(jìn)行海面不同厚度原油油膜探測(cè)通道選擇，相比已有通道選擇方法，該方 法既考慮了實(shí)測(cè)光譜差異，又考慮了遙感圖像獲取時(shí)的環(huán)境噪聲影響，因此更加接近實(shí)際 情況，通道選擇更加準(zhǔn)確。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 本發(fā)明共有附圖4張，其中：
[0024] 圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明的不同厚度原油油膜實(shí)測(cè)光譜反射率曲線；
[0026] 圖3為本發(fā)明的不同厚度原油油膜實(shí)測(cè)光譜反射率經(jīng)Hyperion數(shù)據(jù)光譜響應(yīng)函 數(shù)濾波后曲線；
[0027] 圖4為本發(fā)明的不同厚度原油油膜實(shí)測(cè)光譜反射率經(jīng)Hyperion環(huán)境噪聲等效反 射率歸一化后曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示，本發(fā)明首先獲取不同厚度 原油油膜的實(shí)測(cè)光譜反射率數(shù)據(jù)；然后對(duì)Hyperion傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)提取，即獲取 Hperion光譜響應(yīng)函數(shù)；利用獲取的Hyperion光譜響應(yīng)函數(shù)對(duì)實(shí)測(cè)光譜反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行光 譜濾波；通過計(jì)算獲得Hyperion傳感器圖像數(shù)據(jù)的環(huán)境噪聲等效反射率ΝΕ Λ RE ;利用獲得 的NE △ ^對(duì)濾波后的實(shí)測(cè)光譜反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化操作；通過分析不同厚度原油油膜的 濾波后光譜曲線，獲得Hyperion數(shù)據(jù)對(duì)不同厚度油膜的敏感性，選擇利于不同厚度原油油 膜探測(cè)的通道。
[0029] 如圖 2 所示，獲取厚度為 10以111、5(^111、30(^111、100(^111、150(^1]1和 200(^1]1的原 油油膜以及海水的光譜反射率數(shù)據(jù)。
[0030] 如圖3所示，利用Hyperion傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù)對(duì)圖2中油膜及海水的光譜反 射率數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，得到濾波后的不同厚度油膜及海水的光譜反射率曲線。
[0031] 由圖4所示，利用ΝΕ Λ RE對(duì)圖3中數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化后得到歸一化的不同厚度油 膜和海水光譜反射率曲線。通過分析發(fā)現(xiàn)，10 μ m和50 μ m油膜和海水的ΝΕ Λ RE差異在 427-875nm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)別海上薄油膜；在498-579nm和620-854nm范圍內(nèi)，1500 μ m和2000 μ m油膜和海水的 ΝΕ Λ RE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300 μ m和1000 μ m的油膜，在427-590nm范圍內(nèi)與海水的ΝΕ Λ RE的差異并不是 很大，并且在610- 885nm范圍內(nèi)與海水的ΝΕ Λ RE差異均大于1。理論上通過Hyperion傳 感器能夠比較好的識(shí)別海上原油油膜，薄油膜和厚油膜的ΝΕ Λ RE差異主要體現(xiàn)在508nm- 610nm范圍內(nèi)，并且能夠區(qū)分薄油膜和厚油膜。
[0032] 由波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)Hyperion傳感器通道可知，對(duì)于較10 μ m和50 μ m油膜，Hyperion 傳感器的第8波段至第52波段能夠有效的識(shí)別；對(duì)300 μ m和1000 μ m的油膜，Hyperion 傳感器的探測(cè)通道為第26-53波段；對(duì)于1500 μ m和2000 μ m的油膜，Hyperion的第15波 段至第23波段以及第27-49波段數(shù)據(jù)探測(cè)性能較好。
