多角度偏振遙感在水體油污染監測中的優勢分析

羅楊潔，朱 俊

多角度偏振遙感在水體油污染監測中的優勢分析

羅楊潔1，朱 俊2

(1.內江師范學院地理與資源科學學院，內江 641112;2.內江師范學院化學化工學院，內江 641112)

為了更好地進行水體油污染監測，首先簡要介紹了多角度偏振探測技術，然后著重分析了水體油污染目標的偏振特性，同時從目標地物反射光譜的偏振探測機理出發，討論了它們偏振光譜的空間特征，并總結出3條普適規律。結果顯示:偏振光譜信息與強度輻射光譜信息相比，目標地物間反射光譜的微小差異得到了增強，且在大角度入射時，增強效果更為明顯。可見，多角度偏振遙感在水環境監測和地物識別中具有廣闊的應用前景。

偏振;多角度;油污染;地物識別

0 引言

雖然海洋幅員遼闊，有很強的自凈能力，但它的納污能力也是有限的。油輪油泄漏、沿海及河口石油礦藏的開發、煉油廠工業廢水的排放等，會使水體受油的污染，尤其是河口海域和近海水域，油污染十分突出。水體油污染的來源主要是工業排放與城市排放占37%，船舶操作占33%，其他來源有油輪意外、大氣沉降、自然來源、油氣勘探與生產活動產生等。油在水面形成油膜后，會影響氧氣進入水體，當油膜厚度大于10－4cm時，就會嚴重阻止氧氣進入水體，從而使水中溶解氧減少，少到一定限度后就會使水變臭，進而造成水中生物的死亡。另外，油污染還對全球海平面變化和長期氣候變化造成潛在影響。因此，對水體油污染進行監測是十分重要的。

國外學者由20世紀80年代開展的可見光和紅外遙感研究轉向20世紀90年代利用微波遙感監測海洋溢油災害。我國自“六五”計劃以來，相繼開展了一些水面溢油航空檢測方法研究，取得了許多可喜的成果，但就總體而言，研究程度仍局限在常規的垂直收集目標信息上。為此，需要進一步探討各類油品泄漏到水體后的漂移、擴散、溶解、蒸發后的各個過程的多角度偏振光譜響應特性，為識別溢油范圍，正確劃分油膜厚度，進而為正確估計泄漏油量提供技術支持［1］。

1 探測機理

遙感探測油污染，主要是依據在不同入射條件下油膜具有不同的反射、散射、吸收和偏振特性，通過選擇適當的入射條件和探測方位來監測溢油，并設法增強油膜與其背景水面之間的反差，以達到確定油膜參數的目的。怎樣增強油膜與其背景水面反射光譜的反差呢?怎樣才能更精確地監測水面油膜呢?這也是人們為什么要發展多角度偏振探測的原因。

傳統的單一觀測方向遙感只能得到地面目標一個方向的投影，由于缺乏足夠的信息來同時推斷一個像元的主要材料的波譜和空間結構，從而使定量遙感非常困難。與單一觀測方向遙感相比，多角度對地觀測是通過對地面固定目標進行多個方向的觀測，使得對目標的觀測信息得以豐富，因而有希望從中提取較單一方向的觀測更為詳實可靠的地面目標三維空間結構參數，以便為開展定量遙感提供新的途徑。

偏振是各種矢量波的一種基本性質，是指用一矢量波來描述空間某一固定點所觀測到的矢量波隨時間變化的特征。偏振特性能在特殊背景和條件下提高目標的識別率，特別是對反射輻射強度對比度低的表面和人為模擬制造的偽裝目標具有獨特的區分能力［2－4］。偏振信息在遙感領域的重要性已得到美國國家航空和宇航局(NASA)的認可［5］。法國的POLDER傳感器［6］是目前將多角度遙感與偏振特性結合得最好的例子之一。目前人們對偏振遙感圖像特性的研究越來越重視，并且展開了系列研究［7］，趙云升等人對液體表面的偏振反射特征進行了初步探討［8，9］。在以往研究的基礎上，本文從偏振反射光譜分析的角度驗證了多角度偏振遙感在油污染監測中的優勢。

