利用ENVI实现海面溢油信息提取

<FONT color=#000000>海洋溢油污染是各种海洋污染中影响范围最广，危害时间最长，对生态环境破坏最大的一种。卫星遥感（RS）可以大范围、同步、连续监测海洋溢油，并且成本较低，便于建立海洋溢油监测系统，因此卫星遥感（RS）监测海洋溢油必将成为海洋环境监测的重要手段之一。<P> </P>
<P >卫星遥感（RS）监测海洋溢油技术的关键是怎样从卫星数字图像资料中提取海洋溢油信息。目前我国常用的Landsat和NOAA两个系列卫星的通道设置都有局限性。于1998年和1999年在海上做了两次撒油波谱测试，得到了各种油膜在不同厚度时的波谱特征数据，并且利用RSI公司ENVI软件的波谱工具对这些数据的进行分析和处理，并且先后调用了6次从90年以来的海洋污染事故的图像数据，进行溢油信息的提取实验得到了令人满意的结果，在此基础上进行了溢油模型和溢油信息提取方法的研究，取得了很好的效果。在这里只是简单地举例说明。<P> </P></P>
<P >1     海上溢油波谱特征分析<P> </P></P>
<P >在卫星遥感（RS）图像上能否识别出油与水，取决于油污与海水之间的反射强度。由于油膜是依附于背景海水而存在的，油膜与背景海水间的反射率差异越大，则成像后遥感（RS）图像的灰度差异越显著，从而能够提取溢油信息。<P> </P></P>
<P >水体对太阳光吸收、反射、和透射作用是随波长而变化的，总的来说是吸收大于反射和透射。由于两次试验均在大连近海，海水中叶绿素浓度较高，对海水的反射波谱曲线有一定的影响，反射峰分别位于紫外区0.35μm和可见光区0.54μm附近，后者波长范围较宽（0.50～0.57μm），0.76-0.9μm开始表现为吸收作用增强，TM4的图像水体色调相对较深，而且海水区较均匀。在红外波段水体主要表现为强烈的吸收作用，但对于TM5在红外区内吸收率处于谷值为0.4，TM为0.9左右，其它波段吸收率极高，有些接近1.0。从反射波谱来看，在近红外区波谱值极低。<P> </P></P>
<P > 从两次实验的结果来看被油污污染的海水在波谱特性方面有如下特点：<P> </P></P>
<P >（1）      在可见光波段，四种油膜最大反射率均出现在0.50～0.58μm波谱内，煤油和润滑油波段相对宽一些，重柴油最窄。<P> </P></P>
<P >（2）      反射率最大的是润滑油（3.4%）和煤油（3.0%），其次为轻柴油（2.6%），最小为重柴油（1.6%）。<P> </P></P>
<P >（3）      油膜反射率的大小与油膜厚度有关，煤油、润滑油和轻柴油的反射率首先随油膜厚度的增加而增加，达到一定值后又随油膜厚度的增加而降低。煤油和轻柴油的最大反射率在0.3mm厚度处，润滑油在0.15mm处<P> </P></P>
<P >（4）      重柴油和原油，厚度越薄，反射率越大，随着油膜厚度的增加反射率降低。<P> </P></P>
<P >    <P></P></P>
<P >2  溢油信息提取方法研究<P> </P></P>
<P ><IMG src="http://www.cvaw.com/picn-z/oilDMU15.gif">   <P></P></P>
<P > <P>     上边的流程图是利用遥感（RS）影像处理的方法进行溢油信息分析和提取的过程。在这个期间，ENVI起了关键性作用。下面的文章中将结合一个具体的油种进行分析：<P> </P></P>
<P >2.1 重柴油<P> </P></P>
<P ><IMG src="http://www.cvaw.com/picn-z/oilDMU16.jpg" align=left> 根据我们所做的海上溢油光谱实验结果，重柴油在0.4 ~ 0.7μm波段范围内反射率要大于0.7 ~ 1.0μm的近红外区，虽然反射率较低但与水的反射率相比在可见光波段仍然存在着较大的差异，其峰值差为0.096，因此从理论上能够推出在 TM1， TM2，TM3 的单通道图像中应该含有油膜信息，而且油膜色调应该比水深，TM4，TM5，TM7是三个红外及近红外通道，根据实验结果，重柴油在这三个波段的反射率极低，信息极其微弱，因此几乎没有被记录。但在这三个波段中水的吸收作用明显增强，因此在加强水域信息方面会有较好的作用，TM6 （10.2 ~ 12.4）是一个远红外通道，虽然在实验中我们没有能测量该通道溢油污染物与海水之间的热辐射谱值，但我们知道在红外区水体表现为强烈的吸收作用，水的热容量比较大，而重柴油也具有较强热辐射特点，水的热辐射一般夜晚时间成像的资料上表现为较浅的灰度，但我们所得到的图像是白天成像，因此，在TM6的图像资料上重柴油应该具有比水的灰度还要浅的影像，由于水在远红外表现的较强的热辐射特性，其图像灰度与其它几个通道相比总体上色调要浅很多。根据我们对TM图像的7个通道的有关重柴油溢油信息的分析，我们认为在TM 的1，2，3，及6通道上溢油信息应该是较为丰富的。<P> </P></P>
