基于SAR图像的海面溢油油膜识别技术

论文总字数：21966字

目 录

1 前言……………………………………………………………………1

1.1 溢油的危害及研究意义…………………………………………………………………1

1.2 国内外研究现状………………………………………………………………………2

1.3 论文内容结构概述……………………………………………………………………3

2 SAR图像海面溢油检测基础…………………………………………4

2.1 合成孔径雷达简介………………………………………………………………………4

2.2 SAR图像成像原理………………………………………………………………………4

2.3 溢油检测的流程………………………………………………………………………6

2.4相关数据及其来源……………………………………………………………………7

3 SAR图像海面溢油油膜识别方法的研究…………………………8

3.1 SAR图像预处理…………………………………………………………………………8

3.2 图像分割的定义………………………………………………………………………9

3.3最大类间方差法（大津法OTSU）……………………………………………10

3.4 区域生长法……………………………………………………………………………11

3.5 极化比模型在溢油识别中的应用……………………………………………………13

3.6 精度分析………………………………………………………………………………14

4 结果与讨论…………………………………………………………17

参考文献………………………………………………………………18

致谢……………………………………………………………………19

基于SAR图像的海面溢油油膜识别技术

朱泽宇

, China

Abstract：With the rapid development of international trade, the problem of oil spilling from the ocean has gradually become a difficult problem currently facing humanity. The degree of environmental damage it brings is ranked first in marine pollution, which has aroused heated discussions in the international community. In view of the current frequent marine oil spill accidents, how to quickly and effectively use SAR image recognition for oil spill is a key part of SAR detection technology. At present, the existing oil film recognition technology based on SAR images includes the largest between-class variance method, region growing method, etc., but the two are mainly based on pixels for image segmentation, and the accuracy needs to be improved. This paper proposes to apply the polarization ratio model to SAR image oil spill identification. Unlike the previous two methods, the polarization ratio is mainly based on the backscatter coefficient ratio to segment the image. In this paper, SAR images derived from RADARSAT-2 satellites are used. The above three methods are used for image segmentation. After the results are obtained, the confusion matrix is used for accuracy analysis. It is found that the polarization ratio method proposed in this paper has higher classification accuracy, indicating that Compared with the maximum between-class variance method and region growing method, the polarization ratio method is obviously more suitable for oil spill identification technology based on SAR images.

Key words: Ocean spill；SAR image；Image segmentation；Polarization ratio；precision analysis

1 前言

1.1 溢油的危害及研究意义

自20世纪以来，随着国际经济贸易的高速发展，陆地自然资源遭到过分开发，海洋成为了世界各国的重点发展方向，其丰富的石油资源，稳定、低成本的海洋船舶运输都是推动国际贸易重要动力源。然而，与之伴随的数次大大小小的突发性溢油事故给海洋带来了巨大的危害，如海上油气田的溢油、载油船舶的泄漏和撞船事故，以及输油管道的破裂等，都给人类造成了难以估量的损失。

一次又一次重大的溢油事故，使得海洋生态环境遭到严重破坏，大量海洋生物因此死亡，对海洋生物链的平衡影响巨大。1989年3月，在阿拉斯加威廉王子湾，载有约17万吨原油的美国油轮“埃克森·瓦尔迪兹”触礁搁浅，导致大约3万多吨原油泄漏，对当地造成了巨大的生态破坏，直接导致数千头海獭和几十万只海鸟死亡。经相关分析研究，当地生态系统恢复的时间至少需要20多年。2010年4月，位于美国南海岸近海墨西哥湾的一个石油钻井平台发生了爆炸，上百万加仑的原油溢出涌入墨西哥湾，使得美国路易斯安那州及周边三个州府的海岸线受到了不小污染，一些滨海城市更是损失严重。本次溢油污染的海洋面积近1万平方公里，对墨西哥湾周围的生态环境系统造成了巨大的破坏。

