（地图学与地理信息系统专业论文）noaaavhrr数据在事故溢油中应用研究.pdf

n o a a a v h r r 数据存事故溢油中应用研究 n o a a a v h r r 数据在事故溢油中应用研究 捅要 海上油污染给海洋生态环境以及近海沿岸的生产、生活带来严重的破坏和巨 大的环境压力；由于其发生所具有的随机性特点，难以被预测、预报，因此，如 何快速、准确地确定污染发生位置、油污种类和溢油量则成为重要的研究内容， 而遥感正是解决这一问题的有效手段：海面油污与周围海水的特征信息同时被遥 感传感器探测并记录，它们之间的差别以影像上不一致的灰度形式表现出来，通 过对遥感影像的分析从而确定油污的各个存在特征参数，实现海上油污染探测。 随着传感器硬件技术的不断发展以及遥感数据处理方法的日渐成熟，卫星遥 感在监测和检测海上油污染并指导清污工作中发挥着越来越积极的作用；价格低 廉、数据量丰富、处理方法简单以及使用效率高等特点使得其在海上油污染的研 究中有着巨大的应用潜力。 本文对卫星遥感探测海上油污染的原理和方法进行了探究，使用了n o a a 系 列卫星的a v h r r 数据，结合海面溢油的反射和发射辐射特性，通过对可见光、热 红外通道影像的处理和分析，对2 0 0 2 年1 1 月发生在天津新港附近的“塔斯曼海” 号溢油事故以及2 0 0 5 年4 月发生在大连海域的“阿提哥”号溢油事故相应的油 污信息进行了提取了分析：采用了单通道拉伸、直方图均衡、彩色合成等图像处 理方法增强了卫星图像上油污与背景海水的灰度差别并分析了油膜的厚度，对海 面油污的位置、扩散面积、所溢油量等参数进行了计算；根据所溢油污的辐射特 性，尝试编写计算机程序实现油污与海水的自动分割；对油污的存在做出了印证。 n o a a 卫星数据在海上油污染研究中有着良好的应用前景，传感器技术和信 息处理技术的不断完善必将进一步拓宽其观测空间，从我国的国情出发，建立起 以卫星遥感为主的海上油污染研究体系是合理并有效的。 关键词：n o a a ( a v h r r ) ，卫星遥感，溢油 n o a a a v h r r 数据存事故溢油中府f f i 研究 t h ea p p ii c a t i o no fn o a a a v h r rd a t ai nt h ed e t e c t i o no f 8 0 iis p iiic a u s e db yt a n ka c c i d e n t a b s tr a c t t h eo i lp o l l u t i o nt o o kg r e a tp r e s s u r et ot h eo c e o ! a n di t se n t i r o n m e n t , a n d a f f e c t e di n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dd a i l yl i f ei nc o a s ta r e a s a so i lp o l l u t i o nh a p p e n e d s t o c h a s t i c a l l y , i ti sd i f f i c u l tt ob ep r e d i c t e d h o wt od e t e c tt h el o c a t i o nw h e r eo i l p o l l u t i o no c c u r r e d o i ls p e c i e sa n dt h ea n a o u n ta f et h em a i nc o n t e n t so ft h i ss t u d y r e m o t es e n s i n gi saq u i t ee f f e c t i v em e t h o db e c a u s et h ei n f o r m a t i o no ft h eo i lo nt h e s e as u r f a c ea n di t s s u r r o u n d i n g sa r er e c e i v e db ys e n s o r sa t t h es a m et i m e ；t h e i r c h a r a c t e r i s t i c sa r er e p r e s e n t e db yt h ed i f f e r e n c eo fi m a g ed a t a a ss a t e l l i t er e m o t es e n s i n gb e c o m e sm o r ee f f e c t i v ew i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e h a r d w a r ea n dd a t ap r o c e s s i n g ，i th a sg r e a tp o t e n t i a li nt h es t u d yo f o i lp o l l u t i o nd u et o i t sl o wp r i c e ，d a t aa b u n d a n c e ，l a r g ec o v e r a g e ，a n df l e x i b l ed a t ap r o c e s s i n g t s p i l lb yu s i n ga v h r rd a t aa c q u i r e db yn o a as a t e l l i t e a f t e rc o n s i d e r i n gt h e r e f l e c t i o na n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo i lo nt h es e as u r f a c e w ep r o c e s s e da n d a n a l y z e dt h ev i s i b l ea n dt h e r m a li n f r a r e dd a t ao fn o a a a v h r r t h ei n f o r m a t i o n w a sa c q u i r e da b o u to i ls p i l l sc a u s e db yt h et a n ko f q a s m a ns a e i nn o v 2 0 0 2 n e a rt h ep o r to ft i a n j i n , a n dt h ea c c i d e n to f a r t e a g e ”h a p p e n e da r o u n dd a l i a n t h em e t h o d so fi m a g ep r o c e s s i n gs u c ha ss t r e t c h i n go fs i n g l ec h a n n e l ，h i s t o g r a m e q u a l i z a t i o na n dc o l o rc o m p o s i t ew e r eu s e d ；t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h eg r e yv a l u eo f o i ls p i l la n di t ss u r r o u n d i n gs e aw a t e rw a se n h a n c e d t h ep a r a m e t e r ss u c h 鹊t h e l o c a t i o n o i ls p i l lc o v e r a g ea n dt h ea m o u n to ft h eo i ls p i l lw e r ee s t i m a t e do nt h eb a s e o f t h eo i ls p i l l sr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h ec o m p u t e rp r o g r a m so f i d lw e r ew r i t t e n t or e a l i z et h ea u t o m a t i cs e g m e n t a t i o no f t h es p i l la n dt h es e aw a t e l t h en o a a a v h r rd a t ah a sb r i g h tf u t u r ei nt h ea p p l i c a t i o no f o i ls p i l ld e t e c t i o n a st h et e c h n i q u eo ft h es e n s o ra n dt h em e t h o d so fi n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga r e i m p r o v e d ，w eb e l i e v et h a ti t i sw i s ea n de f f e c t i v et os e tu ps u c hs y s t e mo fo i ls p i l l n n o a a a v h r r 数据冉事故溢油中府用研究 d e t e c t i o nb a s e do i ls a t e l l i t er e m o t es e n s i n gt e c h n i q u ei no u r c o u n t r y k e yw o r d s ：n o a a ( a v h r r ) s a t e iii t er e m o t es e t i s i n g o ii s p 1 1 1 n o a m a v f l r r 数据卉事故溢油中脚用研究 第1 章序言 海洋蕴藏 富的生物和矿产资源，从可持续发展的角度柬看，它的存在以及 健康发展对人类社会乃至整个自然界都具有绝对重要的意义；因此，在设法摆脱 陆地资源枯竭、人口激增、生态环境只盏恶化等严峻生存问题的时候，人们将目 光一致投向了海洋这个巨大的宝库：然而不幸的是，在利用海洋并不断向其进行 物质索取的过程中，人类再次重蹈覆辙：对海洋的保护意识却足随着对其破坏程 度的不断加深才得到增强的；人们不断尝试对海洋及其生态环境的日益恶化做出 解释，而最终的答案正是由于人类的原因而造成的备种污染。 