基于圖像分割的油膜厚度計算及其光譜相關性分析*

王娟，單春芝，宋文鵬，孫樂成，劉旭東(1.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島 266033; 2. 國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室 青島 266033)

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基于圖像分割的油膜厚度計算及其光譜相關性分析*

王娟1，2，單春芝1，2，宋文鵬1，2，孫樂成1，2，劉旭東1，2
(1.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島 266033; 2. 國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室 青島 266033)

以渤海原油為油樣，利用ASD地物光譜儀開展油膜光譜測量，針對油膜光譜實驗過程中油膜厚度難以控制的問題，改進布設油膜的方式，利用定量滴定和圖像分割方法完成油膜厚度計算，并開展油膜光譜特性及其與油膜厚度的相關性分析。研究表明，油膜厚度計算方法可信度較高，能夠較真實地計算出油膜厚度；油膜光譜在350～900 nm范圍內較為平滑，油膜厚度及其光譜在可見光波段具有較高的相關性，900 nm之前具有較好的相關性且為正相關，在600～800 nm之間相關性達到最高，波長在900 nm之后油膜厚度與其光譜無明顯相關性；油膜光譜在761 nm處有峰值存在，此處可以作為判斷油膜存在以及油膜厚度反演的敏感波段；利用645 nm以及761 nm波段建立油膜厚度與反射光譜的相關模型，能夠清晰地顯示油膜厚度與其光譜在可見光波段具有較強的相關性，分析結果能夠為后續(xù)遙感方法溢油量反演提供可信的參考。

油膜；光譜；相關性；圖像分割

1 引言

通過分析油膜的地物光譜特征，可以識別、監(jiān)測海上溢油的發(fā)生、發(fā)展狀況，甚至可以根據典型相關譜段與油膜厚度的相關性開展溢油量反演，國內外已有大量相關研究，Palmer等[1]分析1993年Shetlands群島的溢油事件時，指出海洋中分散原油隨濃度不同在700 nm、740 nm、800 nm處反射率也不同，440～900nm可用來進行溢油油膜信息提取的有效譜段。Foudan[2]的研究表明，擴散開的油膜在580 nm、700 nm具有強的反射峰，600～900 nm范圍光譜反射具有最大的油膜遙感探測可能性。Valborg[3]在其博士論文中分析不同油類、不同厚度的油膜在400～850 nm光譜通道的表現。趙冬至等[4]總結了柴油、潤滑油、原油等3種油膜隨厚度變化的光譜特征，指出736 nm和774 nm對不同的油類具有相同的吸收特征，揭示了油膜隨厚度變化的光譜特征、油水反差規(guī)律及吸收特征參數等。在可見光波段，隨原油油膜厚度的增加，反射率呈現出下降的趨勢。張永寧等[5]分析了海洋溢油波譜特征，指出500～580 nm是不同油膜最高反射率的所在位置；此外近紅外光譜可用來鑒別不同的溢油種類，提出利用TM和AVHRR數據監(jiān)測煤油、輕柴油、潤滑油、重柴油和原油的最佳波段組合。付玉慧等[6]通過原油、重柴油、輕柴油、潤滑油和煤油溢油波譜特征測試分析，繪制各油種不同厚度時光譜特征曲線圖，篩選出各種油膜不同厚度時的最佳衛(wèi)星通道組合與增強處理模式。陸應誠等[7]結合海面甚薄油膜光譜響應特征分析，指出海面甚薄油膜存在平行多光束干涉現象，入射到薄膜內的光由于多次反射和折射導致了海面可見光/近紅外光譜反射率的增加，為海面甚薄油膜遙感探測提供了理論依據。李穎等[8]通過測量海水、碎冰、整冰等不同背景條件下輕柴油和原油油膜的可見光一近紅外光譜反射率曲線，并與潔凈的海水、碎冰和平整冰光譜曲線進行比較，得到能有效識別冰區(qū)溢油的波段。

