張煜洲，陳志莉，胡潭高，張登榮

(1. 杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院，浙江 杭州 310036；2. 浙江省城市濕地與區(qū)域變化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310036；3.后勤工程學(xué)院，重慶 沙坪壩 401311)

遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)海上溢油現(xiàn)狀及趨勢(shì)

張煜洲1,2，陳志莉3，胡潭高1,2，張登榮1,2

(1. 杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院，浙江 杭州 310036；2. 浙江省城市濕地與區(qū)域變化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310036；3.后勤工程學(xué)院，重慶 沙坪壩 401311)

海上溢油現(xiàn)已成為主要的海洋污染形式之一.根據(jù)常見的海上溢油監(jiān)測(cè)指標(biāo)：溢油范圍、溢油量、溢油類型，介紹了各個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的遙感傳感器與遙感監(jiān)測(cè)方法，并且綜合歸納了國(guó)內(nèi)外海上溢油的監(jiān)測(cè)能力與發(fā)展方向.從現(xiàn)有研究可以看出：遙感監(jiān)測(cè)海上溢油范圍發(fā)展最為成熟，并且已有業(yè)務(wù)化運(yùn)行的溢油系統(tǒng)出現(xiàn)；而遙感監(jiān)測(cè)溢油量與溢油類型仍然處于試驗(yàn)階段，發(fā)展還未成熟，也沒有涉及工程應(yīng)用.

海上溢油；溢油范圍；溢油量；溢油類型；遙感

0 引 言

海洋面積約占地球的71%，面積遼闊，儲(chǔ)水量巨大，是地球上最為穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，并且以其廣闊空間和豐富的資源，對(duì)全球生態(tài)環(huán)境起到巨大的調(diào)節(jié)作用.然而隨著工業(yè)的發(fā)展，海洋污染日趨嚴(yán)重，其中來自船舶、石油平臺(tái)、戰(zhàn)爭(zhēng)等的石油泄漏污染是主要影響因素之一.在所有海洋污染中，海上溢油污染無論在發(fā)生頻率、污染范圍，還是影響程度上都居于首位[1].同時(shí)，溢油事故容易導(dǎo)致大范圍火災(zāi)，對(duì)來往船舶、海上設(shè)施具有巨大的威脅[2].因此，開展快速有效的海上溢油監(jiān)測(cè)，對(duì)污染處理以及海洋生態(tài)環(huán)境恢復(fù)都有重要的意義.

針對(duì)海上溢油監(jiān)測(cè)的迫切需求，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者先后開展了多方面的研究.傳統(tǒng)的海洋溢油監(jiān)測(cè)方法有閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)(closed circuit television, CCTV)攝像、照相監(jiān)視系統(tǒng)、固定點(diǎn)傳感器監(jiān)視、浮子跟蹤監(jiān)視以及海洋監(jiān)測(cè)船舶監(jiān)視等.這些方法能夠從監(jiān)視器數(shù)據(jù)中得到較為準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，但是也存在許多不足，受限于測(cè)量?jī)x器的活動(dòng)范圍，往往只能監(jiān)測(cè)小區(qū)域內(nèi)的污染情況，而無法進(jìn)行大范圍的監(jiān)測(cè).另外，如果要建設(shè)完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本較高.因此，尋找一種新的技術(shù)手段，成為急需解決的問題.遙感技術(shù)是大范圍區(qū)域觀測(cè)的最佳手段，面對(duì)大范圍及動(dòng)態(tài)信息能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì).目前衛(wèi)星航天遙感技術(shù)給人們提供了解決海洋以及其他大范圍地區(qū)污染監(jiān)測(cè)的手段，也是現(xiàn)今公認(rèn)的最佳手段.另外，定量遙感技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)具有相當(dāng)?shù)哪芰?，從而能夠?qū)τ诤Ｑ笠缬臀廴具M(jìn)行特征定量分析，更準(zhǔn)確地反映污染情況與程度.