造成海洋污染的原因是多种多样的，它们的危害程度和作用区域也不尽相 同；海上油污染是当代对海洋生态环境破坏最严重的污染物之一，它具有扩散葱 围广、持续时| 丑j 长、难以控制和消除等特点。油污进入海洋后，往往在海浪、风 等的作用下形成粘稠的油膜漂浮于海面，生存、活动介于海水很大垂直范围内的 生物的生命都将由于它的存在而受到威胁：尤其是当油污量较大时，海水自身的 自净能力则显得十分有限，而这种威胁会在相当长的时i 日j 黾持续进行而强度却只 有很微小的减弱：水鸟、浮游动植物、幼鱼及龟卵由于活动于表层海面，因此成 为漂浮油污最直接的受害者；油污扩散所形成的油膜由于覆盖了海面又会对浮游 植物的光合作用产生抑制，同时其在分解的过程中又参与消耗海水中的融解氧， 这些过程最终部将导致海生生物的死亡，给海洋生物食物链造成破坏；需要特别 指出的是，油污中所含有的芳香烃类物质具有毒性，它们能够通过生物富集的方 式和食物链的传递进而给人类健壤和生命带来伤害。 从总体上讲，油污进入海洋的方式可以划分为慢性的和突发性的两种注入 方式。油污的慢性注入一般因操作引起，这其中包括在海上石油勘探过程中发生 的泄漏和含油废水的排放、港口船舶在加装燃料油和装卸货物时产生的泄漏和含 油洗舱水的排放以及沿岸带工业生产含油污水的人为排入海洋；海底含油沉积岩 遭侵蚀后而导致的原油渗出亦属于慢性的油污注入，是因自然力量而引起的油污 染。突发性的油污进入海洋大多数足因事故而引起的，其中包括海上油井的爆炸、 与船舶相撞，井喷事故以及船舶在航行过程中发生的触礁、搁浅、倾覆、油轮相 撞、爆炸等海上交通事故，此类突发性油污染事件往往在短时间内即导致大量油 n o a a j a v h r r 数据存事故溢脑中府用研究 污倾入海洋，给海洋生态环境带来严重危害，而本文正是使用卫星遥感手段对此 类油污染进行了研究。 我国的海洋油污染问题由来己久，6 0 年代即有发生，1 9 7 3 年在大连港就发生 了由于船舶碰撞( “大庆3 6 ”) 而造成了多达1 4 0 0 吨原油溢出的事故；自1 9 7 8 年改革开放以来，中固向世界敞开了海上门户，进出口贸易的频繁更使得海上交 通呈现出一派繁荣景象；然而，在经济得到快速发展的同时，海洋油污染事件也 接连不断：据有关统计，1 9 7 8 年至2 0 0 2 年的最近2 4 年我国沿海船怕、码头发生的 5 0 吨以 溢油事故多达5 4 起，其中有1 3 起事故单次溢油量超过5 0 0 吨，累计溢油 总晕超过3 0 0 0 0 吨 1 l ；如此巨量的油污进入海洋，其对我国沿海海洋生态环境造 成的破坏可想而知，生态和经济损失难以挽回和估计。 虽然已经将保护海洋生态环境确定为我囤的基本国策之一，在2 0 0 0 年亦颁布 实施了中华人民共和困海洋环境保护法，我国近海海域油污染形势却依然严 峻。存沿海和部分港口建立起来的众多海监局、监察大队、监测站等，因监测手 段的不完善和设各的落后而不能为改善我国沿海油污染状况提供有力的技术支 持和保障：8 0 年代海洋局租用的监测飞机因为经费的问题也无法完成常规的沿海 油污染监测任务；面对海洋环境保护意识的淡薄、法律制度的不健全以及缺乏有 效的保护、赔偿机制等诸多问题进一步加深了我国海洋油污染形势。同时来自于 技术和经济两方面的原因使得海上油污染调查很难充分进行，无法快速、真实地 反映污染情况，也因此而难以进行事故原因的调查和责任的追究，同时不能有效 地降低污染危害并对污染状况进行评估；我国沿海生态环境因多次溢油事故而遭 受到严重破坏，经济损失惨重。 荷兰、德国、法国、美国以及加拿大等少数发达国家己较早地建立起海上油 污染监测体系，他们使用加载有多种传感器和记录设备的飞机对近岸港口、油田、 各航运线路等污染多发区执行只常的监测任务，能够对油污染做出迅速反应并通 过预报、预测机制有效地控制其危害。从我国的科研水平和经济状况出发，则必 然要求建立起以我国沿海海域经济、地理、生态特征为基础的，充分符合我国国 情的，快速高效的海上油污染监铡机制。 相比于航空遥感监测，卫星遥感因其所具有的平台高度优势，视野丌阔，能 够对大范围的海面进行监视，为从宏观上反映油污及受污染海域提供了可能。在 n o a a a v h r r 数据在事故溢油中随盱j 研究 众多航天遥感平台中，由荚国发射的n o m 系列气象卫星在海上油污染监测研究中 发挥着积极作用：其较短的重复观测周期使得卫星对受污染海域的监测次数多， 从而能够实现对油污的跟踪监测；丰富的数据量为确定油污位置、计算其扩散方 向、面积、漂移速度以及油量等描述参数提供了可能；数据的处理简单有效，同 时，不需要交纳任何费用以获得使用权；因此，从我国的国情出发，以n o m 系列 卫星数据为基础的海上油污染探测方式有着很高的适用价值，本文也正是使用这 一数据对最近发生在我国海域的两次大型的油污染事故进行了处理了分析，取得 了较好的结果。 事实上，白“六五”以来我国便丌展了海面溢油航空遥感监测方法的研究f 2 1 ， 取得了一些成果，但研究程度较低，无法满足应用的要求。