溢油光学图像识别方法

论文总字数：23015字

目 录

1.前言 5

1.1研究意义 5

1.2光学遥感监测海洋溢油背景知识 6

1.2.1光学遥感技术 6

1.2.2海面溢油监测主要目标 6

1.2.3太阳耀斑图像溢油监测机制 7

1.2.4国内外溢油光学遥感监测研究现状 8

1.3论文内容概述 10

2.Landsat TM数据及预处理 11

2.1.Landsat数据概况 11

2.2.Landsat数据预处理 12

3.多波段融合光学图像分割及算法性能评估 15

3.1图像分割 15

3.2分割算法精度评价 18

3.3利用波段运算计算溢油面积 20

4．总结及展望 21

参考文献 21

致谢 24

1.前言

1.1研究意义

海洋总面积约3.62亿平方公里，占到了地球表面积71%，很大程度上影响着全球的生态环境。但近年来，快速发展的经济贸易，频繁的水上运输、海洋钻探等造成了海上溢油问题多发的现状^[1]。根据中国海洋局的统计显示，中国沿海平均每四天就会发生一次溢油事故^[2]；从世界范围上来看，仅仅2010年一年就发生了两次大型的溢油事故：一为墨西哥湾溢油事件，发生于2010年4月20日，期间大约溢出了2亿加仑的原油；二为中国大连新港爆炸事故，发生于2010年7月16日，事故中溢出了约千吨原油。

从溢油次数上讲，在上世纪90年代，发生了360起溢油量高于大约7吨溢油的事故。在过去五十年中，1970-1979年溢油事故平均每年25. 4起，1980-1989年溢油事故平均每年9. 3起，1990-1999年溢油事故平均每年7. 9起。过去二十年中，溢油事故平均每年高达3. 3起; 2000-2009每年发生大型溢油事故的大概是三次^[3]。从这些清晰的数据看来，溢油事故发生的频率是不容小觑的，对溢油事故的监测是刻不容缓的。

溢油事故对海洋环境和海洋生物都有比较大的危害。海面上的溢油会让上空潜水摄食的鸟类羽毛失去防水保温的能力而死亡；会形成薄膜从而阻止了海气交换，造成了海水中的溶解氧的缺乏，影响到海洋生物的生活；同时，溢油会对渔业产生极大的危害，鱼类受到污染不仅会让渔业产生危机，也会造成一定的食品危机。如墨西哥湾溢油事件中，海域受到了溢油的污染，海滩受到破坏，导致海中的生物大量死亡，墨西哥湾周围的环境受到了很大的冲击。因此，海洋溢油污染发生后，及时准确地掌握溢油的位置、什么类型的溢油、溢油的面积大概有多少等对确定溢油应急处理方案，掌握执法索赔证据具有十分重要的意义。

在国外SAR合成孔径雷达在溢油监测上使用是比较普遍的，全天时不间歇工作使其在观测溢油上炙手可热。但其也有很多缺点，如影像数据缺乏无法满足日常监测、易受海面风速影响（小于1.5~6m/s或大于10m/s观测数据不准确）并且使用比较昂贵。相较于SAR，光学遥感技术容易受到气候、无法全天工作一些其他外界因素的影响，但其资金需求少，观测范围大、实时，所以说，没有哪一种技术是最好的，只有找寻最适合的方式才能比较准确实时地检测溢油并及时提出应对措施。可见光和近红外遥感技术相较于其他技术发展是比较早的。在1969年，美国已经能够使用机载可见光扫描仪对井喷产生的溢油进行监测，并且观测结果也比较准确。随着光学遥感技术应用得越来越多，研究的人越来越多，多光谱和高光谱遥感技术也开始进入大家的视线，并且近几年发展的越来越快。光学遥感基本的原理还是根据不同波段，不同光谱来对油膜范围及种类进行估测与判断，根据遥感获得的影像来对溢油进行地理位置的确定、溢油范围的估测对及时提出应对措施以避免污染扩散是具有很大意义的。