由于油膜厚度在實驗過程難以精確控制，本文通過改進實驗方法，利用定量滴定和圖像分割的方法，計算實驗過程中的油膜厚度，通過油膜各波段的相關性分析，提取最相關譜段，開展油膜厚度與其光譜相關模型的研究。

2 油膜實驗

2.1 油樣數據

通過國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室的油指紋庫獲得原油油樣，樣品按照實驗室規(guī)定利用棕色瓶，封裝冷藏保存。樣品為重質油，分析其氣相色譜圖得知，正構烷烴已被嚴重降解。

2.2 實驗設備

ASD(350～2 500 nm)光譜儀，筆記本電腦1臺，1 mL注射器多支，相機，探頭支架，灰板，黑色棉布，不沾油桶5個，水桶1個(圖1)。

圖1 油膜光譜采集實驗設備

2.3 實驗方案

本課題中油膜光譜實驗在自然光照條件下進行，天氣要求晴朗無云、無風、干燥，場地要求開闊、無遮擋物、無強反射體。

針對油膜重復滴入無法擴散的問題，改進實驗方法，每次測量5組厚度油膜，利用注射器控制每次滴入桶內的油量，保證每次都是一次滴入，使油膜擴散后能形成較為連續(xù)且均勻的油膜。待靜置一段時間后，基本無擴散處于穩(wěn)定狀態(tài)時，每5 min同時采集光譜和油膜分布圖像，直至油膜完全處于均勻分布狀態(tài)。采集完后，清洗不沾油桶，重復以上步驟，完成不同厚度油膜光譜數據采集。此實驗過程能充分保證油膜的均勻連續(xù)性，且與滴入油量形成一一對應關系，通過圖像處理完成油膜面積及厚度精確計算。

3 油膜厚度計算

為實現油膜實驗厚度控制方法的優(yōu)化，本研究在控制滴入油量的前提下，利用相機完成現場油膜擴散狀態(tài)的記錄，同步開展此狀態(tài)下的光譜測量。篩選油膜停止擴散，處于穩(wěn)定狀態(tài)時的圖像和同步光譜作為均勻厚度的可用實驗數據。根據油膜與水體灰度閾值的不同，利用圖像分割方法，實現油膜面積的相對準確計算，進而可求算出油膜厚度，根據油膜厚度對應的光譜數據分析光譜隨厚度的變化情況。

以油樣0.1 mL時測量結果為例，圖2為相機原始記錄相片，根據多幅照片比對，此時油膜已靜置較長時間，基本不再擴散，處于穩(wěn)定狀態(tài)，油膜分布較為均勻，但并未覆蓋整個桶口。

圖2 油膜原始照片

對圖像進行預處理得到圖3所示結果，去除桶口外其他因素的影響，只留下桶口內圖像。

圖3 照片初次處理后結果

油膜直方圖分布如圖4所示，可看出，同口內灰度分布成像雙峰的特點，油膜像元占有較大比例，故油膜灰度處在后峰值處，前峰值為水體本底灰度分布區(qū)域，設置閾值為130，利用單閾值分割方法實現油膜提取，得到分割結果見圖5。

圖4 油膜直方圖

圖5 油膜照片分割后結果

由(2)步驟中可以獲得油膜與桶口像素的比例關系k，直桶口直徑為d，根據每次滴入桶內油滴的體積v可以計算出光譜測量是桶內油膜的厚度h為S桶=π(d/2)2；S油膜=kS桶；h=v/S油膜

利用以上方法計算19次滴入油量所對應的厚度(如表1)，由于實驗用不沾油桶口面積固定，油膜厚度與滴入油量呈現較強的線性關系，如圖6所示，分析油量與厚度的相關性可知，其復相關系數R2=0.908 7，可以認為利用圖像分割的方法能較真實地計算油膜擴散后的厚度。