在海上溢油污染監(jiān)測(cè)過程中，準(zhǔn)確掌握污染物自身信息十分重要，通過對(duì)海上溢油污染不同過程的分析，目前主要監(jiān)測(cè)的油污自身指標(biāo)體系有：溢油類型(通過類型確定，分析油的密度、粘度、溶解度等性質(zhì))，溢油范圍(包括溢油面積、油污區(qū)域)，溢油量(通過監(jiān)測(cè)溢油厚度、溢油種類和溢油面積計(jì)算獲得)，溢油源類型(瞬時(shí)源，連續(xù)源；點(diǎn)源、面源、線源)，溢油溫度.在此，我們可將其歸納為三大類：溢油范圍、溢油量和溢油類型.溢油范圍是海上溢油監(jiān)測(cè)的首要指標(biāo)，由于發(fā)生海上突發(fā)溢油污染后，油膜會(huì)受風(fēng)、浪、流的影響，快速擴(kuò)散，因此在進(jìn)一步控制污染工作實(shí)施時(shí)，必須較準(zhǔn)確地了解油膜已發(fā)生擴(kuò)散的范圍，并且通過溢油擴(kuò)散方向和范圍估計(jì)發(fā)生溢油事故的位置.溢油量以油膜厚度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，它是衡量區(qū)域污染程度的重要指標(biāo)，也是監(jiān)測(cè)后實(shí)施控制的重要考慮指標(biāo).溢油類型的監(jiān)測(cè)，是指通過遙感方式反演發(fā)生溢油事故的油種，由于不同油種的波譜特征和擴(kuò)散方式有差別，并且控制污染時(shí)，不同油種的控制方式也有較大差異，故溢油種類的確定也是溢油污染監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo).

文章通過研究國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的海上溢油監(jiān)測(cè)方法，從海上溢油油膜的溢油范圍、溢油類型與溢油量3個(gè)基本特性的監(jiān)測(cè)角度出發(fā)，分別對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了全面的闡述，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合海上溢油遙感監(jiān)測(cè)的自身特征，分析了海上溢油應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì).

1 遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)海上溢油范圍

表1 溢油范圍遙感監(jiān)測(cè)手段

溢油范圍的監(jiān)測(cè)劃分，實(shí)際是遙感信息提取分類的過程.目前遙感分類的研究已經(jīng)趨于成熟，多種監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類以及面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ㄒ惨驯辉S多研究者提出.在溢油監(jiān)測(cè)研究中，關(guān)注的重點(diǎn)并不是選取何種分類器，而是選取何種遙感數(shù)據(jù)以及特征波段，如何進(jìn)行增強(qiáng)突出溢油區(qū)域光譜差異.

由于發(fā)生溢油災(zāi)害后，溢油區(qū)域水面電磁波譜特性迅速發(fā)生變化，對(duì)比周邊水體有明顯差別，利用這種光譜特性的差異可以劃分油水分界線，從而確定溢油范圍.溢油范圍的主要遙感監(jiān)測(cè)手段見表1.

1.1 可見光、近紅外紅外遙感技術(shù)

利用可見光、近紅外紅外波段的遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)溢油污染同樣也是發(fā)展最為成熟、應(yīng)用最為廣泛與有效的溢油范圍監(jiān)測(cè)技術(shù).在可見光、近紅外波段，入射物體表面的電磁波與物體間發(fā)生3種光學(xué)作用：反射、吸收和透射，傳感器記錄的信號(hào)來源于物體對(duì)入射電磁波的反射作用.由于不同地物對(duì)于不同波段電磁波具有不同的反射率，我們根據(jù)這種反射率的差異可以鑒別油膜與海水的差異.光譜室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究表明，不同油種以及不同厚度的海面油膜的光譜曲線具有較大的差異，衛(wèi)星遙感的最佳敏感波段也存在差異.例如在較清潔一類海水中，藍(lán)、綠光波段是最佳波段；而在較為渾濁的二類海水中，綠、紅光波段是其最佳波段[3].但是衛(wèi)星平臺(tái)的研究表明，在單個(gè)波段內(nèi)這種溢油物質(zhì)與背景海水間差異的對(duì)比度不大，并且受到傳感器觀測(cè)角度、大氣散射、水面波浪反射的太陽(yáng)光耀斑等的影響，Taylor在1992年對(duì)原油進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的光譜觀測(cè)與研究，發(fā)現(xiàn)其光譜曲線平直,沒有可以用于監(jiān)測(cè)原油的特征光譜,而且存在大量干擾或虛假信息[4].現(xiàn)在使用可見光、近紅外遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)溢油污染，通常會(huì)使用波段組合運(yùn)算、每個(gè)波段對(duì)比度增強(qiáng)運(yùn)算等實(shí)現(xiàn)油膜與背景海水分離，從而實(shí)現(xiàn)溢油區(qū)域信息提取.