近年来，伴随着我国海洋贸易事业的迅速发展，海上“丝绸之路”的空前繁荣，我国近海和港口的船舶数量急剧增加，船舶溢油的风险也随之增大。据交通部海事局的统计^[1]，近40年以来，我国沿海共发生了数千起的船舶溢油事故，溢油总量达4万多吨。2018年1月，发生在我国东海的一起撞船事故，一艘巴拿马油船“桑吉”轮不慎与香港散货船“长峰水晶”轮发生了碰撞。据相关报道，“桑吉”轮装载了约13.6万吨的凝析油，撞船后持续泄漏，还伴有燃烧爆炸。这次撞船所造成的大量凝析油泄漏，可能导致东海的生态系统遭到严重破坏，甚至一些海洋生物的栖息地或将面临巨大的威胁。

当溢油事故发生后，能否及时发现海洋溢油并准确的评估监测溢油的污染范围和严重程度，对海洋生态环境的保护具有重要意义。海面溢油可通过飞机、船舶以及卫星上搭载的雷达进行监测，特别是卫星遥感监测，不仅覆盖面广、时效性强，还能及时引导海监飞机进行监测，已成为目前海洋溢油监测技术中最重要的手段之一。其中，合成孔径雷达（SAR）已被证明是监测溢油的最适当工具之一，因为它不仅能够监测海洋表面的结构，另外它还能提供大范围的覆盖，以及不受光线和大气条件限制的成像功能，在当前的海洋溢油监测系统中合成孔径雷达（SAR）得到了广泛应用。目前，主要应用于溢油监测的遥感设备除了合成孔径雷达（SAR），还有光学传感器和微波辐射计，表1统计对比了不同传感器的特点。

在研究如何有效识别SAR图像中溢油和类溢油现象时，积极展开基于多极化、多波段SAR图像区分溢油和类溢油相关算法的研究，有利于帮助后来的科学工作者在溢油监测工作中更有效的监测溢油，更是推动未来微波遥感技术检测溢油的重要支撑。不断地探索和研究多极化、多波段SAR图像及其相关应用，对利用SAR图像数据进行海洋溢油检测有着重要的指导意义。只有当我们有足够强大的技术能对溢油进行全方位的监测时，我们才能够更好的解决海洋溢油问题，从而能够更好的保护海洋环境、维护地球生态平衡。

表 1 海洋监测中不同遥感传感器的比较

1.2 国内外研究现状

当前，利用星载合成孔径雷达（SAR）对海面溢油问题实现更为有效的监测成为了国际上的研究重点，像挪威、加拿大以及美国这些发展研究SAR海面溢油监测技术比较先进国家，已经率先建立了属于他们国家自己的SAR海面溢油监测系统。挪威是最早将航空遥感与卫星遥感相结合进行海面溢油监测的国家。因传统的可见光、红外和紫外遥感传感技术容易受到环境、天气等因素的影响，使得监测效果不佳，所以近年来卫星合成孔径雷达（SAR）这样一种能够有效监测海面溢油的手段备受重视。1978年由美国发射的SEASAT卫星系统是最早的SAR卫星系统。之后，欧洲航空局（European Space Agency，ESA）、俄罗斯空间局（Russian Space Agency，RSA）、加拿大空间局（Canadian Space Agency，CSA）以及德国空间中心（German Aerospace Centre）等也相继发射了自己的SAR卫星系统。ERS-1SAR 数据被Heidi A. Hovland等人^[2]用于在北海和波罗的海海域的基于半自动技术对海面溢油监测的研究；1991年，William Y. Tseng等人^[3]基于ERS -1SAR 数据对波斯湾海域溢油监测的研究取得了不错的效果；2001年，针对1996年10月发生在马六甲海峡的油轮相撞导致的特大溢油事故，Maged Marghany利用SAR图像对其进行了分析，建立了了一种区分海水和溢油的自动识别模型，取得了较好的效果 ^[4]。

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