基于SAR影像的海洋溢油检测研究
1．选题的来源、目的和意义
本文题目拟为“基于SAR影像的海洋溢油检测研究”。选自中国科学院地理科学与资源研究所与国家环境保护总局的合作项目“环境与灾害监测预报小卫星星座运行管理与应用系统工程”中的 “地表水环境遥感应用子系统”。
 本文的目的在于拟通过对海面溢油对微波特性和SAR影像的特性分析对海面溢油发生的位置、溢油种类进行检测，对溢油的面积和厚度进行量测，及进一步的根据物理海洋参数对溢油扩散方向和扩散速度进行预测，为海洋溢油的动态监测提供参考。
 本选题研究的科学意义在于讨论利用SAR影像对海面溢油检测的各种算法，为海面溢油检测的业务化运行提供理论基础；研究的现实意义在于从SAR影像中
分析出溢油污染的主要指标，从而为海洋生态环境的评价提供参考。也对减轻海洋灾害，促进海洋经济发展具有重要意义。
2．选题的国内外研究现状、发展趋势以及存在的问题
 海洋溢油污染是最常见的海洋环境污染之一。随着世界经济的发展，各国对石油的需求量急剧增加，这就使石油开采业以及海洋运输业得以迅速发展，致使海洋溢油事故不断发生。海洋溢油主要是通过事故引起的，如油船碰撞、触礁、海洋油井和水下输油管道的泄漏等（张永宁 2000）。石油污染在发生频率，分布范围以及所带来的危害程度上均居海洋环境污染首位。因此，世界各国都在积极开展对海洋溢油的检测工作，并把大量的人力，物力和财力投入到海洋及其生态环境保护的工作上来。
2.1 我国海上溢油遥感检测
     我国的海上溢油问题由来已久，但是使用卫星遥感对其进行检测却开展的较晚。随着我国经济的迅速发展，对石油的需求量在不断增加，现已成为世界上原油需求量第二的国家，尤其是改革开放以来国际贸易频繁，这就使得我国的海洋溢油问题更加严重，在油污染方面就包括近岸工业含油污水的排放、港口装卸货时燃料油的泄漏、船舶航行过程中的人为油污倾泻、船舶事故造成的突发性油污染以及近岸石油开采过程中所导致的油污进入海洋等多种污染形式。这不仅造成了巨大的经济损失，同时还使我国沿海海域的生态环境遭到了严重的破坏。
 我国对海洋石油污染遥感方面的研究起步较晚。在20世纪70年代末80年代初已形成规模。1980年，国家海洋局第一海洋研究所等首先开始了我国航空遥感检测海上油污染的实验工作。随后，海洋局第二海洋研究所，以及大连海事大学等单位也相继开展了研究工作（赵冬至）。其中，大连海事大学在“八五”期间开展了航天遥感溢油探测的研究工作；分别于 1998 年和 1999 年在大连外海进行了两次撒油波谱测试，获取了不同油种在多种厚度情况下的波谱特征数据；同时，使用 TM 数据（LANDSAT 系列卫星）以及 AVHRR 数据（NOAA 系列卫星）对几次溢油事故进行了处理和分析（张永宁 2000），如李栖筠等利用TM 与AVHRR 资料对老铁山水道漏油事故进行了方法试验研究，主要利用可见光和红外波段的组合方法，增强油膜信息，并结合AVHRR 和风、流等资料研究油膜的扩散（李栖筠 1996，1997，2004）；张永宁等对海上溢油的波谱特征进行了测试和分析，提出并利用Landsat TM和NOAA AVHRR 数据检测煤油、轻柴油、润滑油、重柴油和原油的最佳波段组合；通过数字图像处理技术提取了卫星影像上的油污信息并取得了较好的结果，对卫星遥感手段在海上油污染探测中的可应用性做出了验证（张永宁 1999）；其次，赵冬至等也对原油、柴油和润滑油的可见光近红外波段地物光谱特征曲线进行了对比分析，揭示了油随厚度变化的光谱特征、油水反差规律及吸收特征参数等（赵冬至 2000）；在油污种类的识别方面，徐恒振、尚龙生等人建立了海面溢油鉴别的Fuzzy 相似优先比模式以及用模糊数学方法建立Euclid贴近度聚类分析模式对溢油种类进行鉴别（徐恒振 1995）；厦门大学以及国家海洋局也对油膜的光谱特性进行了测定，提出了近红外光谱技术结合模式识别鉴别海面溢油的方法（王丽 2000）；薛浩洁等总结出了单一阈值法、自适应阈值法小波变换法和利用熵方法等利用SAR图像对海洋溢油油膜目标检测的方法（薛浩洁 2004）；大连海事大学的刘彦呈等利用油粒子模型，并结合GIS的相关知识对海面油膜的扩散方向和扩散速度进行了预测（刘彦呈 2002）；严志宇、殷佩海等对油污在海面的风化和蒸发过程也进行了研究，对油污在海面的存在状态做出描述和推断（严志宇2000）；这些工作对海上油污的组成成分和理化特性进行了深入的研究，为遥感探测提供了依据，而油污种类的准确判断又对快速、有效地清除海上油污有着重要的指导意义。