为深入研究可见光和 近红外遥感手段探测海洋油污染，掌握各种油品进入海洋后的扩散、漂移、乳化、 融解等光谱特征，大连海事大学和国家海洋环境监测中心在“八五”期间相继开 展了卫星遥感监测海上油污染的研究工作；赵冬至等人通过实验绘制了原油、 柴油、润滑油的可见光、近红外波段光谱特征曲线，经过处理、对比和分析，总 结了光谱特征随油膜厚度变化的规律；大连海事大学【4 1 分别于1 9 9 8 年1 1 月和1 9 9 9 年l o 月在大连湾外海进行了两次油膜波谱特征测试实验，对煤油、润滑油、轻柴 油、中东原油、重柴油以及大庆原油等多种油品在近紫外、可见光、近红外波段 的反射光谱特征进行了测定；同时，结合油膜波谱特征，大连海事大学【5 l 还利用 n o a a 系列卫星所获取的a v h r r ( a d v a n c e dv e r yh i g hr e s o l u t i o nr a d i o m e t e r ) 数据分别对1 9 9 0 年发生在老铁山水道的利比亚籍“春鹰”轮与巴拿马籍“玛哑8 号”轮相撞所造成的重柴油溢油事故、1 9 9 4 年辽河油田“5 1 6 ”原油污染事件、 1 9 9 5 年“南洋2 号”轮在厦门兄弟屿附近撞船造成的重柴油污染事故以及1 9 9 6 年 “浙普渔油- - 3 1 ”轮在老铁山水道造成的润滑油污染等事件进行了研究，提取了 影像中的油污信息，对a v h r r 遥感卫星数据在溢油事故中的应用能力做出了肯定。 在海上油污种类的鉴别方面建立了“油指纹库”，发展了海面溢油的荧光光 谱鉴别方法，如同步扫描荧光光谱法【6 1 、可变角同步的扫描光谱法等川；厦门大 学分析化学实验室以及国家海洋局第一海洋研究所提出了近红外光谱技术结合 主成分聚类分析鉴别溢油种类的方法f 引，能够对体积分数在0 4 0 8 m l l h j 的溢 油样品正确、快速分类。 n o a a a v h r r 数据押事故溢油中商用研究 然而，尽管已有许多关于海上油污的辐射特性、鉴别方法以及对多次事故污 染事件的研究成果，但是往往由于数据的处理过程复杂且耗时过久，因而对油污 染事件反应速度慢，实效性差；而针对具体的油污染种类和规模，还没有建立起 统一的数据选取标准和业务化的应用方法：卫星遥感手段探测海上油污染的研究 还并不充分，在如何客观、准确地提取油污信息、突出油污特征以及定量计算标 准等方面仍存在很多问题：同时。由于探测油污的能力不强，据此所建立起来的 多种油污种类判断方法也往往不能在实际的事件处理中发挥作用，而实验数据、 结论和结果常常足在较为理想化的条件下获得的，与现场数据的出入较大，比如 海上油膜的厚度分布及变化足 常复杂的，而实验得到的结果却足小面积、离散 化油膜的特征数据，与现实的联系不够紧密，难以作为应用的依据。 9 ， m ” 。 溢油探测原理及 4 ； 油污特征提取。 。 结论、展望” 图1 一l 论文结构图 图1 一i 为本文主要内容的描述框图；首先是对卫星遥感手段探测海上油污染 的发展及主要探测方法的调查和研究：进行了各遥感传感器对海上油污的探测机 4 夕 n o a a a v h r r 数据卉事故溢油中府f 1 1 研究 理的分析，并对其应用能力及特点做出比较，同时将其探测机理与海上油污的辐 射特性相结合以指导数据的选择、处理和分析；通过对国内外遥感探测海洋油污 染发展状况的调查，分别介绍了红外光谱探测技术、微波探测技术以及油膜厚度 等的探测技术：而通过对卫星遥感探测海上油污染事件已有方法和成果的分析， 文本试图建立起具有较强针对性的、探测效率高的油污染研究方法：而后，将海 上油污的辐射特性- 与n o a a 系列卫星a v i t r r 数据的探测特点结合起来，对其在海上 油污染探测方面的可应用性进行了论证，并确定了以2 0 0 2 年1 1 月发生在天津新港 附近的“塔斯曼海”号溢油事件以及2 0 0 5 年4 月发生在大连海附近的“阿提哥” 号溢油事件所造成的大型原油污染作为本文的研究对象；在如何突出油污特征、 提取油污信息方面，文中对单通道拉伸、多通道组合等图像处理手段进行了论述 并对事故数据处理结果进行了分析；最后一部分是对事故数据的处理，为了对油 污染进行定黾地计算从而为事件调查提供可靠的事实依据，根据这两次事故所溢 油污在a v h r r 数据图像上的表现特征，本文还尝试设计了计算机检测算法，对油 污和背景海水进行自动判断，并根据检测结果计算了油污的扩散面积，对事故所 溢油量做出估计。 总的说来在卫星遥感探测海洋油污染这一研究课题上，通过对两次大型油污 染事件的处理，本文试图完成以下工作： ( 1 ) 对卫星遥感探测海洋油污染的原理、方法以及应用等进行分折、总 结，确定n o a a 卫星a v h r r 数据在大型油污染事件研究中的可见光、 红外遥感探测方法： ( 2 ) 分析海上油污的反射、发射辐射特性，并针对具体的油污染事件及 相关数据，建立起较为完整的事故溢油数据处理方法； ( 3 ) 对图像上油污特征提取和数据处理结果进行了分析和讨论，利用计 算机枪测算法实现油水自动分割并计算油污扩散面积，对图像上油 污的灰度表现及其厚度之间的可能关系进行分析，同时根据其直方 图特征对油膜的厚度进行估计，初步估算事故所溢油量： n o a a t j 星a v h r r 数据在海洋油污染探测中具有独特的优势，尤其是对大型油 污染事件的研究，从我国所面临的经济、技术以及油污染状况出发，对其研究是 有现实意义的。 