海面油膜热红外发射率光谱特征研究

1、海面油膜热红外发射率光谱特 征研究 汇报主要内容汇报主要内容 引言引言 海面油膜热红外光谱特征实验海面油膜热红外光谱特征实验 实验结果及分析实验结果及分析 研究意义研究意义 海海上上溢油溢油对海洋生态环境的影响具有对海洋生态环境的影响具有危危 害大害大、范围广范围广和和频率高频率高的特点。的特点。同时，同时，溢溢 油事故油事故容易导致大范围容易导致大范围火灾火灾，对来往船舶，对来往船舶 海上设施具有巨大的威胁。海上设施具有巨大的威胁。 因此，开展快速有效的海上溢油监测对因此，开展快速有效的海上溢油监测对 污染处理污染处理以及以及海洋生态环境恢复海洋生态环境恢复都有重要都有重要 的意义的意义 国

2、内外研究现状国内外研究现状 研究人员研究人员研究内容研究内容 Taylor （1992） 对原油光谱进行了实验室和现场观测与研 究，并取得良好的实验结果。 Salisbury （1993） 利用遥感手段研究了海上原油油膜的热红 外波段监测敏感性。 SOLBERG （2004） 对SAR半自动和自动监测海洋溢油进行了深 入的研究。 FOUDAN等 （2005） 利用高光谱数据，使用光谱角分类方法对 圣巴巴拉海岸带海面油膜进行研究，结果 表明分散的石油在580nm、700nm具有反射 峰。 Adado （2006） 结合MODIS、MERIS数据监测溢油并且对其 漂移速度进行估计。 国内外研究现状

3、国内外研究现状 研究人员研究人员研究内容研究内容 李四海 （2004） 海上溢油在可见光、红外、紫外光学遥感器、微波辐射计、 雷达、激光荧光器和油层厚度探测器等几种溢油遥感探测 器的探测原理、能力及应用状况。 陈辉等 （2009） 分析利用多光谱信息分析研究溢油在各个波段的特征，为 可见光近红外波段遥感监测溢油提供参考。 曲海超 （2010） 采用图像的纹理特征，结合支持向量机分类算法提 取海上溢油信息。 张煜洲等 （2013） 介绍遥感监测海上溢油范围发展，介绍利用遥感监测溢油 量与溢油类型的流程。 综综上上，随着遥感技术的发展，随着遥感技术的发展，海面溢油海面溢油污染监测在污染监测在可见光

4、和近红外可见光和近红外，多多/高光谱高光谱， 微波雷达微波雷达等诸多遥感技术取得了许多可喜的成果，但对海面油膜等诸多遥感技术取得了许多可喜的成果，但对海面油膜热红外热红外光谱特征研究光谱特征研究 甚少甚少。此外，早期的研究针对此外，早期的研究针对厚油膜厚油膜的研究较多的研究较多，厚油膜对入射光具有较强吸收、低厚油膜对入射光具有较强吸收、低 穿透性、低反射性等特点，因而其反射率光谱形态单一，光谱特征比较稳定。随着对穿透性、低反射性等特点，因而其反射率光谱形态单一，光谱特征比较稳定。随着对 海面油膜认知的深入研究，需要分析海面油膜认知的深入研究，需要分析海面油膜厚度变化的光谱特征海面油膜厚度变化的

5、光谱特征，为海面薄油膜的，为海面薄油膜的 识别识别，正确识别，正确识别溢油范围溢油范围，估算，估算溢油量溢油量提供技术支持。提供技术支持。 热红外探测海面溢油热红外探测海面溢油优势优势 晴空天气条件下，晴空天气条件下，热红外热红外可以进行可以进行全天时全天时 探测，时间适用性要优于探测，时间适用性要优于可见光可见光光谱探测光谱探测； 海表温度海表温度的的热辐射峰值热辐射峰值位于位于热红外热红外谱段，谱段， 较较中波红外中波红外（3-5m），热红外（），热红外（8-14m） 能更好地探测海表及油膜的辐射特征能更好地探测海表及油膜的辐射特征； 微波雷达微波雷达技术较适用于探测溢油技术较适用于探测溢

