基于遙感技術的海上溢油應急響應

夏威

摘 要：近年來，隨著全球海上石油運量的持續上升、海洋石油開采的不斷發展，海上溢油的風險也在加大，為我國海上應急保障工作敲響了警鐘。本文針對我國溢油應急響應中的現狀和不足進行分析，基于遙感監測技術，研究了應急響應與決策系統，通過遙感影像監測，客觀真實地再現溢油污染范圍、污染程度，評估溢油污染損害，為海上應急管理機制的完善和溢油響應技術的發展提供參考。

關鍵詞：遙感技術 溢油 交通運輸應用 應急響應系統

隨著世界各國對石油需求的日益增長，石油貿易逐年上升，海上石油的勘探、開采和運輸帶了嚴重的污染。據不完全統計，每年通過各種渠道傾注到海洋的石油和石油產品，約占全世界石油總產量的0.5%，傾注到海洋的石油量達200萬噸～1000萬噸。2006年，中國成為第二大原油消費國，伴隨著我國海上石油運量、石油開采的持續上升，海上溢油風險也在加大。我國海上各種大小污染事故每年發生數百起，給海洋生態環境帶來嚴重影響，對沿海漁業資源和人身健康造成了嚴重損害。

溢油事故不但因石油流失帶來直接經濟損失，還會影響海洋生態環境，造成海洋動植物大量死亡，污染船舶和設備，影響漁業的捕撈、養殖以及相關水產品加工產業鏈。如果溢油發生在近海港口或旅游區，將影響水上運輸、海港貨物裝卸、沿岸旅游，造成間接經濟損失。石油中含有致癌物質，直接污染海產品，在焚燒或蒸發過程中污染大氣，對人群健康帶來長期影響。如何有效地對溢油污染進行監控與應急響應顯得日益迫切。海上溢油由于擴散范圍廣、離岸距離遠，往往不易直接觀測，給應急處理工作帶來了挑戰。利用遙感技術對海上溢油等災害進行應急動態監測，可獲取油污位置、面積、油膜厚度等信息；同時，結合風向信息，可以動態分析溢油污染擴散態勢及影響，從而為跟蹤控制溢油污染、快速組織治理提供重要的技術手段，本文針對遙感技術在溢油應急響應中的應用進行研究，探討遙感的關鍵應用技術并設計溢油應急處理系統。

現狀分析

1、溢油污染類型

根據污染來源，溢油污染可以分成以下幾類：

1.1海上油井污染

因石油的勘探、開發而導致的油井原油泄漏。油井事故使大量的石油進入海洋，給海洋生態帶來嚴重破壞，一旦發生，通常屬于嚴重事故，如：2010年5月，我國當時最大的海上油氣田中海油天津南海一號鉆井平臺發生溢油事故；2011年6月，中海油與美國康菲合作開發的渤海蓬萊19-3油田發生海底油井溢油事故，造成渤海面積的7%被污染。

1.2石油裝卸污染

近岸輸油管線泄漏，以及油船裝貨時發生溢油。事故往往是由于人員操作不當，或者輸油器材老化、松動引起。近年來的此類重大事故有：2010年7月，大連新港中石油輸油管線爆炸；2013年11月，中石化東黃輸油管線發生爆炸，直接經濟損失75172萬元。

1.3船舶事故溢油

船舶因碰撞、擱淺等事故后油箱的泄漏溢油。如果是普通船只，溢油量取決于油箱容量，造成的污染有限；如果是油輪事故，往往造成大量的石油泄漏到水域和陸地，對環境危害嚴重。

1.4油船污水排放

油船在運輸過程中，貯油艙產生大量壓載水、洗艙水等含油污水，這些污水如直接排放即容易造成對水體的污染。

1.5船舶用油泄漏

船只在加裝燃油或者日常航行過程中，因燃料泄漏，或者機油、潤滑油等的滲漏，都可以造成水域的污染。

2、問題與不足

海洋是可持續發展的戰略空間和潛力巨大的資源寶庫，是世界貿易的大動脈，更是國際政治、經濟、科技和軍事競爭與合作的重要舞臺。但是，只要對石油的依賴不改變，溢油事件就無法徹底避免。近年來，我國海上溢油事故在不斷發生，并且逐步升級，為海上應急保障工作敲響了警鐘。2014年1月，國務院安委會提出，必須強化油氣應急管理，制定事故專項應急預案，全面提高應急處置水平。但是，目前與發達國家相比，我國在海上溢油污染應急響應方面的能力還存在不足，突出問題主要體現在以下方面：