美國(guó)早在1969年就使用機(jī)載可見光掃描儀對(duì)于井噴引起的溢油污染進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并且取得較好的效果，這也是遙感技術(shù)首次應(yīng)用到溢油污染監(jiān)測(cè)中.1980年，H.H White利用多種航空、衛(wèi)星平臺(tái)的可見光、近紅外傳感器對(duì)海上溢油的光譜特征進(jìn)行了大量研究[5].Cross等在1991年分別利用AVHRR數(shù)據(jù)對(duì)不同地區(qū)的溢油進(jìn)行探測(cè)[6].Salisbury等在1993年利用遙感手段研究了海上原油油膜的熱紅外波段監(jiān)測(cè)敏感性，并且證明利用熱紅外波段理論上可以從海水中提取油膜信息[7].1998年，美國(guó)NOAA環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)與信息中心(National Environmental Satellite, Data, and Information Service, NESDIS)在衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)海岸線、洋流、渦流、上升流、赤潮、海難等事故溢油的基礎(chǔ)上，提出了利用NOAA系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立的海上溢油報(bào)警系統(tǒng)[8].

隨著衛(wèi)星平臺(tái)傳感器的發(fā)展，多種包含可見光、近紅外波段的多光譜光學(xué)遙感傳感器被應(yīng)用到溢油監(jiān)測(cè)中.國(guó)家海洋局第一海洋研究所、大連海事大學(xué)等首先開始了我國(guó)遙感監(jiān)測(cè)海上溢油污染的試驗(yàn)工作.近些年來我國(guó)科技工作者開展了利用Landsat-TM、NOAA-AVHRR、Terra/Aqua-MODIS等數(shù)據(jù)，甚至SPOT，IKONOS等高分辨率多光譜數(shù)據(jù)識(shí)別海面溢油和估算溢油量，取得了一些成果.大連海事大學(xué)先后采用Landsat系列衛(wèi)星和NOAA系列衛(wèi)星對(duì)海洋環(huán)境大型溢油污染成功監(jiān)測(cè)了多次，應(yīng)用過程中能夠準(zhǔn)確定位溢油污染物的位置、面積、分布[9].陸應(yīng)誠(chéng)在2011年使用國(guó)產(chǎn)HJ-1CCD多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行美國(guó)墨西哥灣海域溢油進(jìn)行監(jiān)測(cè)，應(yīng)用決策樹方法提取了油膜范圍信息[2].通過對(duì)比數(shù)據(jù)源可以發(fā)現(xiàn)，早期的光學(xué)傳感器(如NOAA、SeaWiFS等)在溢油監(jiān)測(cè)上因其低空間分辨率受限，較高分辨率的傳感器(如Landsat、SPOT、IKONOS等)光譜通道少,時(shí)間分辨率低,不能提供短時(shí)間周期的觀測(cè)數(shù)據(jù).中等分辨率成像光譜儀MODIS較好地彌補(bǔ)了兩者的缺點(diǎn),可以提供每天的分辨率為250 m的觀測(cè)數(shù)據(jù).2006年，Adamo等結(jié)合MODIS、MERIS數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)溢油，并且對(duì)其漂移速度進(jìn)行估計(jì)[10].2009年，陳輝等利用MODIS數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)江口、委內(nèi)瑞拉的馬拉開波湖等4次事故進(jìn)行分析，利用多光譜信息，分析研究溢油在各個(gè)波段的特征，并確定能夠較明顯反映油膜特征的波段范圍，為可見光、近紅外波段遙感監(jiān)測(cè)溢油提供參考[11].

1.2 高光譜遙感技術(shù)

高光譜遙感技術(shù)相對(duì)于多光譜的優(yōu)勢(shì)之一就是能夠獲取地物接近連續(xù)光譜的能力，通過分析地物的波譜特征可以對(duì)多光譜遙感不能區(qū)分的假目標(biāo)進(jìn)行區(qū)分.在本質(zhì)原理上，高光譜遙感的溢油監(jiān)測(cè)應(yīng)用與可見光、近紅外多光譜遙感技術(shù)基本相同，區(qū)別在于高光譜相對(duì)于多光譜的波段寬度窄、波段數(shù)多等優(yōu)勢(shì)特有的能力.高光譜影像特有的立方數(shù)據(jù)特性，也帶來了許多研究的難點(diǎn)，如數(shù)據(jù)量龐大、大量數(shù)據(jù)冗余、混合像元波譜分析等.因此，應(yīng)用高光譜遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行海上溢油監(jiān)測(cè)研究時(shí)，必須首先進(jìn)行數(shù)據(jù)降維，降低各波長(zhǎng)數(shù)據(jù)的冗余度，選擇合適的波長(zhǎng)范圍以及波長(zhǎng)點(diǎn)進(jìn)行油膜分析，同時(shí)必須選擇適合的信息提取方式，或改進(jìn)現(xiàn)有信息提取方法從而使海量數(shù)據(jù)的信息提取精度達(dá)到要求.由于高光譜數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源進(jìn)行信息提取分類的復(fù)雜性，使用高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行溢油范圍提取研究還處于起步階段，尚未普及至工程應(yīng)用領(lǐng)域.