 上述讨论表明，国内海洋溢油检测的研究工作主要是基于光学遥感传感器，但大部分的溢油事故都在恶劣的天气下发生的，因而利用光学遥感很难完成溢油检测工作。从研究内容上分析，且大部分研究工停留在溢油边界和溢油种类的提取上，对于溢油的厚度、扩散方向和速度并没有显著的研究成果，很难实现溢油污染的动态检测和监测，进一步影响了海洋溢油的评估。
2.2 发达国家海上溢油遥感检测
 发达国家对石油的需求量非常大，但是受其地理位置的限制，需要大量的进口石油，尤其是通过海上运输，所以海上溢油是不可避免的。起初，加拿大、荷兰、德国等发达国家他们使用航天遥感的方式对海上溢油进行检测，由于飞机可以随时的为溢油检测服务，因此，航天遥感成为使用最多且最有效的手段。它可以迅速到达溢油发生区域，对溢油的位置，扩散方向以及面积的信息记录下来，并且可以根据溢油的发展趋势来判断污染的来源。一旦发现溢油状况，可以及时、迅速的向有关部门汇报，从而减少一定的经济损失（李四海2000，2004，安居白 2004）。
 随着航空遥感技术的发展，航天遥感的局限性慢慢的暴露出来。尽管航天遥感可以及时、准确的检测海洋溢油，由于飞机的飞行高度有限制，视野也不宽阔，因此当发生大规模的溢油事件时，它不能提供有关溢油的位置、油污的中心区以及溢油的扩散趋势等信息；同时，如果溢油时间发生在离海岸带很远的地区时，航天遥感就失去了其迅速，灵活的意义了。另外，恶劣的天气是导致溢油事件发生的重要因素，航天遥感将难以完成检测任务（安居白 2002）。1969年美国使用机载多波段可见光扫描仪对加利福尼亚圣巴巴拉附近海域井喷事故造成的石油污染进行了检测，取得了很好的效果，这是遥感技术首次用来检测海洋溢油。1972～1975 年美国与欧洲国家合作，用Landsat 卫星的MSS 资料对地中海石油污染进行了总体检测，确定了污染面积、污染速度和扩散方向；1985 年美国的Harry 和G. Stumpe 等人利用Landsat 卫星影像，对弗吉尼亚州阿萨蒂格岛东南海域100km 长的油膜进行了检测试验，估算了污染面积，推断了油污来源（李栖筠 1994）。
 近20年来，随着雷达技术的发展，且由于雷达具有全天候的工作能力、分辨率高和穿透力强的特点，发达国家开始利用雷达技术进行海洋溢油检测的研究，并且取得了良好的效果。A. D. Thruston等人利用不同油膜在荧光的作用下的反射强度和光谱形状的不同对油膜进行了分类（A. D. Thruston 1971）；Maged Marghany 用RADARSAT影像，并根据多普勒模型和拉格朗日模型对溢油的运动轨迹进行了预测（Maged Marghany  2004）；B. Jones利用合成孔径雷达影像，根据不同油膜反映出的不同颜色，用目测的方法对溢油厚度进行估算（B. Jones 2001，Camilla Brekke 2005）；Dr. Thomas和J. Murphy使用扫描辐射计也对油膜厚度进行了估算；美国和一些其他国家正在研究新的传感器来对油膜厚度进行估算（http://www.mms.gov/tarprojectcategories/remote.htm）。
2.3 小结
 综上所述，国内外海洋溢油监测的研究进展可以归纳为如下几点：
国内的研究主要基于光学遥感传感器，尽管利用微波遥感技术也对海洋溢油监测进行了研究，但研究的内容主要限于油膜边界的提取，研究的算法也相对简单，比如：比值和阈值算法。