1.2光学遥感监测海洋溢油背景知识

1.2.1光学遥感技术

（1）可见光遥感

在可见光部分油比水有更高的反射特性，但是没有具体的吸收反射趋势。由于没有强烈的反应，所以一般将500-600nm的波段过滤掉。海面上溢油的存在可能会略微改变水的光谱特征，但是油的偏光效应还是可以被利用来分辨出油。其中电荷耦合成像器（CCD imager），可以持续记录各个因素。

高光谱成像（Hyperspectral imaging）近几年在遥感方面越来越广泛应用。高光谱成像仪可以在同一空间区域在不同的波长范围上获得几百张图像，能够较准确地确定溢油位置及范围。最广泛的用来分析高光谱图像的技术又是光谱分析，光谱分析又需要亚像素数据描述在这里就不过多叙述了。总之可见光遥感在海洋溢油上是一个比较实用的方式。

（2）红外遥感

热红外遥感可以全天候工作，油比水具有更高的红外辐射率，在红外图像中稠油看起来很热，中厚油看起来较冷，比较薄的油层探测不到。热层和冷层之间的转变位于50nm到150nm，最小探测层在10nm到70nm之间。红外传感器是不能检测到水油混合物的，这是由水油混合物的高导热性造成的。大多数红外探测器采用8-14的热红外波长，在这个波段热红外没有光谱结构。当油分布于堆料与贴片中，空间分辨率很重要。红外探测技术在夜间比日间效果差，一定程度上能探测到但是每个夜晚的数据都相差无几。热红外中的相对厚度信息，不足以提供应对溢油对策的信息。红外探测方法在应用上还是不太乐观，因为海藻沉积物等都会产生干涉，但由于其价格低，还是能被利用来用作溢油观测。

（3）近红外（NIR）遥感

近红外探测技术过去几乎没有被用在石油泄漏上。但一些研究人员试图使用近红外波段探测技术作为估算溢油厚度的手段^[4]。

（4）紫外（UV）遥感

油在紫外线范围表现出对光的高反射率。紫外遥感仪器只能白天工作，薄层油在紫外线范围内也表现出高反射率。曾采用紫外和红外图像作出溢油的相对厚度图，如今已经不采用这种方法，因为这与发生溢油事故后所采取的应对措施无关，这种方法也受到很大的外界因素干扰，如风液，香草和生物材料等。紫外通道所探测的海洋溢油污染的区域更大、油膜厚度更薄；太阳镜面反射对可见光遥感影响较大。紫外遥感具有如下技术优点：一是可以将海岸线与海水区分开；二是可探测到较薄的海面溢油(最小油膜厚度约0.1μm)，这是可见光和红外遥感仪器在海洋环境监测方面所无法比拟的^[5]。

1.2.2海面溢油监测主要目标

近年来研究探究了不同海洋溢油目标的光谱反射特征和光学理论，同时分析了石油运输和经历的过程，结果显示不同厚度的浮油、水油混合物和漂浮黑油可以作为典型目标。这些目标具有不同的可见光光谱反映，这就是探测的基础。目标的双向反射分布函数、光干扰、吸收和发散会产生不同的光谱效应^[6]，这是最重要的理论基础。

石油在海中经历的物理化学过程主要有扩散、漂移、混合等，大致概括为：首先发生溢油事故，接着漂浮黑油会随着海水产生扩散，然后厚度会减小为0.1mm或者更薄。在这过程中浮油的视觉特征会随着它的厚度而改变。如下图所示：