當α=0°時，上式可簡化為

圖1 n=1.333時水的光譜反射率Fig.1 Reflectivity of water when n=1.333

圖2 n=1.5時油的光譜反射率Fig.2 Reflectivity of oil when n=1.5

2 液體三維偏振光譜測量的實驗條件

被測的試驗樣品有以下兩種:①水，為采自長春市居民飲用的自來水，水質清澈透明，無污染;②汽油，由東北師范大學車隊提供的常用商品油，淺橙黃色，流動性與水接近。

為了獲得液體樣品的偏振光譜反射數據，利用了地物偏振光譜二向性反射比測量裝置來進行測量［10］，該儀器由計算機控制，可對被測定樣品的偏振光譜反射數據進行自動采集與處理。為了敘述方便，把偏振片透光軸的方向規定為0°方向，而把其正交方向規定為90°方向，以后簡稱為0°偏振和90°偏振，其間標有45°偏振刻度。傳感器波段為630～690 nm，探測架上有7個探測頭，天頂角從0°～60°，每隔10°固定一個探測頭;7個光源位置的設置與探測頭設置相同;方位角為0°～350°，每隔10°采集一個數據。測試時，讓探測拱架繞被測物和白板(標準朗伯體)運行一周，就獲得了方位角0°～350°半球內、不同探測角位置上的2π空間的三維分布偏振反射比(即被測物與白板偏振反射光譜的比值)數據。如果加了偏振片，即文中所說的0°偏、45°偏和90°偏，就是偏振反射比;如果不加偏振片，即文中所說無偏，則為二向性反射比，本文統稱其為反射比。

3 液體三維偏振曲線特性研究

為了方便表示，特作以下說明:圖3～圖7中，圖表標題命名格式為“偏振角代碼－p－入射角代碼”，如“0－p－6”的意義為液體在光線入射角60°，0°偏振狀態下的反射曲線(即“wu”代表無偏，后面“6”代表入射角60°，前面“0”代表 0°偏振，余類推，“*”表示該代碼位置上所有可選擇的類型。)

3.1 液體三維偏振光譜與探測方位角、探測角的關系

圖3是汽油在光線入射角為60°，0°偏振狀態下，探測方位角為0°～350°，探測角為 0°～60°時的偏振反射比曲線;圖4是水在光線入射角40°，無偏狀態下，探測方位角為0°～350°，探測角為0°～60°時的偏振反射比曲線。

圖3 汽油在0－p－6時的偏振反射比曲線Fig.3 Polarized reflectance curve of gasoline 0－p －6

圖4 水在wu－p－4時的二向性反射比曲線Fig.4 Bidirectional reflectance curve of water wu－p－4

由圖3可見，液體的偏振反射比曲線在2π空間存在著明顯差異，表現出強烈的非朗伯體特性。其值與探測角有很大的關系，當探測角小于60°時，其曲線特征基本不隨方位角的變化而變化，近似于一條直線;當探測角為60°時，探測角與入射角相等，在入射光所決定的主平面內(即探測方位角為180°)將出現強烈的峰值，此時的反射比為偏振反射比。這表明當探測角與入射角相等時，油膜呈現明顯的鏡面反射現象。同樣，由圖4可見，在入射角為40°，探測角為40°，探測方位角為180°時水的反射比達到峰值，此時的反射比為二向性反射比。由此可見，不論是二向性反射比或者是偏振反射比，反射比峰值都會出現在入射角等于探測角，探測方位角為180°處，即探測角與入射角相等且兩者位于同一平面時反射比最大，此為規律一。這也說明物體的反射比不但與探測器的高度有關，還與它的探測方向有關。

3.2 液體三維偏振反射比曲線與偏振角的關系

圖5是在光線入射角為50°，偏振角分別為0°、45°、90°和無偏狀態下，探測角為 0°～60°，探測方位角為120°～240°時水的偏振反射比曲線或二向性反射比曲線。

圖5 水在* －p－5時的偏振反射比曲線Fig.5 Polarized reflectance curve of water* －p－5

由圖3、圖4可見，不同液體的偏振反射比曲線或二向性反射比曲線是不同的。方位角在0°～120°，240°～350°兩個區間各種液體的偏振反射比曲線平直，且差異很小，具有漫反射特征;而方位角在140°～220°區間，各種液體的偏振反射特征差異顯著，并且各種液體的偏振反射比曲線峰值都出現在方位角180°處。在改變入射角的情況下，同樣可以得到以上結論。因此，在方位角120°～240°以外處，地物的偏振反射比差異很小，對目標識別以及輻射角度糾正意義都不大，本文在此處分析中，主要把目標方位角定位在120°～240°。

圖5顯示，無偏反射比曲線峰值和45°偏振反射比曲線反射比峰值是位于0°偏振反射比曲線峰值和90°偏振反射比曲線峰值之間的，且兩者值接近于0°偏振反射比曲線峰值和90°偏振反射比曲線峰值的算術平均值。這種規律在其他類似的偏振反射比曲線比較中也可以觀察到。因此可以認為這是一條液體偏振反射的普適規律，此為規律二。

3.3 液體偏振反射比曲線與光線入射角的關系

圖6是汽油在0°偏振時不同光線入射角的偏振反射比曲線，圖7是汽油在90°偏振時，不同光線入射角的偏振反射比曲線，兩圖的探測角均為0°～60°，探測方位角均為 0°～350°。