2.1缺乏系統性的應急協調機制

海上應急工作機制還不夠健全，相關事故處理手段亟待提高，經常出現多個部門各自為戰的情況，容易造成資源的浪費和信息的不對稱。沒有建立由多個權威部門共同參與、統一協調、分工負責的應急反應協調機制，難以迅速調集各方反應力量，并保證各相關方之間緊密合作。

2.2缺乏快速高效的信息獲取分發體系

海上事故發生后，指揮人員必須在第一時間對危害和風險進行辨識和評估，杜絕盲目處置。而在以往的多起重大溢油事故中，由于信息的復雜多變，經常需要在指揮人員趕往事發區后才能做出決策，很容易造成工作的延誤。因此，從信息管理的角度而言，尚缺乏多種監測手段、多種平臺結合的信息快速獲取、組織和分發體系。

2.3缺乏高效運轉的指揮系統

在應急救援工作的部署方面，需要指揮人員以最快的速度將有效資源部署到污染區域，并與上級領導部門、應急作業人員、跨行業專家以及公眾保持有效的溝通。與歐美發達國家相比，我國在大型事故的快速部署和大范圍的聯絡指揮方面還有一定的差距。2010年美國在處理墨西哥灣溢油事故時，成立了大型指揮中心，包括聯絡處、信息發布與宣傳報道組、油污清理組、專家技術組等相關機構，并與美國當地政府積極配合，不但能夠指揮部署專業工作人員，同時也將當地居民納入到保衛家園環境的工作中，并形成了一整套規章制度，包括招募、審核、培訓和監管等，組織的作業船舶超過6000艘。目前，我國的指揮系統尚不能在短時間內確立行之有效的保護策略并調用和組織如此龐大的應急隊伍。

2.4溢油自動檢測與預測模擬的研究有待提高

在預警方面和事故處置時，為了在短時間內自動發現問題，需要多種監測手段協同配合，將通過航空和衛星遙感監測、浮標探測等技術獲取的多源數據融合。由于海上環境復雜多變，溢油在風浪海流等自然因素的聯合作用下，擴散范圍和形態會不斷變化，因此，清除回收溢油的成果在很大程度上也依賴于對溢油場景動態模擬和有效預測。目前，各發達國家都開發了溢油預測模擬信息系統，如美國Oilmap系統、英國OSIS系統、挪威Oscar系統等。縱觀目前的發展趨勢，溢油的分析與GIS技術、通訊技術的結合越來越緊密，我國仍需在這些方面加強研究，提高溢油的分析預測能力。

遙感技術的應用分析

為了提高對海洋溢油的監測監控與應急管理功能，需要提高信息獲取、指揮調度和應急處置能力，對應急響應進行信息化的規范管理。對這一需求，遙感技術提供了良好的解決手段。遙感圖像覆蓋面積大，一景圖像通常可對應數百平方公里區域，宏觀性強，可以直接疊加氣象、水文、應急人員與裝備分布等信息，有利于制作專題圖，將豐富的海上狀況信息直觀地展現給相關人員進行分析決策和指揮調度。高分辨率遙感影像能夠精確地提供油膜的幾何形狀和分布信息，并可以根據影像反射情況，分析出油膜厚度、乳化和分解程度，適合對海洋這種大范圍區域的監控。遙感的信息獲取，可以通過衛星和無人機實現，不需要人工實地勘測，特別是雷達SAR遙感，不易受地表環境（海上氣候）的限制，能夠以較低的成本快速獲取地形信息。

1、關鍵技術

根據所采用的電磁波波段，目前的主流監測技術可分成以下幾種：

1.1雷達遙感技術

雷達影像只需經校正、去噪等基本處理，即能夠以目視辨認溢油區域。如圖1所示，該圖為RADARSAT-2衛星的合成孔徑雷達（SAR， Synthetic Aperture Radar）影像，2010年7月拍攝于大連附近海域，圖中白色區域為陸地，黑色區域（紅圈中）為海上溢油。溢油在影像中呈現黑色是因為，溢油形成的油膜抑制了海面上的毛細波紋，海面比沒有油膜的海面更加光滑，雷達波照射下為低散射。在實際應用中，除了圖1 的合成孔徑雷達SAR外，還可以使用側視機載雷達（SLAR， side-looking airborne radar），其造價相對便宜，缺點是SLAR天線尺寸大于同等分辨率的SAR天線。

雷達波對油膜的存在是比較敏感的，這一特點使得其應用十分廣泛，是遙感領域目前最主要的溢油探測手段。由于雷達波可以穿透云層探測地表，所以不易受天氣狀況的影響，也可以在夜晚工作。

1.2紅外＼紫外輻射技術 （IR＼UV）

紅外光譜具有識別不同溫度目標的功能，而油膜覆蓋的海面可以吸收太陽輻射并以特定波長釋放，所以可利用這一特點探測海上油膜。在紅外圖像中，厚油膜發出較高溫度熱輻射，中油層則顯示相對較低溫度。