6、油范围范围和和面面 积积，对溢油，对溢油油膜厚度油膜厚度的识别难度较大，而的识别难度较大，而 包括热红外在内的光学遥感技术在油膜厚包括热红外在内的光学遥感技术在油膜厚 度探测方面具有较大潜力度探测方面具有较大潜力。 发射率发射率是物体在是物体在指定温度指定温度时的时的辐射能辐射能与与 同温度同温度黑体辐射能黑体辐射能的的比值比值。 假设在常温范围内（假设在常温范围内（260K320K），物），物 体的发射率与温度无关，仅与材质属性及体的发射率与温度无关，仅与材质属性及 波长相关。波长相关。 基于此假设，本研究设计了基于此假设，本研究设计了海海 面油膜热红外光谱特征实验面油膜热红外光谱特征实验，

7、分析海面油，分析海面油 膜厚度变化的热红外光谱特征。膜厚度变化的热红外光谱特征。 海面油膜热红外光谱特征实验海面油膜热红外光谱特征实验 实验材料及场地实验材料及场地 实验仪器实验仪器 实验实验过程过程 实验实验原理原理 实验材料及场地实验材料及场地 实验材料：实验材料： 选用的是选用的是胜利油田孤岛胜利油田孤岛采油厂获取的原油样品与采油厂获取的原油样品与渤海渤海 湾海水湾海水； 实验实验辅助材料辅助材料包括大烧杯包括大烧杯(容积容积2000mL，高度，高度15.5cm)、 小烧杯小烧杯(容积容积50mL)、滴管、玻璃注射器及针头等。、滴管、玻璃注射器及针头等。 实验场地：实验场地： 东营东营渤

8、海湾河口附近渤海湾河口附近（北纬（北纬372808.216，东经，东经 1185610.037）海边）海边 实验仪器实验仪器 102F 型便捷式傅里叶变换红外光谱仪型便捷式傅里叶变换红外光谱仪 系统主要由一个微型迈克尔逊系统主要由一个微型迈克尔逊 干涉仪、输入光学件和红外探测器、干涉仪、输入光学件和红外探测器、 驱动和采样电子线路，嵌入式微型驱动和采样电子线路，嵌入式微型 计算机、附件（三脚架、黑体、漫计算机、附件（三脚架、黑体、漫 发射金板（发射率为发射金板（发射率为0.04）、液氮）、液氮 罐、充电电源、热电偶温度计）等罐、充电电源、热电偶温度计）等 部分组成。仪器的内附微型计算机部分组成

9、。仪器的内附微型计算机 软件系统采用在软件系统采用在 windows 2000运运 行方式，光谱范围行方式，光谱范围 2-16m，光谱，光谱 分辨力分辨力4cm-1，噪声等效温差，噪声等效温差0.01K, 在在8-14m波谱范围发射率测量精波谱范围发射率测量精 度小于度小于0.02。 实验实验过程过程 1）利用玻璃注射器）利用玻璃注射器滴入原油滴入原油样品，滴入高度样品，滴入高度 为为2030cm； 2）每次每次滴入体积约滴入体积约0.25ml，形成油膜厚度约，形成油膜厚度约 20m； 3）待）待油膜扩散油膜扩散静止后，静止后，测量测量容器中海水表面容器中海水表面 形成的油膜表面发射率；形成的

10、油膜表面发射率； 4）用）用手动普朗克拟合方式手动普朗克拟合方式对所测得的发射率对所测得的发射率 曲线进行拟合，输入通过曲线进行拟合，输入通过辐亮度拟合得到的样辐亮度拟合得到的样 品温度品温度，拟合后得到，拟合后得到油膜的发射率曲线油膜的发射率曲线。 不断重复以上操作，共不断重复以上操作，共20次次 热红外发射率光谱测量原理热红外发射率光谱测量原理 在在814m热红外光谱范围内，假定地表为朗伯表面，热红外光谱范围内，假定地表为朗伯表面， 大气下行热辐射各向同性，大气下行热辐射各向同性，红外光谱仪传感器所接收到红外光谱仪传感器所接收到 的光谱辐射的光谱辐射主要包括三部分：主要包括三部分： 第一部