圖6 汽油在0－p－*時的偏振反射比曲線Fig.6 Polarized reflectance curve of gasoline 0－p－*

圖7 汽油在90－p－*時的偏振反射比曲線Fig.7 Polarized reflectance curve of gasoline 90－p－*

圖6 、圖7顯示，汽油的偏振反射比除了遵循規律一外，還可以看出，隨著光線入射角的改變，汽油的偏振反射比峰值隨之改變，并且存在明顯規律。圖6顯示，0°偏振時，隨著光線入射角的增大，汽油的偏振反射比峰值先減小后迅速增大;圖7顯示，90°偏振時，隨著光線入射角的增大，汽油的偏振反射比峰值呈逐漸增大之勢，這與菲涅耳公式是相吻合的，此為規律三。

3.4 偏振反射遙感在油污染監測中的優勢分析

表1是汽油和水的偏振反射比差值列表，這里本文分別將汽油和水的0°偏振反射比峰值與無偏時反射比峰值相比較，得出它們的差值。圖8是汽油和水的偏振反射比差值比較圖。

表1 汽油和水的偏振反射比差值Tab.1 Polarizing reflectance difference value of gasoline and water

圖8 汽油和水的偏振反射比差值比較Fig.8 Comparative chart of polarizing reflectance difference value of gasoline and water

由偏振片的特征可知，入射光通過偏振片后，其光強已經被削弱了一半，這樣就減少了傳感器達到飽和狀況的可能。這就是多角度偏振遙感的優勢之一。另外，由圖8還可見，同樣測試條件下，汽油的偏振反射比差值比水的大，且隨著入射角的增加，在布儒斯特角附近，差值越來越大，這與本文開頭的理論分析是相符的。這也說明，較之傳統的輻射強度探測來說，偏振遙感探測能擴大物體間的細節差異。因此在水體的油污染監測中，運用偏振遙感在光線大角度入射時，更能體現偏振遙感的優越性，更利于界定水體油面污染的范圍和程度。此為多角度偏振遙感的優勢之二。

4 結論

本文雖然是以汽油和水作為代表樣本進行實驗分析的，但自然界各種液體的偏振反射比具有相同的規律，因此可以得出以下結論:

(1)各種液體的偏振反射特征是不同的，這與它們各自的表面特征、物質組成和光滑程度有密切關系;

(2)各種液體的偏振反射比在光線入射角等于探測角，且在兩者構成的主平面上出現峰值;

(3)各種液體偏振反射曲線中，無偏反射比曲線峰值和45°偏振反射比曲線峰值位于0°偏振反射比曲線峰值和90°偏振反射比曲線峰值之間，且兩者值接近于0°偏振反射比曲線峰值和90°偏振反射比曲線峰值的算術平均值;

(4)0°偏振時，各種液體隨著光線入射角的增大偏振反射比峰值先減小，后迅速增大;90°偏振時，其偏振反射比峰值隨著入射角的增加逐漸增大;

(5)從無偏反射比曲線峰值與0°偏振反射比曲線峰值的差值比較來看，汽油的偏振反射光譜反射比差值比水的大，且隨著光線入射角的增加，到布儒斯特角，差值越來越大。

總之，在水體油污染監測中，較之傳統的垂直輻射遙感而言，多角度偏振遙感具有明顯的優勢，其既可以避免傳感器的部分飽和狀態，又可以更有效地區分污染情況。因此多角度偏振遙感在水環境監測和地物識別中具有廣闊的應用前景，并將得到進一步的研究和發展。當然，水體油污染不僅與折射率有關，還與油膜厚度、水面粗糙度等以及探測儀器的波譜范圍有關，本文只是對水和汽油的偏振反射進行了探測，沒有進行實際的油污染遙感探測，關于海洋油污染的檢測，還有待進一步研究。

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A Superiority Analysis of the Multi－angle Polarization Remote Sensing in Water－body Oil Pollution Monitoring

LUO Yang－jie1，ZHU Jun2
(1.School of Geography and Resources Science，Neijiang Normal University，Neijiang 641112，China;2.College of Chemistry ＆ Chemical Engineering，Neijiang Normal University，Neijiang 641112，China)

The technique of multi － angle polarization detection is described briefly in this paper.Based on experiments，the authors analyzed in detail polarized characteristics of the oil pollution object.The spatial characteristics of the spectrum of polarized light are discussed from the mechanism of polarization detection，and three universal laws are summarized.In comparison with intensity spectrum，small discrepancy of the object is enhanced，especially in the case of polarized light incidence at a large angle.Multi－angle polarization remote sensing has wide application vista in water environment monitoring and object identification.

Polarization;Multi－angle;Oil pollution monitoring;Object identification

TP 79:X 832

A

1001－070X(2011)03－0032－05

2010－11－12;

2011－01－22

四川省教育廳青年基金項目(編號:07ZB046，2006B077)及四川省科技廳應用基礎研究項目(編號:2008JY0121)共同資助。

羅楊潔(1979－)，女，地圖學與地理信息系統專業碩士研究生，講師，從事偏振遙感理論和地理信息系統應用研究。

(責任編輯:丁 群)