n o a a a v h r r 数据在事故溢油中哑用研究 第2 章海上溢油遥感探测 不同种类的物体由于自身某些特性以及所处环境条件的不一而具有完全不 同的电磁波反射或发射辐射特征【5 】，这些特征是物体间相互区别的依据，而遥感 正是通过接收并分析物体的这些反射、发射等特性信息从而实现对其识辨这一目 的的；对海上油污的探测也是如此：依据油膜在不同光谱区的反射、发射和吸收 特性，选择适当的波段进行海上油污的探测，并使用一定的图像处理方法增强油 污与背景海水之间的影像反差，从而达到确定污染区域、计算油量等目的。不论 是何种油污，其组成成分部是十分复杂的，而油污进入海洋以后，在海浪以及风 等多种力的作用下，油污自身不仅发生扩散、蒸发等过程，还将与海水相互作用 同时经历融解以及乳化等过程，从而导致其所处位置海水的物理和化学性质发生 改变：油污、海水以及油水混合物截然不同的光谱特性被遥感传感器所探测，在 遥感影像上则表现为不同的明暗、颜色、纹理以及分布形态等可识别特征，这些 特征便成为遥感手段探测海上油污的依据。 到目前为止，还没有哪一种遥感传感器的探测波段足针对海上油污的波谱特 性而专门设计的，因此其反射、发射辐射等特性信息便分散于不同传感器各波段 的遥感影像中；将海上油污的理化特性和波谱特征相结合，并以此为出发点去寻 找油污在遥感影像上的表现特征，从而实现影像上油污特征的提取，此即采用遥 感技术对海上油污进行探测的基本思想。 2 1 海上溢油遥感探测 遥感技术应用于海上石油污染监测可追溯至1 9 6 9 年【9 l ：美国使用机载多波 段可见光扫描仪对加利福尼亚圣巴巴拉附近海域井喷事故造成的油污染进行了 监测，并跟踪测量了扩散后的油膜，取得了较好的效果。随后，挪威、加拿大、 荷兰、法国以及德国等国家相继开展了海上油污染的遥感探测研究，他f f j 根据各 自的油污染状况建立起相应的探测方法和探测系统，为遥感探测海上油污染奠定 了略实的基础；而多方面的研究工作，如油污染的准确探测、油污种类的判断以 及油污的存在对海洋生态系统的影响等，也使得这一技术迅速发展起来并不断得 6 b l o a a a v h r r 致据存事故溢油中琦用研究 到完善。如今，这些发达国家基本上已经建立起了基于航空遥感技术的，常规化、 业务化运行的海上油污染监测系统。 2 1 1 航空与航天遥感溢油探测 遥感探测存在多种划分形式：一般所说的航空遥感和航天遥感是按照遥感平 台的高度进行划分的两种探测方式。在对海上油污染的探测研究中，针对具体的 环境和探测对象，它们各自有着不同的特点。 航空遥感一般使用弋机作为传感器的加载平台，因此，它具有较高的地面分 辨率，能够实现对小面积油污以及薄油膜的探测，对海上油污染反应迅速。航空 遥感使用的传感器主要包括红外，紫外( i i l i ) 扫描仪、合成孔径雷达( s a r ) 、 侧视孔径雷达( s l a r ) 以及微波辐射计等。 挪威，加拿大、美国、荷兰、德国等发达国家均使用航空遥感方式对所属海 域进行日常的油污染监测任务。由于飞机具有灵活、机动的特点，因而在溢油事 故监测工作中，航空遥感是使用最多且有效的技术手段f l o l ；航空遥感能够快速 发现海面上的油污并进行其位置、扩散趋势和方向、面积等信息的记录，此外在 确定污染来源方面也能够起到积极的作用；一旦发现油污，则能通过飞机上的通 讯设备及时报告给沿岸的监测中心及相关部门，指导油污的清理工作，同时还能 够对油污进行跟踪监测，对可能受污染区域进行预测和预报。 尽管航空遥感探测海上油污染在实效性和准确性方面具有一定的优势，然而 受到飞机飞行高度的限制，它的视野并不开阔，因此，在发生大规模油污染或当 油污面积较大时，航空遥感便难以提供有关油污所处位置、相对位置、油污的中 心区、油污的扩散趋势以及周围海况等多种有效信息；同时，当油污染发生在远 离海岸或飞机难以到达的地区的时候，航空遥感快速、灵活的特点便失去了意义： 另外需要指出的是，恶劣的天气往往是溢油事故发生的主要原因，而这将使飞机 难以完成监测任务，对油污染无能为力；最后，高昂的费用也是航空遥感未被广 泛应用的重要原因之一。 航天遥感将卫星作为传感器的加载平台，它具有监测范围广、全天候、图像 资料易于处理和解译等特点【1 0 1 。而与航空遥感相比，航天遥感首先便具有高度 的优势，不仅能够对海上油污做出宏观上的描述，亦能快速、准确地提供油污所 7 n o a a a v h r r 数据存事故谥油中晰用研究 处位置、扩散面积以及漂移方向等信息，弥补了航空遥感视野狭小的不足；并且， 航天遥感在对海上油污染进行探测的同时能够对整个污染区域、受污染相关、相 邻海域和海岸带进行监测，对污染的治理和评估工作具有重要的指导意义。 