基于GIS的遙感溢油監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李圳波，史永存，孫芳芳，靳衛(wèi)衛(wèi)

(1.煙臺海事局，山東 煙臺 264000；2.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司，天津 300457)

保護(hù)海洋環(huán)境和敏感資源不受船舶溢油污染是海事部門的重要職責(zé)之一，隨著船舶溢油污染形勢的日趨嚴(yán)峻，海事管理部門亟需在第一時間掌握水域環(huán)境污染信息，進(jìn)而對污染程度進(jìn)行分析評估，因此，對水上污染監(jiān)測工作的需求愈加強(qiáng)烈。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)在海事監(jiān)管領(lǐng)域中的成熟應(yīng)用及海事科學(xué)監(jiān)管對先進(jìn)科學(xué)技術(shù)需求的日益增長，現(xiàn)有的通用遙感處理軟件在遙感數(shù)據(jù)處理速度和目標(biāo)信息提取精度方面已不能滿足現(xiàn)代化監(jiān)管體系要求，迫切需要開發(fā)一套面向海事業(yè)務(wù)的專業(yè)衛(wèi)星遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)視系統(tǒng)。本文以基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的遙感溢油監(jiān)測系統(tǒng)為例，對系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)和總體思路進(jìn)行分析，提出遙感溢油監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)方法。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 建設(shè)目標(biāo)

基于GIS的遙感溢油監(jiān)測系統(tǒng)定位于海事系統(tǒng)溢油信息資源整合、溢油信息提取與漂移預(yù)測的基礎(chǔ)核心平臺，主要建設(shè)目標(biāo)如下。

1)支持多源遙感數(shù)據(jù)處理。通過該溢油監(jiān)測處理系統(tǒng)，能夠?qū)鴥?nèi)外各類光學(xué)和合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星遙感(如Radarsat-2，TerraSAR-X，Cosmo-Skymed，Sentinel-1A/B，Sentinel-2A/B，GF-1，GF-2，ZY-3，Landsat8等主要傳感器)不同級別數(shù)據(jù)及航空遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括輻射校正、大氣校正、幾何校正等，能夠完成遙感數(shù)據(jù)圖像增強(qiáng)、鑲嵌、融合、波段組合等基本功能；實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)的斜地距轉(zhuǎn)換、噪聲去除等基本功能。

2)提高溢油監(jiān)測系統(tǒng)的處理效率、利用率。基于目前先進(jìn)的遙感信息提取模型，通過對光學(xué)衛(wèi)星、SAR衛(wèi)星和航空遙感數(shù)據(jù)的識別和綜合分析，建立多源多時相遙感溢油識別和數(shù)據(jù)融合模型，提高油膜位置、面積信息提取的準(zhǔn)確性和時效性。同時，本系統(tǒng)建立開放的地理信息平臺，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的對接，而且能夠提高溢油監(jiān)測系統(tǒng)的利用率，除了系統(tǒng)的運(yùn)營管理單位，其他單位也可作為用戶使用該系統(tǒng)，并能夠提供安全的數(shù)據(jù)共享機(jī)制。

3)提高溢油漂移預(yù)測能力。本系統(tǒng)的漂移預(yù)測范圍由原來的北方海區(qū)擴(kuò)大至我國管轄海域，基于水動力模型、氣象場、漂移擴(kuò)散模型、風(fēng)化模型、環(huán)境敏感資源區(qū)圖和地理信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)海面油膜的漂移軌跡、風(fēng)化形態(tài)、環(huán)境歸宿和敏感區(qū)污染的快速預(yù)報(bào)與預(yù)警，提高溢油漂流預(yù)測的準(zhǔn)確性和自動化程度。

4)敏感資源監(jiān)測功能。通過溢油監(jiān)測處理系統(tǒng)，基于不同類型衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)以及航空數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對海冰、漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)等專題信息的自動提取。①為船舶通航環(huán)境評估提供客觀的觀測數(shù)據(jù)，輔助管理人員及時發(fā)現(xiàn)影響船舶安全航行的環(huán)境要素;②實(shí)現(xiàn)對敏感資源溢油污染的預(yù)測預(yù)警功能。