現(xiàn)階段，國(guó)外已有不少研究者對(duì)于高光譜油膜-海水模型做了理論與實(shí)驗(yàn)研究.2003年，F(xiàn)oudan等利用機(jī)載AVRIS高光譜數(shù)據(jù)，使用基于光譜角分類(spectral angle mapping, SAM)方法對(duì)圣巴巴拉海岸帶海面油膜進(jìn)行研究，結(jié)果表明分散的石油在580 nm、700 nm具有反射峰[12].Lennon在2005年使用ALS指數(shù)方法，提取多幅CASI-2高光譜影像中的油膜信息[13].國(guó)內(nèi)也有許多學(xué)者進(jìn)行了此方面的研究.2004年，卜志國(guó)應(yīng)用油膜-海水相對(duì)反射比與光譜角分類方法，對(duì)航空高光譜遙感溢油影像進(jìn)行信息提取[14].2009年陸應(yīng)誠(chéng)使用最小噪聲分離變換技術(shù)(minimum noise fraction rotation, MNF Rotation)與混合調(diào)制匹配濾波(mixture tuned matched filtering, MTMF)的方法，對(duì)Hyperion高光譜影像進(jìn)行溢油范圍提取[15].

由于受到環(huán)境、數(shù)據(jù)特點(diǎn)等多方面的影響，運(yùn)用高光譜遙感手段進(jìn)行海上溢油范圍信息提取是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用也處于起步階段，仍存在許多不足之處.并且多光譜數(shù)據(jù)在溢油范圍應(yīng)用時(shí)，數(shù)據(jù)源基本可以達(dá)到信息提取的要求，使用高光譜數(shù)據(jù)反而提高了數(shù)據(jù)處理的難度，從而降低了分類算法的運(yùn)算效率.當(dāng)然，高光譜數(shù)據(jù)包含的信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過多光譜數(shù)據(jù)，在信息提取分類算法提高的前提下，應(yīng)用前景依然很好.

1.3 微波雷達(dá)遙感技術(shù)

用于溢油范圍監(jiān)測(cè)的雷達(dá)主要有兩種，即合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar, SAR)和側(cè)視機(jī)載雷達(dá)(side-looking airborne radar, SLAR).后者是一種傳統(tǒng)式雷達(dá)，造價(jià)較低，它的空間分辨率與天線長(zhǎng)度有關(guān).合成孔徑技術(shù)則是利用多普勒效應(yīng)原理，依靠短天線達(dá)到高空間分辨率的目的.合成孔徑雷達(dá)如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到溢油范圍監(jiān)測(cè)中，并且被認(rèn)為是第二代海上溢油遙感監(jiān)測(cè)的重要手段.SAR傳感器通過接收遙感儀器主動(dòng)發(fā)出的電磁波束的回波信號(hào)，對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別和分析.海面的毛細(xì)波可以反射雷達(dá)波束，從而產(chǎn)生一種海面雜波，在SAR圖像中呈現(xiàn)“亮”圖像，油膜平滑了海水表面，致使雷達(dá)傳感器接收到的后向散射回波減少，在SAR圖像中呈現(xiàn)較暗的顏色.

然而，SAR圖像由于其成像方式的不同，與光學(xué)數(shù)據(jù)溢油范圍監(jiān)測(cè)方法差異很大，并且也受到多方面的限制.德國(guó)漢堡大學(xué)的研究人員在1999年，通過對(duì)3個(gè)海區(qū)(Baltic Sea，North Sea，Gulf of Lion)的660張ERS-2 SAR圖像分析表明，SAR圖像油膜檢測(cè)對(duì)于季節(jié)因素有依賴性，一般的，夏季較冬季探測(cè)到油膜的概率大很多；此研究同時(shí)也表明，時(shí)間上，上午比下午更容易探測(cè)到油膜[16].并且，有研究表明，SAR監(jiān)測(cè)海面溢油受海面風(fēng)速影響非常大，一般可監(jiān)測(cè)的風(fēng)速范圍為1.5～6 m/s[17].