11、分为第一部分为地物目标发射的热辐射地物目标发射的热辐射，其大小由物体，其大小由物体 表面温度和发射率及目标与传感器之间的大气透过率决表面温度和发射率及目标与传感器之间的大气透过率决 定；定； 第二部分为地物目标对大气下行辐射、环境背景辐第二部分为地物目标对大气下行辐射、环境背景辐 射和太阳入射中的热辐射部分的射和太阳入射中的热辐射部分的总辐射量的反射辐射总辐射量的反射辐射, 通常情况下太阳入射中的热辐射部分忽略不计；通常情况下太阳入射中的热辐射部分忽略不计； 第三部分为地物目标与传感器之间的第三部分为地物目标与传感器之间的大气上行辐射大气上行辐射, 它与大气中吸收气体的含量和物理状态有关。它与

12、大气中吸收气体的含量和物理状态有关。 利用利用102F红外光谱仪进行目标测定时，传感器在温度红外光谱仪进行目标测定时，传感器在温度 为为Ts 时接收到的时接收到的总的辐射亮度总的辐射亮度可以表达为：可以表达为： 依据依据MODTRAN模式的模拟结果模式的模拟结果，对上式，对上式 进一步进一步简化简化： 通过通过双温黑体法双温黑体法消除仪器响应和自身噪消除仪器响应和自身噪 声，声，经进一步化简、近似，得到经进一步化简、近似，得到可得可得地物地物 光谱比辐射率光谱比辐射率： 光谱平滑迭代法光谱平滑迭代法 基本思想：对于高光谱数据基本思想：对于高光谱数据地物的发射率光谱地物的发射率光谱要比要比大大

13、气的下行辐射气的下行辐射平滑得多，精确的平滑得多，精确的地表温度地表温度能够很好地消除能够很好地消除 地表发射率光谱中的地表发射率光谱中的“噪声噪声”，得到一个较为平滑的地表，得到一个较为平滑的地表 发射率光谱发射率光谱。 过程：是首先过程：是首先给定一个地表温度给定一个地表温度初值初值，以初值为基础，以初值为基础， 以一定的以一定的温差间隔温差间隔产生一个温度分布范围，计算每一个温产生一个温度分布范围，计算每一个温 度对应的地表发射率曲线的度对应的地表发射率曲线的平滑度指数平滑度指数S。 寻找使得寻找使得平滑度指数平滑度指数S为最小为最小时地物发射率曲线对应时地物发射率曲线对应 的温度，将该

14、温度作为地表的的温度，将该温度作为地表的最佳估计温度最佳估计温度Ts 。 油膜厚度变化的发射率光谱原理油膜厚度变化的发射率光谱原理 实验结果及分析实验结果及分析 本底海水发射率光谱特征本底海水发射率光谱特征 油膜厚度变化的发射率光谱特征油膜厚度变化的发射率光谱特征 本底海水发射率光谱特征本底海水发射率光谱特征 上图上图为本次实验测量的本底海水为本次实验测量的本底海水发射率光谱曲线发射率光谱曲线，从图，从图 中可以看出在中可以看出在811.6m范围内，本底海水发射率波动不大，范围内，本底海水发射率波动不大， 比较平缓，基本在比较平缓，基本在0.94上下浮动，在上下浮动，在11.614m区间，发射

15、率区间，发射率 波动很大，呈现出不对称双峰特征，整体趋势下降。波动很大，呈现出不对称双峰特征，整体趋势下降。 油膜厚度变化的发射率光谱特征油膜厚度变化的发射率光谱特征 88.28.48.68.899.29.49.69.81010.2 10.4 10.6 10.81111.2 11.4 11.6 11.81212.2 12.4 12.6 12.81313.2 13.4 13.6 13.814 0.6 0.62 0.64 0.66 0.68 0.7 0.72 0.74 0.76 0.78 0.8 0.82 0.84 0.86 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 Wavel

