遙感技術海上溢油監測研究進展

宋仕林 朱永英* 張明慧

(大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023)

遙感技術海上溢油監測研究進展

宋仕林 朱永英* 張明慧

(大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023)

從衛星遙感、航空遙感、地面遙感三個角度對海上溢油監測的研究成果進行了論述，對溢油遙感監測中存在的問題進行了探討，并對未來遙感技術在該領域的研究趨勢進行了展望，以期為海上溢油研究提供參考。

遙感技術，溢油，監測，無人機，傳感器

隨著石油產業和海上運輸業的迅猛發展，海洋石油污染頻發，給海洋生態和社會經濟發展造成嚴重損失。遙感技術作為監測海上溢油的一種有效手段，通過圖像解譯和特征分析，能精確定位事故地點和提取油膜光譜特征，為溢油應急處置提供決策依據[1]。近年來，遙感技術在海洋環境監測、資源開發等領域的應用愈加廣泛，在溢油污染監測方面已得到國內外學者的重視。本文從衛星遙感、航空遙感、地面遙感三個角度總結近年來遙感技術在海上溢油監測方面的研究成果，探討海洋溢油遙感監測的不足，并對未來遙感技術的發展進行展望，以期為海上溢油研究提供參考。

1 衛星遙感溢油監測

衛星遙感具有全天候實時監測、探測范圍廣等優勢，是海洋環境監測的有效手段之一。溢油改變了遙感影像中原海水背景的灰度、紋理、亮度等基本特征，因此通過分析圖像特征變化能夠識別出溢油。針對遙感光譜數據溢油監測的研究開展較早，并取得了諸多成果[1,2]。但早期的光譜數據波段信息不連續，提取的油膜信息有限。隨著高光譜探測技術的發展，地物光譜較窄的通道數據被探測，進一步提高了溢油的識別準確率。目前，微波雷達遙感不受天氣條件影響，對溢油范圍的監測最為有效，在環境監測中受到許多國家重視。

在溢油范圍研究方面，研究人員基于遙感圖像采用閾值分割、光譜角匹配、邊緣檢測等算法，實現了溢油信息提取[3-5]。在油種識別研究方面，模糊邏輯檢測、深度信念網絡、RBF神經網絡等算法具有較大優勢，能有效識別溢油類型[6-8]。在溢油量估計研究方面，熊攀等開展了油膜厚度與反射率關系研究，為油膜厚度的估算提供理論依據[9]。溢油總量多借助于溢油范圍和油膜厚度來估算。M.S.Lee和B.G.Gautama等開展了反射率和消光系數的溢油厚度研究，取得了較好效果[10,11]。這些研究多以實測油膜數據為標準進行分析，忽略了空間尺度、海洋環境對油膜光譜的影響[6-8,10,11]。在溢油軌跡研究方面，“油粒子”溢油軌跡和風化模型、二維拉格朗日軌跡模型等方法被用于溢油漂移模擬，研究中考慮了氣象條件、潮流等因素對油膜擴散的影響[12,13]。目前對海上溢油范圍的研究理論和方法較為成熟，而對于溢油量的估計多結合地面遙感實測油膜光譜進行研究，精度相對較低，同時對海上溢油漂移擴散預測的研究相對較少，有待深入研究。

2 航空遙感溢油監測

航空遙感具有探測速度快、靈活機動、空間分辨率高等優勢，在溢油監測應用中發展較快，成為衛星遙感的有效補充。

在航空遙感溢油監測方面，研究人員采用曲波變換、決策樹分類、Borda算法等方法實現了航空遙感數據不同油種、厚薄油膜、油膜與非油膜的信息提取[14-16]。基于航空遙感監測海上溢油，大連海事大學較早地開展了相關試驗研究，由李穎科研小組開發的空基機載激光熒光溢油探測系統，實現了海上油膜、油種和油膜厚度的信息獲取和自動識別，在國內外屬首創。根據油膜和海水之間不同的熱紅外特性，陳澎等分析了不同條件下油膜的熱紅外特征，有效監測了溢油，在“7·16”大連新港油污清理中發揮了重要作用[17]。目前，海上溢油的熱紅外監測研究仍處于初級階段，不能排除海岸線、海洋植物的干擾，無法識別薄油膜。

無人機作為新型航空遙感監測平臺，能夠搭載多種高分辨率探測設備，具有高機動性、低成本的優勢，已廣泛應用于生態環境和海岸帶監測等領域[18,19]，未來在遙感溢油應急監測中有較大應用潛力。

3 地面遙感溢油監測

海上溢油地面遙感監測主要有固定點監測、船舶監測、浮標監測和實驗監測等。固定點監測通常用于港口、碼頭和橋梁等地，傳感器多采用激光熒光和電磁能量吸收傳感器，雖然能夠實現全天監測和自動報警，但受傳感器條件限制，監測范圍較小。船舶通過搭載航海雷達能夠實現海上溢油全天候、實時探測，不受雨霧等天氣的影響，縮短了溢油應急響應時間，能夠實現溢油位置的精確定位和溢油面積的估計[20]，但船舶監測在速度和靈活性方面存在不足。海上浮標是一種新型溢油監測設施，主要用于溢油跟蹤，當溢油發生后將其投入溢油區，能實時獲取油膜漂移的速度、軌跡和溢油厚度等信息[21]。油膜光譜特征是遙感監測溢油的數據基礎，文獻[9][22]開展了不同油種的紫外—近紅外、熱紅外等波段的實驗研究，獲取了光譜特征信息，為遙感圖像溢油監測提供了數據支撐，但研究中未考慮復雜海況條件對油膜光譜特征的影響。

4 前景

隨著遙感、圖像處理等相關技術的發展，遙感技術在海洋資源開發、環境保護、科學研究等方面對傳感器的光譜分辨率、空間分辨率等性能提出了更高要求，需要研制高性能傳感器和小型化探測設備。通過遙感圖像解譯獲得不同地物的光譜特征，雖能實現溢油與假目標的區分，但對油品快速識別和溢油量的精確估算等方面達不到精度要求，仍需要進一步研究。受海洋環境影響，油膜在不同階段的光譜特征差異明顯，油膜信息的實時探測難度較大，這就需要進一步開展海上溢油實驗，研究油品在復雜海況環境下的波譜特征，建立油指紋數據庫，為遙感溢油監測和油種快速識別提供數據支持。

5 結語

從衛星遙感、航空遙感、地面遙感三個角度總結了近年來遙感技術在海上溢油監測的研究成果，探討了溢油監測存在的不足，分析了遙感溢油監測的發展前景，以期為海上溢油研究提供參考。

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Advances in marine oil spill monitoring using remote sensing

Song Shilin Zhu Yongying* Zhang Minghui

(OceanandCivilEngineeringDepartment,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China)

The paper indicates the research results of the oil spill monitoring from the satellite remote sensing, aerial remote sensing, and ground remote sensing, explores the problems in the oil spill monitoring, and has the prospect for the research trend for the future remote sensing technique in the field, so as to provide some reference for the ocean oil spill research.

remote sensing technique, oil spill, inspection, drone, sensor

1009-6825(2017)20-0205-02

2017-04-26

朱永英(1979- )，女，副教授

TP753

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