紅外圖像難以區分薄油層，這一問題可以利用紫外光譜彌補，紫外波段對于很薄的油層（<0.05μm）也有較高的輻射度，對溢油同時進行紅外和紫外的掃描就可以分析油膜的厚度。

1.3高光譜技術

高光譜遙感技術是一種新型的對地觀測技術，具有不同于傳統遙感的特點，主要表現在：成像光譜儀可以為每個像元提供數十至數百個波段的光譜信息，光譜分辨率可達納米數量級。由于包含了豐富的光譜，不同類型的溢油（原油、汽油、柴油、潤滑油）等能夠在圖像中體現不同的光譜曲線，因此，可以為不同的海上目標建立光譜庫，通過將油污的光譜與標準光盤庫進行特征比對（如：計算光譜角距離），從而實現對溢油種類的識別。

1.4激光識別

油膜在激光下產生熒光，可以用于鑒別溢油種類、探測油膜厚度。在激光下，油膜發出的熒光和其他海上目標的熒光波長有較大差異，所以可以用機載LiDAR等技術手段，精確分析溢油情況。但是激光的成本較高，目前應用較少。在實際應用中，主要使用的是遠紅外、多光譜（覆蓋藍光、綠光、紅光、近紅外）光學遙感影像和SAR雷達遙感影像。

2、ROI對象

在對溢油事故進行應急處置時，除直接使用遙感分析油膜外，同時還應對可能受到溢油影響的海上目標進行監測，即對潛在的感興趣目標區域（ROI，Region of Interest），進行ROI提取；然后有針對性地制作數字正射影像（DOM）和制作相關專題分析產品（比例尺在1：5000、1：1萬左右），以更好地服務于應急工作需求。

表1給出了需要關注的對象和其對應的監測內容。通常，海上日常監測所需的遙感影像空間分辨率為0.5米-15米，時間分辨率為半個月/次（執法與應急情況下則拍攝頻率優于1天且具有一定機動性），目標相對定位精度優于5米。

基于遙感的溢油應急響應系統設計

海上溢油應急反應和清污作業的環境條件通常比較惡劣和復雜，溢油在風浪、光照等自然因素的作用下，位置和形態又在不斷地變化，因此，建設科學的海上溢油應急響應系統涉及衛星遙感、雷達探測、航空遙感、導航定位、數學計算模型等多種技術手段的有機結合。系統構成如圖2所示，主要包括以下內容：

1、溢油狀態（位置、范圍、溢油量、油污類型）探測

使用航空遙感和衛星遙感技術手段，快速獲得大范圍的溢油監測圖像，然后根據光譜特征和反射率識別油污。理論研究和應用實踐表明：雷達、熱紅外、紫外是最重要的溢油成像波段，利用多遙感器（機載＼星載的合成孔徑雷達SAR、紅外掃描儀、多光譜和高光譜成像儀）的集成，結合統一時空框架組織的多源信息融合技術，識別油污的位置和范圍。

2、溢油漂移變化預測

遙感影像獲得的是溢油瞬時狀態的基本范圍和屬性信息，要想動態跟蹤溢油變化，可以在油污區拋設浮標，對溢油漂移動態進行跟蹤定位；可結合船載、岸基雷達裝備，進行實時監測，以補充遙感技術手段在實效性方面的不足；進而，將多種傳感器的監測信息進行時空關聯，進行天基（遙感）-船基-浮標基-岸基的聯合監測與跟蹤。

溢油的動態分析，還可以通過建立數學預測模型實現。溢油在海洋中的行為主要表現為漂移，擴散、蒸發、乳化過程，系統通過建立溢油的行為模型（漂移、擴散）、風化模型（揮發乳化、溶解、降解沉降）等，接入海上環境監測信息（風場、潮流、海溫、水深）和溢油屬性信息（溢油位置、種類、發生時間），對溢油的走向變化進行動態模擬，判斷溢油可能的漂移軌跡、擴散范圍、上岸時間地點等，然后根據預測信息，決策人員可以及時調集應急隊伍和清理設備到達適當的作業地點，同時向環境敏感區發布污染預警，以便提前預防避免重大污染損失。

3、危害性評估

3.1初始評估

初始評估指的是在發現溢油事故后，通過遙感影像分析、實地考察等手段，識別溢油的種類、油膜厚度等屬性，估計溢油量及其可能的污染影響，將調查結果提交給應急救援人員，并給出溢油處理建議。