16、ength/m Emissivity Sea Water oil 20m oil 40m oil 60m oil 80m oil 100m oil 120m oil 140m oil 160m oil 180m oil 200m oil 220m oil 240m oil 260m oil 280m oil 300m oil 320m oil 340m oil 360m oil 380m 12.55m 12.2m 11.72m 13.48m 13.8m 发射率光谱特征发射率光谱特征分析分析 （1）8m10m范围内，范围内，海水海水与厚度为与厚度为20m的甚薄油的甚薄油 膜膜存在较为存在较为稳定

17、的稳定的发射率差异（约发射率差异（约0.05左右左右）； （2）10m13.5m范围内，范围内，海水海水的发射率与的发射率与厚度在厚度在 100m以上的油膜以上的油膜存在存在较大的较大的发射率差异（最大可达到发射率差异（最大可达到 0.1以上），并且这种差异的程度随波长变化产生明显以上），并且这种差异的程度随波长变化产生明显 波动；波动； （3）8m11.72m范围，油膜的发射率随着厚度的增范围，油膜的发射率随着厚度的增 加变化不大，在加变化不大，在11.72m14m波段范围，发射率随油波段范围，发射率随油 膜厚度变化较大。在油膜厚度超过膜厚度变化较大。在油膜厚度超过120m后，油膜的发后，油

18、膜的发 射率曲线形状基本维持稳定，随厚度产生的变化微小。射率曲线形状基本维持稳定，随厚度产生的变化微小。 在在11.72m、12.2m、12.55m、13.48m和和13.8m这这 几个波长附近，油膜发射率随着油膜厚度的增加呈现出几个波长附近，油膜发射率随着油膜厚度的增加呈现出 递增或递减，并且幅度较大的变化。递增或递减，并且幅度较大的变化。 （4）不考虑空间分辨率及探测器本身性能等）不考虑空间分辨率及探测器本身性能等 因素的影响，仅从因素的影响，仅从通道特性通道特性的角度来分析当前的角度来分析当前 典型热红外航天遥感载荷典型热红外航天遥感载荷对不同厚度油膜的识对不同厚度油膜的识 别能力，计算

19、各传感器通道范围内的别能力，计算各传感器通道范围内的等效发射等效发射 率值率值： 计算了计算了HJ-1B IRS，ASTER，AVHRR 17，MODIS，Landsat5 TM和和 Landsat7 ETM+等等6个遥感器共个遥感器共12个不同热红外通道和海水的等效发射个不同热红外通道和海水的等效发射 率，结果表明：对于率，结果表明：对于不同的传感器不同的传感器不同热红外通道，其不同热红外通道，其等效发射率等效发射率与与 海水通道等效发射率海水通道等效发射率的差值的差值相差较大相差较大。 2040608010012014016018020022024026028030032034036038

20、0 -0.12 -0.11 -0.1 -0.09 -0.08 -0.07 -0.06 -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 Oil film thickness /m Contrast HJ-1B IRS4(10.512.5m) ASTER Band 10(8.1258.475m) ASTER Band 11(8.4758.825m) ASTER Band 12(8.9259.275m) ASTER Band 13(10.2510.95m) ASTER Band 14(10.9511.65m) AV

21、HRR 17 Band 4(10.511.3m) AVHRR 17 Band 5(11.512.5m) MODIS Band 31(10.7811.28m) MODIS Band 32(11.7712.27m) Landsat5 TM Band 6(10.412.5m) Landsat7 ETM+ Band 6(10.412.5m) 原油油膜厚度与发射率光谱的相关性分析原油油膜厚度与发射率光谱的相关性分析 88.28.48.68.899.29.49.69.81010.2 10.4 10.6 10.81111.2 11.4 11.6 11.81212.2 12.4 12.6 12.81313.2