空间分辨率不高和重复观测周期长曾破认为足航天遥感难以应用于海上油 污染探测的主要原因【l i l ，即对小面积油污不够灵敏且很难实现跟踪观测，然而事 实上，随着遥感探测技术的不断发展以及传感器的不断改进，如星载s a r 的应 用，航天遥感已经具备了探测小面积油污的能力，空间分辨率已不再是制约其应 用的主要因素：同时，同类卫星数量的增多，如n o a a 系列卫星，使得航天遥 感的重复观测周期更短，对海面油污的跟踪监测亦成为可能：尽管天气状况同样 对航天遥感探测产生一定的影响，但由于存在种类繁多的航天遥感数据，全天候 工作的特点能够很好的克服这一问题。随着遥感传感器的不断发展和完善，可以 预见，航天遥感将在海上油污染探测研究中发挥越来越重要的作用。 2 1 2 海上溢油探测遥感传感器 在海上油污染研究方面所使用的遥感传感器主要有传统的光学遥感传感器 和微波炎型的遥感传感器；从它们获取遥感信息的方式束看，光学传感器以探测 并接收太阳、地物辐射特性为主，具有被动式的工作方式；而微波类型的传感器 则属于主动型的传感器，它发射一定波长的微波，以反射回来的回波信号作为探 测的依据。而按照这些传感器探测波段的不同进行划分有激光荧光、紫外、可见 光、红外以及微波辐射计等遥感传感器：它们的工作原理和探测特点如下： ( 1 ) 可见光遥感传感器 在可见光波段( 4 0 0 7 0 0 n m ) 海上油污的表面反射率稍高于海水，同时呈 现出一定的吸收趋势，因此在这一波段，油污由于反射所产生的银色闪耀使得它 与蓝色背景每水的差异十分明显，由此能够被识别出来。 事实上，由于5 0 0 6 0 0 n m 这一波段包含的信息较少，则常被滤掉以增大油、 水反差f 1 2 j ；然而总的说来，在可见光波段，油污不具各特殊的、能够使其被清 晰分辨的探测特征，泰勒【l 在实验室以及现场分别对油污的波谱特性进行了探 测，结果表明，平直的光谱上几乎找不到能够与背景海水进行区别的特征，使用 波段细分的技术也不能对油污探测能力的提高有所帮助。事实上，这也正是可见 n o a a a v h r r 数据存事故溢油中向用研究 光遥感传感器探测海上油污染所面临的主要问题，即容易受到观测角和天气状况 的影响，当海面存在其他反射闪光特征时，如太阳耀斑和风产生的海表面亮斑等， 可见光遥感传感器则难以判断其是否由海上油污所引起；为了使可见光遥感影像 上油污与背景海水的反差增大，可将传感器的观测角调整为饰儒斯特角( 5 3 0 ) ， 同时使用水平极化的方式以保证来自海面的、含有油污信息的反射光的通过。然 而，从某种意义上讲，这也使得可见光遥感传感器对海上油污染的探测能力更加 依赖于光照和天气条件。 ( 2 ) 红外遥感传感器 一定厚度的油膜在吸收太阳辐射的同时将部分吸收辐射以热量形式重新辐 射出去，其辐射波长范围为8 1 4um 。在红外影像上厚油膜表现为“热”特征， 中等厚度的油膜表现为“冷”特征，而薄油膜不能被检测出来1 。油膜的厚度与 温度之间具有一定的关系( 讨论详见第3 章) ，f i n g a s 等人【1 4 1 认为，厚度在5 0 1 5 0 1 1n l 范围内的冷、热油膜之间会发生热量的传递，而最小可被探测厚度为2 0 7 0i t1 1 1 。而b o l u s 1 5 认为红外遥感传感器在大多数情况下不能探测到乳化油( 油 水混合物) ，这是由于乳化油中含有7 0 左右的水，其较强的热传导能力则使得 温度的差异不明显。 红外遥感传感器是已被广泛应用且目前较为成熟的海上油污探测工具。实际 上，使用红外遥感传感器对对海上油污的探测多是利用8 1 4 pm 的热红外波段 而进行的；对红外遥感传感器所进行的试验表明，油污在海面呈条带状以及较小 的斑块状分布的时候，传感器的空日j 分辨率便显得十分重要：乳化油在红外影像 上一般是不可见的，而波段范围为3 5um 的红外传感器对油污的探测能力则 非常有限。 热红外遥感传感器能够获得油污的相对厚度信息1 1 1 i ，这对油污的回收和清除 有着非常重要的指导意义，尽管红外遥感探测海面油污染同样受到天气状况、海 况等诸多因素的影响，但是由于技术较为成熟以及数据价格的低廉使得它仍然是 探测海上油污染的主要手段。 ( 3 ) 紫外传感器 由于油膜即使在很薄的厚度下( 0 0 1pm ) ，仍然具有较强的紫外反射能力， 9 n o a a ，a v h r r 敏据存事故溢油中向用研究 因此，紫外传感器可用于对薄油膜的探测；将紫外与红外遥感影像相叠加往往能 够产生油膜的相对厚度图像，然而尽管紫外摄影机的价格不贵，但是由于其影像 难以与其他遥感影像配准而无法广泛应用f 1 1 1 ；同时，由于紫外线波长较短，在大 气的传输过程中受到强烈的吸收和散射作用，使得传感器的加载高度受到限制， 从而影响了数据的获取质量：另外，紫外传感器不能对海洋生物以及由光照或入 射角引起的太阳耀斑等干扰成分进行判断，因此其数据常与其他类型的遥感数 据，尤其是红外遥感数据结合使用以实现对海面油污的准确探测。 ( 4 ) 激光荧光遥感传感器 激光荧光传感器足利用油污中的某些成分吸收紫外辐射并受到激发这一特 点柬进行探测的，它足主动式的遥感传感器；随着这种受激作用的产生，很快发 生在可见光波段内的荧光发射。并不是所有的物质部能够被激发且具有这种荧光 发射特性，而海上油污所发射出的荧光与其他自然荧光物质( 如叶绿素) 所发射 出的荧光在光谱特征上差别很大，因此，发射荧光可被视作海上油污独育的特性 并成为探测的依据【l i l 。 