3.2施工影響評估

溢油給海洋生態環境帶來了嚴重的影響，而一些溢油清理手段（如受控燃燒法、噴灑溢油分散劑）同樣也會對海上航運、海洋氣候帶來不利影響。因此，在溢油處理過程中，系統接入溢油海區的監測信息，對溢油帶來的環境（海溫、海流等）影響進行跟蹤。

4、應急預案管理

包括事前建立應急預案，事發時的應急效果推演，為應急指揮提供決策輔助。

4.1應急預案搜索

事先建立溢油應急事故預案，為不同類型的事故建立與之相應的處理策略（如燃燒法、撇油器回收、噴灑分散劑等），為事故的不同階段建立處置方案。在事故發生后，根據溢油等災害發生的位置、危害程度及擴散態勢，提供針對性的預案，為應急指揮提供快速的輔助參考方案。

4.2預案效果推演

為不同類型的預案提供效果模擬和供應急隊伍推演，通過地理信息系統，為指揮中心提供可視化展示功能，在電子海圖上生成污染區、環境敏感區和應急人員設備的地理分布信息，有助于決策人員進行分析和應急部署。在未發生應急事故時，還可以用于應急反應計劃的演習和人員培訓。

5、遠程指揮與協作

5.1多部門協同會商

在通訊系統支持下，實現異地水上溢油事故的遠程指揮，構建“天空-陸地-海面-現場”一體化的移動應急指揮網絡；采用跨平臺聯動技術，提供海事部門、環保部門、海洋局、軍隊等多個部門的遠程會議支持，進行跨部門的信息聯絡和統一指揮管理，以支持各個相關部門的協同作業，形成統一的應急處理體系。

5.2數據分發共享

面向參與應急救援的多部門，提供數據的推送和共享。將多平臺的觀測數據、統計報表數據以及分析決策數據推送到應急響應的各個相關單位，包括環保部門、交通部海事局、農業部漁業局、國家海洋局民政部、國家安全生產監管總局、國家氣象局和軍隊等。

提供溢油災情的信息報道。系統接入海洋局、氣象局的監測信息，對溢油帶來的海洋環境（海溫、海流等）影響進行跟蹤。通過將海洋氣象信息（海溫、海浪、洋流、海冰等）和環境氣候信息顯示到系統的電子海圖界面，實現綜合海洋環境監測信息的可視化，用于處理決策、新聞報道、環境影響評價、污染損害索賠等。

總結

溢油屬突發性海洋污染事故，海上環境條件通常比較惡劣和復雜，溢油在風浪流及光照等自然因素的聯合作用下，位置和形態又在不斷地變化，因此，需要作出快速的應急反應，盡可能予以控制、回收和清除，減少所造成的環境污染損害。本文分析了遙感技術在溢油應急響應中的作用，通過綜合利用多源異構空間地理信息資源，設計了集 “監測-響應-處置-評估”為一體的溢油應急響應系統，為決策者進行針對性部署、指導和監控溢油處理工作提供輔助和參考。

參考文獻：

[1]熊韶輝.論中國實現石油安全的貿易戰略和策略 [D]，對外經濟貿易大學。

[2]安偉， 王永剛， 王新怡， 牛志剛， 趙宇鵬.中國近海海上溢油預測與應急決策支持系統研發. 海洋科學， vol. 34， 2010.

[3]劉興權， 蘇偉光， 蘇奮振.基于 SAR 圖像的海洋溢油提取方法研究. 黑龍江科技信息， vol. 22， pp. 56-57， 2008.

[4]劉康煒等.海上溢油監測技術研究進展. 安全、健康和環境，2012

[5]安居白，張永寧.發達國家海上溢油遙感監測現狀分析 [J]. 交通環保， vol. 23， pp. 27-29， 2002.

[6]國家海洋局，“2010年中國海洋衛星應用報告”。

[7]陳輝，趙朝方.MODIS 多光譜信息在海上溢油檢測中的應用.海洋湖沼通報， pp. 46-52， 2009.

[8]吳曉丹， 宋金明， 李學剛， 袁華茂， 張默.海洋溢油油膜厚度影響因素理論模型的構建.海洋科學， vol. 34， p. 68， 2010

[9]M. N. Jha and Y. Gao.Oil spill contingency planning using Laser Fluorosensors and web-based GIS.Oceans 2008， 01 2008.

[10]楊瑞， 劉晉川， 謝文寧， 姚立柱.基于北斗衛星系統的海上溢油跟蹤浮標的開發研制.水運科學研究， 2009

[11]張煜洲等.遙感技術監測海上溢油現狀及趨勢.杭州師范大學學報，2013。

[12]H. Assilzadeh and Y. Gao.Oil spill emergency response mapping for coastal area using SAR imagery and GIS.Oceans 2008， 01 2008.

（作者單位：中國交通通信信息中心）