5)船舶識別功能。以當(dāng)前遙感信息提取的先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)，對非法打撈、溢油、違規(guī)航行等船只信息的自動提取，包括船只大小、形狀、類型等信息。以雷達(dá)數(shù)據(jù)和高分遙感數(shù)據(jù)為主，結(jié)合船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)數(shù)據(jù)，提高船舶信息提取的準(zhǔn)確性和自動化程度。①輔助管理部門對違規(guī)船只的定位跟蹤;②為通航環(huán)境評估提供決策依據(jù)。

6)數(shù)據(jù)疊加顯示與綜合分析功能。通過溢油監(jiān)測處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移提取結(jié)果、電子海圖、AIS等數(shù)據(jù)的疊加顯示，并且能夠?qū)ο嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析、網(wǎng)絡(luò)分析、統(tǒng)計(jì)分析、基本編輯等操作。

1.2 總體思路

系統(tǒng)總體功能框架見圖1，本系統(tǒng)工程分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、資源共享層等5個方面，系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)主要包括3個方面。

圖1 基于GIS的遙感溢油監(jiān)測系統(tǒng)總體功能框架

1)支撐軟件平臺建設(shè)。建立海上溢油監(jiān)測處理系統(tǒng)支撐軟件平臺，主要包括ArcGIS 10.6地理信息服務(wù)軟件、ArcGIS電子海圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件、ENVI 5.5遙感數(shù)據(jù)(含無人機(jī)遙感數(shù)據(jù))管理軟件、Oracle數(shù)據(jù)庫等。

2)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)。業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)主要包括海上溢油污染監(jiān)測系統(tǒng)、溢油污染漂移預(yù)測系統(tǒng)、敏感資源遙感監(jiān)測系統(tǒng)、海上船舶遙感監(jiān)測系統(tǒng)，任務(wù)目標(biāo)請見1.1相關(guān)內(nèi)容。業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)還包括數(shù)據(jù)管理建設(shè)任務(wù)和數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)，其中數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)一收發(fā)、存儲及管理，然后統(tǒng)一發(fā)布給用戶，溢油監(jiān)測系統(tǒng)的用戶管理單位掌握本系統(tǒng)的所有資源，并可對其他用戶單位進(jìn)行權(quán)限分配，所有用戶可以利用多種終端訪問系統(tǒng)平臺；數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)建設(shè)主要針對AIS數(shù)據(jù)、港口數(shù)據(jù)及4類重點(diǎn)常用業(yè)務(wù)(溢油污染監(jiān)測、漂移預(yù)測、敏感資源監(jiān)測、船舶監(jiān)測)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合展示和預(yù)警提示。

3)數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)建設(shè)。數(shù)據(jù)資源建設(shè)主要實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的接收、存儲、處置、分析、交換及發(fā)布，并實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源之間的交換與共享，為系統(tǒng)的各類管理與服務(wù)應(yīng)用提供基本數(shù)據(jù)支撐。數(shù)據(jù)資源是遙感溢油監(jiān)測處理系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的基礎(chǔ)保障，數(shù)據(jù)資源主要包括衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、航空遙感數(shù)據(jù)、電子海圖數(shù)據(jù)、AIS數(shù)據(jù)等。其中，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)包括雷達(dá)數(shù)據(jù)與光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，雷達(dá)數(shù)據(jù)以Radarsat-2，TerraSAR，Cosmo等為主；光學(xué)遙感數(shù)據(jù)以國產(chǎn)數(shù)據(jù)以及國外免費(fèi)數(shù)據(jù)為主，主要為高分系列數(shù)據(jù)、資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)、Landsat8和Sentinel-2A/B等。

該系統(tǒng)包含網(wǎng)絡(luò)版(B/S，Browser/Server)和桌面版(C/S，Client/Server)2個版本，由統(tǒng)一的平臺服務(wù)接口為各部門提供數(shù)據(jù)和功能服務(wù)。

B/S結(jié)構(gòu)即瀏覽器/服務(wù)器模式，指運(yùn)行于海事專網(wǎng)環(huán)境，側(cè)重于溢油監(jiān)測資源的共享服務(wù)，提供提取結(jié)果、電子海圖和AIS等數(shù)據(jù)的疊加顯示功能，并且能夠?qū)ο嚓P(guān)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行在線自動監(jiān)測計(jì)算、空間分析等功能。B/S 桌面版系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 B/S海事專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)版系統(tǒng)架構(gòu)