b r o w n l l 6 1 以及h e n g s t e r m a n 等人【17 1 认为不同的油污所发射出荧光的波长和强 度部足不一样的，因此，使用激光荧光遥感传感器在一定条件下可以进行对油污 的种类的判断。 ( 5 ) 微波辐射计 海洋能够发射微波辐射，而彼油污覆盖的海面发射微波辐射的能力要比正常 海面要强，因此它在暗色的海水背景下表现为明亮的特征。水体的发射系数为 0 4 而油的发射系数为o 8 1 1 2 1 ，微波辐射计能够探测到这一系数的不同，因此能 够被用于海上油污染的探测；同时，由于油膜的厚度与探测信号的强度有关，从 理论上讲，使用微波辐射计能够对油膜的厚度进行探测【l 。 然而由于需要掌握多个环境因子以及油污的特性参数，实际上使用微波辐射 计对海上油污染进行的探测效果不甚理想；由于探测信号可能足以一种循环的方 式而返回的，因此某一信号强度也许对应着油膜的多个厚度地区：海洋生物等的 干扰也会降低信噪比，除此，微波辐射计的空间分辨率也不能令人满意。 瑞典航空局以及s k o u l l 引、m u s s e u o 1 9 i 等人进行了多次试验，他们认为被动 l o n o a a a v h r r 敬据卉事故溢油中府用研究 式的微波辐射计在海上油污染的监测中具有全天候工作的潜力，可被用于油膜厚 度的探测。 ( 6 ) 雷达 雷达足以接收目标的后向散射回波信号作为探测依据的，毛细波增大了海表 面的粗糙度使得返回雷达的回波信号较强，从而在遥感影像上相应的海面表现为 亮色特征，而油污扩散所形成的油膜由于粘滞力的作用会抑制海表面毛细波的产 生，起到平滑海表面的效果，因此，回波信号强度的减小使得被油膜覆盖的海面 在雷达影像上表现为暗色特征，则油污与背景海水得到区分；此即雷达对海面油 污进行探测的机制。 事实上，从雷达的探测机制不难看出，不仅仅是油污能够在其影像上表现出 略色的特征，同时还存在很多干扰的因素，如平静海水面、低风速区、海上浮游 生物群、浅海地形区等都会造成雷达回波信号的减弱，也因此对影像上油污的判 读造成影响：则当所获取影像上同时包含有与油污表现相似的成像特征时，如何 将油污快速、准确地区分出来即成为雷达数据处理的关键问题，实际上，很多的 基于雷达影像的油污染检测方法的主要目的即是实现是否为油污的判断：需要指 出的是，海面风速也是影响雷达数据获取的主要因素，在较低或过高的风速情况 下部将不能正常成像( 见2 3 2 ) 。 合成孔径雷达( s a r ，s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ) 与侧视孔径雷达( s l a r ， s i d e l o o k i n ga i r b o m er a d a r ) 是两种主要的微波传感器，尤其足s a r ，目i j 被 许多国家应用于海上油污染的监测和检测工作。s a r 所提供的高分辨率遥感影 像，能够对小面积油污以及薄油膜进行探测，同时，较长的波长使得微波能够穿 透云层等障碍，因此受天气情况的影响小，具有全天候工作的优势。 电磁波谱具有连续性的特征，因此每一种类型的遥感传感器都能够从某一角 度、在一定程度上对海上油污的理化特性做出反映，而在这些遥感影像上，油污 的表现形式和特点是相互有别的：由于对油污进行探测的机理不同，同时又受到 太阳辐射、天气状况、地理环境以及仪器自身工作状态等许多因素的影响，则导 致各传感器的探测能力受到不同程度的限制，油污特征在其影像上的表现有强育 弱；在今后的发展中，需要将多传感器技术与计算机技术相结合从而实现多源数 据的集合、整合与融合；由此而形成的这种近实时的数据将用于油污染反应系统， n o a a a v h r r 数据在事放溢油中内f i 研究 以减轻其对海洋生态环境所造成的危害。 2 2 海上溢油遥感探测的发展 海上油污染一旦发生，不论其规模的大小，给海洋及其生态环境造成的破坏 部是十分严重的，而为此所付出的经济代价也是巨大的；因此，各国部积极地开 展海上油污染的监测和检测工作，将大量的人力、物力和财力投入到对海洋及其 生态环境的保护中柬。 2 2 1 发达国家海上油污染遥感探测 出于历史和地理位置等原因，欧洲许多国家，如挪威、荷兰、德国等很早就 开始了海上油污染的遥感探测，并从对大量油污染事件的处理和研究工作中积累 了丰富的经睑，形成了较为成熟的探测技术；表2 一1 1 2 0 1 中列出了各国遥感探测 的方式和传感器的使用情况，从中能够发现，发达国家海上溢油遥感探测具有以 下两个主要的特点： ( 1 ) 航空、航天遥感相结合 在早期的海上油污染探测中，航空遥感足这些发达国家主要使用的探测方 式：他们建立飞机编队进行海上油污染的日常监测工作，从数据的获取、处理到 分发，形成了常规化、业务化的油污染监测系统；同时，将多种探测类型的遥感 传感器以及记录设备安置在飞机上，其主要目的是降低单一传感器对油污探测的 不确定性，并保证探测的有效性，而多种形式的数据更有助于对油污的检测、印 证以及存在状况的描述。