<P >1990年6月9日发生在老铁山水道的重柴油污染事件的的处理实验结果,证实在TM1，2，3，及6的图像上有溢油信息的显示，但在TM4，5，7上无法确认，证实了我们的分析结果，见图1重柴油污染信息的假彩色合成图像TM621。<P> </P></P>
<P >2000年4月19日同样发生在老铁山水道的巴拿马籍货轮“海拉斯-3”轮撞船事故资料处理结果，证实在CH1，3，4，5上含有油膜信息，见图2：CH345。同时我们选用    图1 TM621合成图<P> </P></P>
<P >了事故之后的4月27日的NOAA卫星资资料用同样的处理手段，油膜却不了见 图3：CH345。4月21-27日由于5-6级偏北大风和偏南大风，油膜已被吹散，再加上几天来海水溶解、挥发，27日卫星影像中已不见溢油踪影。有证据支持了这点，据调查沉船时间与卫星过境时间相差近40小时，油膜借助2-4级南偏西风，向北偏东漂移了18公里，移速达0.45公里/小时。<P> </P></P>
<P ><IMG src="http://www.cvaw.com/picn-z/oilDMU17.jpg" align=left> <IMG src="http://www.cvaw.com/picn-z/oilDMU18.jpg" align=left>2．3．2润滑油<P> </P></P>
<P ><IMG src="http://www.cvaw.com/picn-z/oilDMU19.gif" align=left>润滑油的波谱特征与重柴油有些差异，通过对润滑油污染海水的波谱曲线分析，我们可以看出润滑油波谱曲线从总的趋势看几乎在所有测试波段上都比重柴油反射率要大，这也就意味着，润滑油与水的反射率差值要比重柴油要小一些，而且润滑油在黄绿光波段与红光及近红外波段与海水的差异不像重柴油那样大，也即在红光和近红外波段润滑油与海水的反TM的所有通道上都有反应。但当油膜增加到一定厚度，反射率开始降低到海水的反射率以下，但差值仍然存在，因此图像灰度要发生变化，由浅变深。<P> </P></P>
<P >1996年5月8日，在老铁山水道发生一次润滑油的大型污染事件，据事故调查部门的资料，所装400吨润滑油全部倾倒在海中，而且事后拍到的事故现场的照片也证实了污染的严重性。但是在拿到的原始资料上，与其他油种的溢油情况不同，发现图像质量不是太好，在放大的原始图像上隐约能够看出一些稍深的条带状影像。在TM6的影像上有几条白色的条带，这正是溢油在远红外波段热辐射在白天大于水的热辐射的证据，即润滑油在远红外图像上的影像。通过这些分析和观察，证实了润滑油在TM 的所有通道上都有微弱的信息，其中TM3，TM4，TM5，TM7，信息相对比较强。也即在近红外波段相对较强，从波谱实验结果来看，重柴油在红及近红外波段反射率极低，最高值小于0.005，因此传感器几乎收集不到溢油信息，而润滑油在红及近红外波段，如果油膜厚度能达到300μm以上，则其反射率的最小值都大于0.005，高值会达到0.025左右，而在0.4 ~ 0.7μm波段上由于润滑油的反射率比重柴油的反射率高出许多，减小了与水的灰度反差，因此反而在TM1，TM2，TM3，通道上信息显示比近红外波段要弱。图像处理结果见图4。<P> </P></P>
<P ><IMG src="http://www.cvaw.com/picn-z/oilDMU20.jpg" align=left> <IMG src="http://www.cvaw.com/picn-z/oilDMU21.jpg" align=left><P> </P></P>
<P >   图4 1996年润滑油TM745合成图              图5为溢油污染实景照片<P> </P></P>
<P >              用卫星遥感（RS）的方法监测溢油以及海洋环境现在仍然处于起步阶段，相信随着遥感（RS）定量化步伐的不断加快，加上这种方法带来的宏观性，我们有理由相信，利用卫星遥感（RS）将成为未来海洋环境的最佳方式。</P>
<P > </P>
<P ><FONT color=#999999>作者：李栖筠 (大连海事大学)</FONT></P></P></FONT>

<P>挺牛的</P>