C/S結(jié)構(gòu)即客戶端和服務(wù)端結(jié)構(gòu)，指運(yùn)行于辦公網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的單機(jī)版程序，主要滿足本系統(tǒng)管理單位內(nèi)部使用，進(jìn)行日常溢油監(jiān)測業(yè)務(wù)處理，主要包含遙感影像數(shù)據(jù)輸入、自動預(yù)處理、自動監(jiān)測、人工二次圖斑篩選、專題圖制作、報(bào)表輸出、歸檔管理的監(jiān)測一體化系統(tǒng)功能，為了提供良好的用戶體驗(yàn)及使用效率，本系統(tǒng)建設(shè)以C/S架構(gòu)(見圖3)為主。

圖3 C/S桌面版系統(tǒng)架構(gòu)

2 技術(shù)路線

2.1 C/S與B/S相結(jié)合的模式

本系統(tǒng)采用C/S與B/S相結(jié)合的模式，C/S結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)生成的歸檔數(shù)據(jù)通過人機(jī)交互的處理方式進(jìn)行篩選、審核、處理之后，以服務(wù)的形式發(fā)布到B/S結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中使用。B/S結(jié)構(gòu)系統(tǒng)通過后臺管理功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。

2.2 海事專網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相結(jié)合模式

本系統(tǒng)C/S、B/S結(jié)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)行在海事專網(wǎng)環(huán)境，遙感溢油污染漂移預(yù)測模塊運(yùn)行在海事專網(wǎng)，但是所需的氣象等數(shù)據(jù)從互聯(lián)網(wǎng)接收之后再通過網(wǎng)閘推送到海事專網(wǎng)環(huán)境。海事專網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)不進(jìn)行主動傳輸，通過網(wǎng)閘將互聯(lián)網(wǎng)下載的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)或氣象等數(shù)據(jù)推送到海事專網(wǎng)系統(tǒng)中使用。

2.3 成熟、先進(jìn)的海量影像管理技術(shù)

本系統(tǒng)涉及海量影像數(shù)據(jù)，擬采用鑲嵌數(shù)據(jù)集的管理方式，使用文件+數(shù)據(jù)庫的方式進(jìn)行影像管理，充分發(fā)揮存儲系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的優(yōu)勢。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 溢油漂移預(yù)測模型建模技術(shù)

溢油進(jìn)入海面以后，會在風(fēng)、浪、流等作用下進(jìn)行漂移和擴(kuò)散，因此,準(zhǔn)確獲得海面油膜的動態(tài)信息對溢油污染預(yù)警起著關(guān)鍵性作用[1]。溢油預(yù)測預(yù)警模型基于水動力模型、氣象場資料、溢油漂移數(shù)值模型、溢油風(fēng)化模型、環(huán)境敏感資源圖，能夠預(yù)測溢油在海面的漂移擴(kuò)散軌跡和物理化學(xué)性質(zhì)變化，進(jìn)行敏感資源污染預(yù)警，還可以回推海面不明油膜的漂移路徑，追溯溢油污染源。

3.2 基于SAR遙感影像的溢油監(jiān)測方法

油膜海面在SAR影像上呈現(xiàn)為暗斑[2-3]。單極化SAR溢油監(jiān)測通常分為3個步驟：暗斑檢測、特征提取、油膜與疑似油膜分類[4]。相比于單極化，全極化SAR圖像不僅含計(jì)劃通道間的相位信息，能有效獲取海面目標(biāo)的全極化散射特性，更全面反映海面目標(biāo)的幾何形狀和物理特性，因此，多極化SAR在溢油監(jiān)測方面有顯著優(yōu)勢[5]。本系統(tǒng)主要基于多種極化特征量來區(qū)分油膜和類油膜。

3.3 基于SAR遙感影像的海冰監(jiān)測方法

海冰監(jiān)測主要包括根據(jù)海冰SAR影像的圖像特征分類、實(shí)測數(shù)據(jù)分析的分類、海冰全極化特征分類[6-7]。根據(jù)海冰類型的定義，不同類型海冰的厚度對應(yīng)一定的厚度范圍。本系統(tǒng)基于海冰類型識別結(jié)果，根據(jù)海冰類型定義對每一類海冰定性給出其厚度范圍，這種方法可視為一種海冰厚度分級提取方法，反演精度主要依賴于海冰類型的識別精度。