国外的研究则侧重于微波遥感技术，研究的内容包括油模的位置、面积、周长、厚度及扩散的方向和速度等，但是计算精度和计算方法还存在许多不足。
 国内外溢油研究进展表明，在今后的研究应该把雷达检测海洋溢油当做研究的重点，并结合地理信息系统和数值模型等技术相结合，建立数据综合处理与分析预测的应急反应集成系统，为溢油事故的分析、应急反应方案的制定、以及损害评估等提供依据和技术支持。
3. 选题研究方案
3.1 选题研究目标、研究内容
 本文研究的目的拟通过SAR影像数据对溢油源、溢油种类及相关参数进行提取，为进一步海洋溢油的动态监测提供参考依据。因而，拟研究的主要内容包括：
 海面溢油波谱特性分析；
 SAR影像特性；
 溢油的提取；
 溢油面积和厚度提取；
 溢油扩散方向和扩散速度模型模拟。
3.2 拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析（已有的研究工作基础和研究条件）
 根据研究内容及拟解决的问题，暂拟定如下实验方案。（如图1所示）

图 1 实验方案
数据预处理：使用各种传感器对海上油污染进行探测并对所获取数据进行的处理其根本即在于增大油污与背景海水的反差，达到识别油污的目的。本文将通过适当的滤波算法对数据进行处理，以达到所需要的结果。
溢油提取：根据数据预处理的结果，通过油膜图像的灰度直方图，选取灰度变化最大的两峰之间的极小值作为阈值，从而对溢油区域进行提取。或采用小波分析法对溢油区域进行提取。
溢油面积提取：油污扩散面积的计算是研究海上油污染的重要问题，同时也是溢油量估算的前提和基础；准确地计算某一时刻油污在海面的扩散面积，可以更好的掌握油污在海面上的扩散以及漂移趋势，预测其走向，监测其变化。扩散面积是采用计算栅格数据面元面积的方法得到的，式（1）为其计算式：计算油污位置处的像元个数 N，与每一像元所代表的实际面积 s 相乘便得到油污在这一时刻的扩散面积 S，
 S ＝ N × s / b              （1）
 其中，b为目标区相对于原始图像放大的倍数。
溢油厚度提取：根据海洋动力参数或油膜粗糙度对溢油的厚度进行估算。
溢油扩散方向和扩散速度模型模拟：在得知溢油面积和油膜厚度，还有海洋环境动力参数的情况下，可根据油粒子模型对溢油的扩散方向和速度进行模拟。

 本文选自中国科学院地理科学与资源研究所与国家环境保护总局合作的“环境与灾害检测预报小卫星星座运行管理与应用系统工程”。而且是在和导师及课题组老师和同学多次交流的基础上提出的，课题组在“九五”和“十五”期间对海洋溢油检测也做了大量的研究并得到了许多丰硕的成果，同时积累了大量的宝贵经验，为本论文的开展提供了强有力的保障。
 除此之外，本人从2005年8月到现在也一直在从事水环境遥感检测的部分研究工作，尤其是运用SAR卫星数据和TM数据做了很多研究，这些研究工作将为本论文的撰写提供参考。
 因此，本人认为此方案可行。
3.3 选题研究及论文工作计划
 根据选题的研究内容及拟定的研究方法，暂定选题研究及论文工作计划如下：
2007年5月-6月 在已有的文献积累的基础上，进一步查找国内外最新的有关海洋溢油检测的文献资料，从理论、方法、应用等方面进行对目前海洋溢油检测进行归纳总结，汲取新的知识；
2007年7月-8月 溢油面积和厚度算法研究；
2007年9月-10月 溢油扩散方向和速度模型研究；
2007年11月-12月 对研究结果进行分析；
2008年1月-4月 论文撰写。
3.4 预期研究成果
预期的研究成果有：
从当代遥感探测海洋油污染的发展状况出发，将 SAR探测特点，确定了以 SAR数据为主的对大型油污染事件的研究方法；
根据SAR的特性和油膜特性对海洋溢油的面积、厚度、扩散方向和速度进行估算。

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