油膜

水油混合物

（油乳剂）

溢油

（漂浮黑油）

扩散

扩散 乳化

图1 溢油变化过程

其中水油混合物（油乳剂）对海洋环境会造成比其他目标更更严重的影响，但可以被光学遥感探测到，从而减小环境污染。水油混合物图形特征是从CCD数据收集，其他两种是从实验和实地数据获得。漂浮黑油的视觉特征为黑色或者暗色，所以很难从背景因素中分离出来，但可以简单的通过光学遥感从海水或其他溢油目标中分辨出来。浮油光谱反射率高于海水，显示出高亮的特征，最佳分辨率光带为350-440mm。浮油会随着厚度改变，厚度增加，而光谱反射下降，高光谱遥感可以探测到不同类型的浮油。而油膜光谱反射低于海水，海水高而稳定的光谱反射率在估测油膜厚度上有很大帮助。

1.2.3太阳耀斑图像溢油监测机制

可见光遥感的原理是陆地和水会自发反射天空光与自然光，海面比较粗糙的表面在反射入射光时会比较均匀；光滑表面则正好相反，它只在一个具体的的方向上反射大部分光，我们通常把这种反射称作为镜面反射。在海洋上，这种太阳光的镜面反射现象叫做太阳耀斑。在没有其他因素（如风扰动等）影响海面呈现平坦的状态下，从空中镜面反射角度或者接近镜面反射角度看过去为镜面反射效果，而在其他角度上海水在遥感图像上就会比较暗^[7]。

Cox和Munk 在1954年从统计的思想出发辅以一定的物理理论建立了太阳耀斑反射率模型。太阳耀斑主要的影响因素是海表面毛细重力波和短重力波，Cox和Munk假设海表面波都是由许多斜率特定的近镜面组成，并且假设海表面波中的大部分是可以作为水平风向量函数然后统计斜率分布平均。在干净海表面上，每一个小镜面的斜率概率密度在上风向和横风向可以近似描述为一个倾斜的高斯分布;在有溢油的海面上，毛细重力波减少，在上风向分布的小平面减少，溢油区才会有波长大于30cm的波。清洁海水表面和有溢油存在的表面波斜率的概率密度分布可以表示如式(1)下:

=[-( )][()()] (1)

其中，和为表面波在横风向和上风向的斜率成分，为第n阶Hermite多项式，、和是风速的函数，并且在溢油区和清洁海水区其值不同，具体为表1（表中W为风速）。

表一 溢油区与清洁区参数值

根据上面算出的表面波斜率的概率密度分布p（z_c，z_u），太阳耀斑反射率Lg（）可以描述如式(2):

Lg（）= p（z_c，z_u） (2)

其中和为太阳天顶角和传感器天顶角，是太阳镜面反射角，是垂直于波面的法向量与z轴之间的夹角。和的大小与太阳和传感器天顶角、方位角密切相关。

（2）式中一定波长下的菲涅尔反射系数r（）定义为(3)式：

r（）= (3)

其中为透射角，n为折射率^[8]。

2009年Maria在基于如上Cox和Munk的太阳耀斑辐射模型上，计算出了太阳耀斑反射率，并且明确表明了太阳耀斑反射在遥感溢油监测上有很重要的地位，只有当太阳耀斑反射率高于一定值时，才能够在图像中监测到溢油的存在^[9]。

太阳耀斑图像一般被认为是一种数据缺失的图像，形成于海水粗糙表面无数小平面的菲涅尔反射，而这对于溢油监测浮油等表面特征来说来说是具有非常重要价值的。这些表面特征在太阳耀斑区域及周边区域的图像中会呈现出不一样的亮度，所以我们可以通过此来将海洋与大气现象分离。

1.2.4国内外溢油光学遥感监测研究现状

遥感技术不直接接触探测目标，反之其远离目标并对其进行测量与目标分析。不同的目标在不同的环境、不同的条件下产生的波谱是不尽相同的，遥感技术利用传感器来接受物体的辐射或反射的特征电磁波，从而遥感能够不直接接触目标却能够辨别出物体的种类、性质和所处的环境。当前可见光、微波、红外和紫外光在遥感技术中是经常用到的，而大多数目标反射的波谱都在这些波段内。

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