然而在某些情况下，如规模较大、远离海岸等，使用航 空遥感探测海上油污染的效果并不理想( 详见2 1 1 ) ，并且这种遥感方式需要昂 贵的经费作为支持；而随着传感器硬件技术以及遥感数据处理技术的不断发展和 完善，航天遥感在海上油污染探测方面的优势却得到不断的增强，因此，近年来 许多国家已开始采用航天和航空遥感相结合的油污染探删方式：以覆盖面积大、 空间分辨率相对较低、处理简单的卫星数据为基础，在这些卫星影像上寻找油污 异常区及可疑的受污染海域，进而缩小监测范围，指导飞机进行确认和数据采集。 航空与航天遥感探测相结合不仅能够有效地提高对油污探测的准确性，同时降低 了数掘处理量，探测效率更高。各国能够充分考虑经济、技术条件以及所要实现 n o a a a v h r r 教据存事故澄油中商用研究 的探测目标，据此来合理确定两种遥感数据所占有的比例，从而实现最优化的海 上油污染探测。 表2 - - 1 各国溢油遥感探测方式和传感器使用情况 敏十矗魑y p 毕皤蛹n 奋i 夺唾盛氆用a 疆爨嚣 钉仆y 荤扑n 翻槐帆程霉1 叁w 台唬扎柑画达n 髓光n 可见竞y 静蒋辅射n 卫鼬感使用帕遇赌嚣 龠埴孔径退hn h 翟：n _ 2v w ，2y i h 缸扑nnnnn nnnn ( 2 ) 同时使用多种传感器 由表2 一l 能够发现，侧视雷达( s l a r ，s i d el o o k i n g a i r b o r n er a d a r ) 、i r u v 扫描仪以及红外( 可见光) 摄像机是主要的加载仪器；事实上，受到探测机理和 探测波段的限制，使用任何一种传感器都不能对油污是否存在做出肯定的判断， 因此在飞机上同时加载以上传感器使得观测光谱范围加宽，大大提高了对油污判 断的准确性；同时，为了获取尽可能多的油污现场信息，如油污来源、造成污染 的船舶等，为法律诉讼提供可靠依据，在此基础上各国还将照相机、摄像机以及 声音记录机等设备同时装载于监测飞机上，从多种角度对油污进行更加充分的探 测。多传感器的使用使得对油污进行探测的波段范围由紫外覆盖至微波，多种数 据相互印证，为油污种类的判断、油膜厚度的分析、油污扩散范围的勾画、油量 的估算以及对可能受污染海域的预测和预报等工作提供了有力支持。 2 2 2 我国海上油污染遥感探测 尽管我国的海上油污染问题由来已久，但是使用遥感手段对其进行探测却开 展的较晚。尤其是改荸开放以来进出口贸易的频繁使得油污染状况越加严重，在 国民经济取得巨大效益的同时，我国沿海海域的生态环境却遭受了严重的破坏， 仅在油污染方面就包括近岸工业含油污水的排放、港口装卸货时燃料油的泄漏、 船舶航行过程中的人为油污倾泻、船舶事故造成的突发性油污染以及近岸石油开 采过程中所导致的油污进入海洋等多种污染形式。 n o a a a v h r r 数据在事故溢油中麻用研究 有关数据衷明，1 9 7 3 至1 9 7 9 年问发生在我国沿海的溢油事故多达1 3 起， 单次溢油量最高竞达8 0 0 0 吨 1 l ；为了有效的控制油污染，降低其危害，国家海 洋局第一海洋研究所于1 9 8 0 年在大连湾首先开展了海面溢油的航空遥感试验研 究，分别获取了不同油种在可见光、红外以及微波波段范围内的地物光谱数据， 为遥感探测海上油污染积累了宝贵资料。 国家海洋环境监测中心通过“八五”期l b j 的攻关，建立了包括全国主要油田 原油产品在内的原油指纹库( 荧光光谱) 和溢油微机预报系统；并进行了卫星遥 感波段的组合试验，设计了海上溢油报警系统。 大连海事大学【2 1 l 在“八五”期间开展了航天遥感溢油探测的研究工作；分 别于1 9 9 8 年和1 9 9 9 年在大连外海进行了两次撒油波谱测试，获取了不同油种在 多种厚度情况下的波谱特征数据：同时，使用t m 数据( l a n d s a t 系列卫星) 以及a v h r r 数据( n o a a 系列卫星) 对几次溢油事故进行了处理和分析，通过 数字图像处理技术提取了卫星影像上的油污信息并取得了较好的结果，对卫星遥 感手段在海上油污染探测中的可应用性做出了验证。 在油污种类的识别方面，徐恒振、尚龙生【2 2 1 1 1 等人建立了海面溢油鉴别的 f u z z y 相似优先比模式以及e u c l i d 贴近度聚类分析模式；曹守镜【2 4 l 对风化石油烃 红外光谱指纹的计算机处理和海面溢油红外光谱鉴别法的计算机检索方法进行 了研究，能够快速、简便地检索出溢油污染源；厦门大学以及国家海洋剧”j 也 对油膜的光谱特性进行了测定，提出了近红外光谱技术结合模式识别鉴别海面溢 油的方法；同时还发展了海面溢油的紫外、荧光光谱法鉴别等多种技术；严志宇、 殷佩海【2 6 2 7 1 等对油污在海面的风化和蒸发过程也进行了研究，对油污在海面的 存在状态做出描述和推断：这些工作对海上油污的组成成分和理化特性进行了深 入的研究，为遥感探测提供了依据，而油污种类的准确判断又对快速、有效地清 除海上油污有着重要的指导意义。 2 3 海上溢油遥感探测方法 相比于陆地遥感，海洋遥感受到更多因素的影响，除了太阳辐射、传感器自 身的工作状态，还存在温度、风速、风向、海浪、海流、海色、海洋生物以及海 1 4 n o a a a v h r r 数据存事故溢油中廊用研究 底、海岸地形等许多作用因亍：；由于传感器的探测波段总是具有一定的宽度，因 此，传感器同时记录了来自于海面的各种信息，则在某一时刻所获取的遥感影像 上，景物特征复杂交错，分布规律性较差，难以对其中某一类信息进行独立地识 别和分析；一般说束