國(guó)外學(xué)者對(duì)于微波雷達(dá)遙感溢油范圍監(jiān)測(cè)的研究較早.William Y.Tseng等于1998年利用ERS-1 SAR數(shù)據(jù)并結(jié)合NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)成功地監(jiān)測(cè)1991年波斯灣溢油事故[18].A.H.solberg相繼于1996、1999、2003、2004年對(duì)SAR半自動(dòng)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)海洋溢油進(jìn)行了深入的研究[19].我國(guó)的學(xué)者對(duì)于微波雷達(dá)遙感溢油范圍監(jiān)測(cè)同樣進(jìn)行了多項(xiàng)研究.薛皓潔等于2004年詳細(xì)總結(jié)了SAR數(shù)據(jù)油膜檢測(cè)方法的主要特點(diǎn)，分析了SAR圖像油膜檢測(cè)的一般步驟及實(shí)現(xiàn)方法[20].于五一等在2007年以2006年渤海灣溢油事故為例，Envisat平臺(tái)的ASAR數(shù)據(jù)，根據(jù)油膜后向散射特性的差異，準(zhǔn)確地計(jì)算了2006年3月23日海面油膜的污染面積(約400 km)，并且據(jù)此確定了污染源的位置[21].曲海超在2010年采用SAR圖像的紋理特征結(jié)合支持向量機(jī)(support vector machine, SVM)分類算法提取海上溢油信息[22].

星載雷達(dá)是目前最為有效的提供大范圍全天候溢油范圍監(jiān)測(cè)的遙感器，也將是重要的業(yè)務(wù)化發(fā)展方向，合成孔徑雷達(dá)遙感現(xiàn)已成為溢油監(jiān)測(cè)的重要手段.目前，挪威、德國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、英國(guó)、日本、巴西、新加坡、印度以及中國(guó)等都相繼開展了利用SAR監(jiān)測(cè)海洋溢油的多項(xiàng)研究工作，并取得了一些較為成功的研究成果[23].其中挪威的星載SAR數(shù)據(jù)溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入業(yè)務(wù)化應(yīng)用階段.

2 遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)海上溢油量

溢油量的確定取決于油膜厚度的確定，根據(jù)油膜厚度的分布以及溢油范圍的分布可以估算溢油總量.溢油厚度通過建立相關(guān)反演模型，通過算法估算而實(shí)現(xiàn).由于隨著油膜厚度的變化，入射油層的入射光在油膜以及水面下的輻射傳輸會(huì)有所不同，這正是建立油膜厚度反演模型的理論依據(jù).由于油膜對(duì)入射光的分子散射作用，使得油膜光譜反射率會(huì)隨著油膜厚度的變化而發(fā)生改變.

溢油量的監(jiān)測(cè)屬于定量遙感范疇，故受到各方面因素的影響，監(jiān)測(cè)可行性、精度都存在不足，不如溢油范圍監(jiān)測(cè)那么成熟.(表2)

表2 溢油量遙感監(jiān)測(cè)手段

2.1 紫外遙感技術(shù)

紫外傳感器可以對(duì)薄油層進(jìn)行探測(cè)，因?yàn)楸∮蛯?<0.05 μm)在紫外波段也會(huì)有很高的反射.通過紫外與紅外圖像的疊加分析，我們可以得到油層的相對(duì)厚度.紫外遙感容易受到外界環(huán)境因素的干擾，從而產(chǎn)生虛假信息，如太陽(yáng)耀斑、海表亮斑以及水生生物的干擾等.由于在紅外波段上，這些干擾所產(chǎn)生的影響有很大區(qū)別，所以兩者復(fù)合分析比單一紫外波段分析效果會(huì)更好.

目前，對(duì)于紫外遙感監(jiān)測(cè)溢油厚度的研究甚少，且由于紫外光譜獲取限制，一般都集中在實(shí)驗(yàn)室條件下.Mathieu Thoury等于2007年利用紫外熒光光譜法研究油膜的各項(xiàng)性質(zhì)，可以較為有效地監(jiān)測(cè)油膜厚度，從而確定溢油量[24].2009年，李丹在實(shí)驗(yàn)室條件下利用紫外分光光度法對(duì)不同濃度柴油、潤(rùn)滑油水樣進(jìn)行光譜試驗(yàn)[25].方四安等在2010年針對(duì)海洋溢油的紫外反射特性進(jìn)行研究，在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用汽油、煤油、柴油、潤(rùn)滑油4種石油副產(chǎn)品，設(shè)置100, 200, 400, 800 μm 4種不同厚度油膜進(jìn)行光譜試驗(yàn)[26].