3.4 基于光學(xué)和SAR遙感影像的養(yǎng)殖區(qū)監(jiān)測方法

根據(jù)養(yǎng)殖用海方式，遙感影像能夠識別的養(yǎng)殖用海主要有圍海養(yǎng)殖、浮筏養(yǎng)殖賀網(wǎng)箱養(yǎng)殖。對于SAR遙感影像，本系統(tǒng)擬采用面向?qū)ο蟮姆指罘椒ㄟM(jìn)行海上養(yǎng)殖區(qū)提取，結(jié)合分割對象的均值方差和最大面積來確定最優(yōu)分割尺度[8]。對于光學(xué)遙感影像，如GF-1，GF-2，Landsat8和Sentinel-2A/B等，本系統(tǒng)擬引入先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)語義分割網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行海上養(yǎng)殖區(qū)提取[9]，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模海上養(yǎng)殖區(qū)提取應(yīng)用的目標(biāo)。

3.5 基于SAR遙感影像的船舶監(jiān)測方法

船只的SAR成像受多方面因素影響：①SAR系統(tǒng)參數(shù)，包括傳感器參數(shù)、入射角、極化方式等；②船只參數(shù)，包括船只的上層建筑結(jié)構(gòu)和材料；③風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素[10]。單極化SAR船只監(jiān)測方法的主流方法是將海雜波統(tǒng)計(jì)模型與恒虛警率(CFAR)目標(biāo)監(jiān)測方法相結(jié)合。基于全極化SAR數(shù)據(jù)的船只監(jiān)測主要有相干目標(biāo)分解、非相干目標(biāo)分解和極化對比度增強(qiáng)3種方法[11]。本系統(tǒng)擬采用CFAR目標(biāo)監(jiān)測方法[12]和深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)模型[13-15]方法進(jìn)行海上船舶遙感監(jiān)測。

4 業(yè)務(wù)流程

系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)流程見圖4。互聯(lián)網(wǎng)獲取的氣象信息、遙感影像數(shù)據(jù)通過網(wǎng)閘推送到海事專網(wǎng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫建庫，形成對應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)庫和遙感影像數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)管理單位使用C/S版系統(tǒng)進(jìn)行溢油監(jiān)測、敏感資源監(jiān)測、船舶監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果形成溢油專題數(shù)據(jù)庫、敏感資源專題數(shù)據(jù)庫、船舶專題數(shù)據(jù)庫。其他用戶試用溢油漂移預(yù)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)版進(jìn)行溢油漂移預(yù)測，形成溢油漂移專題數(shù)據(jù)庫。B/S版系統(tǒng)在海事專網(wǎng)以地理信息可視化技術(shù)為基礎(chǔ)，顯示電子海圖、AIS、遙感影像、遙感監(jiān)測專題數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，提供在線監(jiān)測計(jì)算功能。

圖4 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

5 結(jié)論

基于GIS的遙感溢油監(jiān)測系統(tǒng)利用先進(jìn)的衛(wèi)星遙感技術(shù)，對歷史存儲的和不斷獲取的覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)量大、產(chǎn)品多樣化的多源星載光學(xué)和SAR遙感影像進(jìn)行存儲、組織和管理，提高了遙感影像的使用效率。系統(tǒng)基于先進(jìn)的遙感信息提取算法，實(shí)現(xiàn)了海上溢油污染監(jiān)測和漂移預(yù)測、船舶監(jiān)測、海冰監(jiān)測、養(yǎng)殖區(qū)監(jiān)測功能，提高了海事系統(tǒng)對海面溢油監(jiān)視、船舶違法行為的監(jiān)控和海上交通態(tài)勢掌握的能力。系統(tǒng)的成功建設(shè)適應(yīng)海事科學(xué)監(jiān)管發(fā)展的需要，有助于實(shí)現(xiàn)海事監(jiān)管現(xiàn)代化、科學(xué)化，對于海事執(zhí)法服務(wù)、保護(hù)海洋環(huán)境具有重要意義。