22、 13.4 13.6 13.814 -1 -0.8 -0.5 -0.3 0 0.3 Wavelength/m Correlation Coefficient （5）油膜厚度与油膜发射率在）油膜厚度与油膜发射率在814m范围内的相关分析范围内的相关分析 表明，表明， 在在8m11.7m波段范围具有波段范围具有高相关高相关性，其中性，其中 11.04m附近的相关系数达到附近的相关系数达到-0.879，在，在11.7m14m波波 段范围内，与其厚度的段范围内，与其厚度的相关性变化较大相关性变化较大，相关系数变化范，相关系数变化范 围从围从0.3 到到0.3之间，相关性较弱，但油膜的发射率明显之间，相

23、关性较弱，但油膜的发射率明显 低于本底海水的发射率。低于本底海水的发射率。 结结 论论 （1）海表油膜的）海表油膜的热红外发射率热红外发射率在在甚薄阶甚薄阶段段 （20m120m）变化较大，在油膜厚度超过）变化较大，在油膜厚度超过 120m后后，油膜的发射率，油膜的发射率曲线形状基本维持稳曲线形状基本维持稳 定定，随厚度产生的变化微小，表明利用，随厚度产生的变化微小，表明利用热红外热红外 发射率能够较好的探测海表甚薄油膜发射率能够较好的探测海表甚薄油膜。 （2）8m10m和在和在13.2m14m波段范围波段范围 内，海水与厚度为内，海水与厚度为20m的甚薄油膜存在较为的甚薄油膜存在较为 稳定的

24、发射率差异，海水发射率低于稳定的发射率差异，海水发射率低于20m厚厚 度油膜发射率，利用度油膜发射率，利用该光谱范围该光谱范围内的油膜发射内的油膜发射 率可以用来率可以用来探测探测20m的甚薄油膜的甚薄油膜； （3）在）在11.7m14m波段波段范围内，油膜发射率与范围内，油膜发射率与 其厚度的其厚度的相关性波动大相关性波动大，相关性较弱相关性较弱，但油膜的发，但油膜的发 射率明显低于本底海水的发射率，利用射率明显低于本底海水的发射率，利用该光谱范围该光谱范围 内的油膜发射率可以用来内的油膜发射率可以用来探测较薄油膜的有无探测较薄油膜的有无。 （4）在）在11.72m、12.2m、12.55m

25、、13.48m和和 13.8m这几个波长附近，这几个波长附近，油膜发射率随着油膜厚度油膜发射率随着油膜厚度 的增加呈现出递增或递减的增加呈现出递增或递减，且变化幅度较大且变化幅度较大。油膜。油膜 光谱发射率均与油膜厚度呈很强的相关关系，利用光谱发射率均与油膜厚度呈很强的相关关系，利用 这几个波长附近谱段的发射率可以用来这几个波长附近谱段的发射率可以用来探测较薄油探测较薄油 膜的发射率光谱响应膜的发射率光谱响应。 88.28.48.68.899.29.49.69.81010.2 10.4 10.6 10.81111.2 11.4 11.6 11.81212.2 12.4 12.6 12.8131

26、3.2 13.4 13.6 13.814 0.6 0.62 0.64 0.66 0.68 0.7 0.72 0.74 0.76 0.78 0.8 0.82 0.84 0.86 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 Wavelength/m Emissivity Sea Water oil 20m oil 40m oil 60m oil 80m oil 100m oil 120m oil 140m oil 160m oil 180m oil 200m oil 220m oil 240m oil 260m oil 280m oil 300m oil 320m oil 340m oil 360m oil 380m 12.55m 12.2m 11.72m 13.48m 13.8m 88.28.48.68.899.29.49.69.81010.2 10.4 10.6 10.81111.2 11.4 11.6 11.81212.2 12.4 12.6 12.81313.2 13.4 13.6 13.814 -1 -0.8 -0.5 -0.3 0 0.3 Wavelength/m Correlation Coefficient 展望展望 本实验为一种室内实验，