2.2 熱紅外遙感技術(shù)

熱紅外波段包含了地物溫度信息，而油膜在一定厚度下吸收太陽(yáng)輻射，會(huì)將一部分輻射能量以熱能的形式釋放.因此，較厚油膜通常表現(xiàn)為“熱”特征，而中等厚度油膜通常表現(xiàn)為“冷”特征.Fingast等于1998年的研究證明，發(fā)生“冷”、“熱”轉(zhuǎn)換的油膜厚度在50～150 μm之間，而最小能探測(cè)厚度在20～70 μm之間，厚度區(qū)間很小，而傳感器敏感性也受限制[27].楊娜等于2006年利用星載AVHRR紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行溢油污染監(jiān)測(cè)，其中將溢油厚度分成中心區(qū)、擴(kuò)散區(qū)、模糊區(qū)從而估算溢油量，然而這樣的估算方法存在很大的誤差，仍然有待提高[28].

2.3 微波雷達(dá)遙感技術(shù)

微波雷達(dá)遙感也是一種監(jiān)測(cè)溢油量的手段，通常被動(dòng)式的微波輻射計(jì)可以較好地反映油膜厚度.O′Neil等在1983年提出，海洋海水本身會(huì)發(fā)射微波輻射，而海上油膜區(qū)域會(huì)發(fā)射比海水本身更強(qiáng)的微波信號(hào)(水的發(fā)射率約為0.4，而油約為0.8)，因而在海水背景中，溢油區(qū)域呈現(xiàn)亮信號(hào)，并且信號(hào)強(qiáng)弱與油膜厚度具有一定相關(guān)性[29].國(guó)內(nèi)學(xué)者也做了相應(yīng)的研究.鄭全安等于1988年在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了多種厚度、種類油膜微波輻射特性和物理機(jī)制的研究[30].逄愛梅等在2003年利用“灰體室”的環(huán)境條件及測(cè)量方法，對(duì)多種油膜的微波發(fā)射率與厚度之間的關(guān)系進(jìn)行研究[31].

由于油膜厚度的微波遙感定量技術(shù)受到環(huán)境、傳感器敏感度等多方面影響，精度仍然有待提高，Mussetto等早在1994年就提出，油膜水體微波信號(hào)與油膜厚度間相關(guān)性較弱，除油膜厚度之外，其他諸多因素也可以影響信號(hào)的強(qiáng)度[32].國(guó)際上也開始研究微波輻射計(jì)應(yīng)用的新方法，通過對(duì)比2個(gè)正交極化方向上的強(qiáng)度，以測(cè)量油層厚度.

3 遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)海上溢油類型

表3 溢油類型遙感監(jiān)測(cè)手段

判斷溢油類型的問題，實(shí)質(zhì)上是模式識(shí)別問題，同樣也是溢油遙感監(jiān)測(cè)中較為難以實(shí)現(xiàn)的問題.通常，衛(wèi)星遙感信息并不足以滿足溢油類型監(jiān)測(cè)的需求，還需要結(jié)合地面遙感數(shù)據(jù)以及其他周邊監(jiān)測(cè)手段的輔助支持.然而，發(fā)生溢油事故的油種有限，常見類型有原油、柴油、煤油、汽油以及潤(rùn)滑油等，這些油種的光譜特性在不同波長(zhǎng)處會(huì)存在較大差異，通過對(duì)于不同油種以及不同厚度反射率實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立特征曲線數(shù)據(jù)庫(kù)，再將衛(wèi)星數(shù)據(jù)與光譜庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，可以初步判定溢油的油種.

同樣，溢油類型的監(jiān)測(cè)(表3)也涉及定量遙感技術(shù)，在現(xiàn)有的傳感器以及監(jiān)測(cè)技術(shù)的限制下，沒有溢油范圍監(jiān)測(cè)發(fā)展得成熟.

3.1 激光熒光遙感技術(shù)

激光熒光法是以激光為激勵(lì)光源，激發(fā)物質(zhì)的熒光效應(yīng)，利用熒光光譜作為信息提取的輸入源的熒光光譜分析方法.當(dāng)物質(zhì)被電磁波(光波)照射時(shí)，處于基態(tài)的物質(zhì)分子將吸收輻射光能量，由原來的能級(jí)躍遷到較高的第一電子單線激發(fā)態(tài)或者第二電子激發(fā)態(tài).通常情況下，躍遷的電子會(huì)急劇地降落至最低振動(dòng)能級(jí)，并且以光的形式釋放能量，即所謂的熒光.每種物質(zhì)均可發(fā)射其特有的熒光譜，熒光光譜取決于基態(tài)中能級(jí)分布的情況，而與激勵(lì)光源無關(guān)，因此物質(zhì)的熒光譜是鑒別物質(zhì)的一個(gè)重要手段.由于不同石油油膜中所含有的熒光基質(zhì)種類以及各類基質(zhì)比例的不同，在相同激勵(lì)條件下所得到的熒光譜通常具有不同的強(qiáng)度和形狀，這種差異就可以作為鑒別溢油種類的依據(jù).理論上，利用該特性進(jìn)行溢油種類的遙感識(shí)別是可行的.利用紫外波段輻射利于吸收以及激光的單色性、方向性和高亮度的特點(diǎn)，可以進(jìn)一步提高信息提取的靈敏度以及分辨率.