[0033] 以上所述，僅為本發(fā)明的最佳實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何 熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明 構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種海面不同厚度原油油膜高光譜探測(cè)通道選擇方法，其特征在于：包括以下步 驟： A.獲取實(shí)測(cè)海水及不同厚度原油油膜的光譜反射率數(shù)據(jù) 不同厚度原油油膜的光譜反射率數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間選擇在天氣晴朗無云、風(fēng)速較小的 11:00?12:30進(jìn)行，為了減少外界反射太陽光對(duì)結(jié)果造成干擾，測(cè)量人員著深色服裝；光 譜測(cè)量設(shè)備為ASD FieldSpec?3地物光譜儀，光譜范圍為350?2500nm ;數(shù)據(jù)采集前， ASD FieldSpec?3地物光譜儀自動(dòng)進(jìn)行暗電流校正；在測(cè)量海水和油膜前分別測(cè)量參考板 的反射率光譜數(shù)據(jù)，參考板采用與ASD FieldSpec?3配套的漫反射標(biāo)準(zhǔn)參考板；測(cè)量時(shí)探 頭距參考板、水面和油膜20-50cm且垂直向下，視場(chǎng)角3° -25° ;測(cè)量過程中每隔3?5分 鐘測(cè)量一下參考板的反射率光譜數(shù)據(jù)；對(duì)同一測(cè)量目標(biāo)重復(fù)測(cè)量10次，剔除離群數(shù)據(jù)后， 計(jì)算每組數(shù)據(jù)的平均值，得到海水、油膜的光譜反射率數(shù)據(jù)R m; Β·對(duì)Hyperion數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理 Hyperion是地球觀測(cè)一號(hào)星E0-1上搭載的推掃式高光譜成像光譜儀，其光譜范圍 為356-2577nm，共有242個(gè)波段，光譜分辨率約為10nm ;經(jīng)過輻射定標(biāo)處理的波段數(shù)為 198個(gè)，其中VNIR56、57波段與SWIR77、78波段重疊，實(shí)際可用波段為196個(gè)；考慮到水 體在大于l〇〇〇nm后對(duì)光的強(qiáng)吸收作用，選擇波長(zhǎng)小于lOOOnm的Hyperion波段進(jìn)行分 析；Hyperion數(shù)據(jù)在成像過程中受到大氣中水汽和臭氧的影響，為了消除大氣的影響，將 Hyperion原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地球表面的反射率數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行大氣校正；大氣校正使用的工 具是軟件ENVI4. 5的FLAASH模塊，使用該軟件同時(shí)獲取Hyperion數(shù)據(jù)的光譜響應(yīng)函數(shù)； C. 對(duì)實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)光譜進(jìn)行濾波 利用步驟B獲取的Hyperion數(shù)據(jù)的光譜響應(yīng)函數(shù)作為濾波器，對(duì)步驟A獲取的實(shí)測(cè)海 水和不同厚度油膜的光譜反射率數(shù)據(jù)Γ進(jìn)行濾波；即按照Hyperion傳感器的中心波長(zhǎng)和 波段數(shù)設(shè)置，對(duì)實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，得到模擬Hyperion通道數(shù)據(jù)礦； D. 對(duì)Hyperion數(shù)據(jù)環(huán)境噪聲進(jìn)行等效反射比計(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)境噪聲等效反射比ΝΕ Λ Re 進(jìn)行計(jì)算； ΝΕ Δ RE = σ (R) 〇 (R)是Hyperion數(shù)據(jù)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 反射率標(biāo)準(zhǔn)差，通過調(diào)整窗口大小，使〇 (R)達(dá)到收斂；采用Wettle等人提出的自動(dòng)局部收 斂定位算法進(jìn)行窗口位置選擇； E. 對(duì)模擬Hyperion通道數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化 將步驟C得到的模擬Hyperion通道數(shù)據(jù)F歸一化至步驟D得到的ΝΕ Λ RE光譜，得到 歸一化后光譜S ; S = Rr/NE Δ Re F. 對(duì)Hyperion數(shù)據(jù)油膜厚度進(jìn)行敏感性評(píng)價(jià)與通道選擇 步驟E的歸一化光譜S揭示了 Hyperion數(shù)據(jù)在區(qū)分油膜厚度方面的理論極限值； 以ΝΕ Λ RE為單位進(jìn)行度量，若兩個(gè)地物在某波長(zhǎng)位置的ΝΕ Λ RE差值絕對(duì)值大于1，則在 Hyperion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，即傳 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；即，將包含該波長(zhǎng)位置的通道選為 進(jìn)行不同厚度油膜探測(cè)的通道。
【文檔編號(hào)】G01N21/55GK104122233SQ201410366554
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】劉丙新, 李穎, 張至達(dá) 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)