表1 油膜厚度計算結果

序號桶口像素/個油膜像素/個分割閾值比值桶口實際面積/cm2油量/mL油膜厚度/μm1218236619030161050.87165.130.053.472241090420933931150.87165.130.106.973285321623951401250.84165.130.107.214266952721566151150.81165.130.107.50

續(xù)表

圖6 滴入油量與油膜厚度相關性分析

4 油膜厚度與光譜相關性分析

4.1 光譜特征

處理后的油樣光譜曲線如圖7所示，從圖中可看出，油膜光譜在350～900 nm范圍內較為平滑，數據質量較好，在1 000 nm以后的波長范圍內光譜由于受到大氣、水汽等影響，油膜光譜數據質量較差，在1 400～1 500 nm以及1 800～2 000 nm處受水汽影響，整個光譜出現較大波動，此處為典型的水汽吸收波段。在可見光波段內，由于受本底水體光譜的影響，油膜反射率呈隨波長增加逐漸減小趨勢。各厚度油膜光譜在761 nm處發(fā)現有異常峰值存在，實驗發(fā)現水體光譜并不存在此突起，表明此處可以作為判斷油膜存在以及油膜厚度反演的敏感波段。

圖7 實驗油樣不同厚度油膜光譜分布

4.2 相關性分析

圖8為油膜厚度與各波段光譜之間的相關系數，900 nm之前具有較好的相關性且為正相關，在600～800 nm之間相關性達到最高。波長在900 nm 之后油膜厚度與其光譜無明顯相關性。

圖8 實驗油樣各油膜厚度與光譜相關性

選擇油樣光譜中的紅光中心波段645 nm處以及紅光與近紅外交界處761 nm波段完成模型建立，如圖9和圖10所示。利用2次、3次多項式可以較好地擬合這2個波段光譜與油膜厚度的相互關系，復相關系數R2=0.830 2(645 nm)和R2=0.812 1(761 nm)。

圖9 645 nm波長光譜與油膜厚度相關性模型

圖10 761 nm波長光譜與油膜厚度相關性模型

5 結論

改進油膜光譜實驗中的布油方式，利用定量滴定和圖像分割的方法，能夠有效地解決油膜厚度難以精確控制的問題，分析可知，其可信度較高。基于此方法分析實驗原油油膜厚度與其光譜相關性可知，此油樣在可見光波段具有較高的相關性，利用相關性較好的645 nm以及761 nm波段建立油膜厚度與反射光譜的相關模型，能夠清晰地顯示油膜厚度與光譜之間的相互關系，為后續(xù)遙感方法溢油量反演提供可信的參考。

[1] PALMER D， BOASTED G A.BOXALL S R. The second thematic conference on remote sensing for marine and coastal environments：needs solutions and applications[J]. ERIM Conferences，Ann Arbor，1994：546-558．

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[3] VALBORG B. Optical remote sensing of oil in the marine environment[D].Thesis(PhD)University of Southampton(United Kingdom)，Source DAI—C 6I/01，2000：153．

[4] 趙冬至，從丕福.海面溢油的可見光波段地物光譜特征研究[J].遙感技術與應用，2000，15(3)：160-164.

[5] 張永寧，丁倩.油膜波譜特征測試與遙感監(jiān)測溢油[J].海洋環(huán)境科學，2000，19(3)：5-10．

[6] 付玉慧，李棲筠，張寶茹.海洋溢油光譜分析與衛(wèi)星信息提取[J].遙感學報，12(6)：1010-1016．

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國家海洋局北海分局科技項目“海面油膜厚度與其光譜特征的相關性分析(2013A01)”；海洋工程和海上溢油生態(tài)補償/賠償關鍵技術研究示范項目(201105006)；國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項經費資助項目“海洋溢油污染風險評估及應急響應關鍵技術集成及示范應用”(201205012).

P7

A

1005-9857(2015)07-0107-04