國(guó)內(nèi)外對(duì)于激光熒光鑒別溢油種類進(jìn)行了許多研究，F(xiàn)antasia等早在1970年就著手研究激光激勵(lì)油熒光的方法，用于檢測(cè)海洋環(huán)境中的溢油污染，并且探索確定溢油范圍，甚至溢油種類和溢油量的可行性[33]，他指出，熒光峰值波長(zhǎng)，熒光壽命以及熒光效率都可以作為識(shí)別原油種類的參量.1976年，J. Phillp等提出了同步熒光法鑒別原油種類，并且闡述了這種方法的影響因素[34].國(guó)內(nèi)的研究起步于20世紀(jì)80年代，徐基蘅于1983利用熒光光度法對(duì)3種原油、船舶常用燃料油以及船舶常用機(jī)油進(jìn)行鑒別研究，同時(shí)研究了風(fēng)蝕、碎滅以及溶劑對(duì)熒光光譜的影響[35].陳海菊等于2008年使用激光熒光法與SVM分類器實(shí)現(xiàn)油膜類別的識(shí)別[36].

3.2 高光譜遙感技術(shù)

在溢油種類監(jiān)測(cè)時(shí)，需要得到足夠多的光譜信息，高光譜以其波段寬度窄與波段數(shù)量龐大的特點(diǎn)，成為溢油種類監(jiān)測(cè)的可行手段.2001年，J. Plaza等使用光譜混合分析法對(duì)溢油高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，鑒別溢油的種類[37].

我國(guó)一些學(xué)者也對(duì)高光譜遙感監(jiān)測(cè)溢油類型進(jìn)行了相應(yīng)的研究，2010年，楊倩倩在實(shí)驗(yàn)室條件下分別利用GA-PCA特征提取算法與SAM-SFF方法對(duì)不同油種的高光譜波譜進(jìn)行特征提取，鑒別油種的差異，并且評(píng)價(jià)2種算法的結(jié)果[38].何瑩在2011年利用Hyerion高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行溢油監(jiān)測(cè)研究，對(duì)于多種原油的高光譜波譜進(jìn)行分析，并且利用SAM方法進(jìn)行溢油類型的信息提取[39].

3.3 紅外偏振遙感技術(shù)

被動(dòng)傅里葉變換紅外遙感(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)是一種較為新穎的遙感監(jiān)測(cè)手段，它是一種檢測(cè)多原子分子的方法，可以實(shí)現(xiàn)多組目標(biāo)的同時(shí)檢測(cè)與鑒別.相比傳統(tǒng)的熱紅外遙感，熱紅外偏振遙感除了能夠獲得目標(biāo)的電磁波強(qiáng)度以外，還能獲取目標(biāo)表面狀態(tài)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等本身特性有關(guān)的偏振信息，因此也更加有益于對(duì)目標(biāo)的識(shí)別.袁越明在2011年利用差分偏振FTIR光譜法探測(cè)溢油種類，通過獲取分析差分偏振FTIR光譜，分析水平、垂直兩個(gè)偏振方向的強(qiáng)度信息，直接探測(cè)水面溢油，并且證實(shí)了此方法可以識(shí)別水面溢油的種類[40].

4 結(jié)論與展望

基于航天遙感技術(shù)的突發(fā)環(huán)境污染遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，主要的遙感技術(shù)類型包括：可見光-紅外遙感技術(shù)、熱紅外遙感技術(shù)、高光譜遙感技術(shù)、微波雷達(dá)技術(shù).1)可見光-紅外遙感技術(shù).由于可見光-紅外遙感技術(shù)具有遙感圖像獲取簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、污染信息提取技術(shù)較為成熟等優(yōu)點(diǎn)，使得該類遙感技術(shù)在環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中應(yīng)用最為廣泛，但是它對(duì)天氣條件依賴嚴(yán)重，只能在白天工作，另外紅外遙感技術(shù)無法區(qū)分海洋浮游植物與溢油，這在一定程度上限制了其在突發(fā)環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用.2)熱紅外遙感技術(shù).由于具有對(duì)溫度的高度敏感性特征，因此也被廣泛應(yīng)用到環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中，但是由于只對(duì)溫度較為敏感，使得其無法應(yīng)用到不會(huì)對(duì)周邊溫度產(chǎn)生較大影響的環(huán)境污染事件.3)高光譜遙感技術(shù).由于具有很高的光譜分辨率，因此它對(duì)于識(shí)別污染的種類(例如油品、大氣成份等)能夠發(fā)揮獨(dú)特的作用，因此在海上溢油類型監(jiān)測(cè)、突發(fā)有機(jī)物大氣污染類型監(jiān)測(cè)研究中具有重要的應(yīng)用.但是，由于目前高光譜遙感數(shù)據(jù)在提高光譜分辨率的同時(shí)，往往需要犧牲空間分辨率，因此其在識(shí)別污染范圍等信息的能力相對(duì)薄弱.4)微波雷達(dá)技術(shù).是一種主動(dòng)微波遙感技術(shù)，具有不受天氣狀況影響的全天時(shí)、全天候成像能力和對(duì)地物表面粗糙度狀況精細(xì)的探測(cè)能力，在海上石油污染監(jiān)督中發(fā)揮著重要作用.在海洋表面風(fēng)速不大(小于3～4 m/s)的情況下，分辨率很低(100 m左右)的雷達(dá)傳感器就能有效地監(jiān)測(cè)到油層厚度很薄的污染物，目前成像雷達(dá)技術(shù)已從單波段單極化向多波段、多極化和極化干涉雷達(dá)技術(shù)發(fā)展，有望在環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中進(jìn)一步拓展并提高監(jiān)測(cè)技術(shù)水平，但尚需在信息提取和處理方面開展進(jìn)一步研究.

如今海上溢油的遙感監(jiān)測(cè)發(fā)展仍然處于不斷深入的技術(shù)攻堅(jiān)時(shí)期，發(fā)展方向根據(jù)研究切入點(diǎn)的不同也是多元化的.海上溢油遙感監(jiān)測(cè)發(fā)展方向主要有以下幾方面：

1) 傳感器等硬件設(shè)備的性能不斷提高.如今遙感傳感器進(jìn)步迅猛，這將進(jìn)一步推動(dòng)溢油遙感探測(cè)研究的深入與業(yè)務(wù)化工作的開展.無需制冷設(shè)備的熱紅外探測(cè)器不僅使儀器體積大大減小，復(fù)雜程度大大降低，同時(shí)也降低了成本，并且具備了更高的探測(cè)靈敏度，同時(shí)逐步商品化.另外伴隨著激光技術(shù)，將大大減小儀器尺寸和激光遙感的能耗[3].這將促進(jìn)小型、運(yùn)行費(fèi)較低的飛機(jī)或無人機(jī)搭載儀器探測(cè).

2) 紅外偏振遙感技術(shù)的深入研究.紅外偏振遙感是較為新穎的遙感技術(shù)，其不僅僅能夠得到被測(cè)物體的紅外反射信息，同時(shí)能夠得到正交方向的兩個(gè)偏正信息.相對(duì)于傳統(tǒng)紅外遙感技術(shù)，其得到的信息量相對(duì)較大，能監(jiān)測(cè)溢油的信息也將更多.目前紅外偏振方法處于研究初期，相信發(fā)展成熟后將是監(jiān)測(cè)溢油的有效方法.

3) 星載雷達(dá)(SAR)數(shù)據(jù)的不斷發(fā)展.SAR是現(xiàn)今唯一可以提供大范圍全天候溢油監(jiān)測(cè)，并且不受云霧等天氣影響的遙感器，將是重要的業(yè)務(wù)化發(fā)展方向.目前，SAR的應(yīng)用限制是受衛(wèi)星的地面覆蓋周期、分辨率等因素影響，監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性較差，因而在一定程度上限制了其在溢油監(jiān)測(cè)中的效果，但是其仍然具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景.

4) 高光譜數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究不斷深入.高光譜數(shù)據(jù)毋庸置疑擁有巨大的信息量，利用高光譜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)海上溢油信息，目前已經(jīng)能夠提取出溢油油種信息，但方法尚處在初步研究階段，其結(jié)果精度尚有待提高.同時(shí)，高光譜數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)處理過程也有較高的要求.隨著傳感器記錄硬件的提高，很有可能會(huì)帶來高光譜遙感技術(shù)的巨大突破，同時(shí)，高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理方法的提高，也會(huì)促進(jìn)高光譜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)溢油技術(shù)的深入發(fā)展.

5) 多源多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)的融合.多源數(shù)據(jù)共同融合利用是遙感技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，不同時(shí)間、空間以及光譜分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)的融合使用，不僅可以提供大量的數(shù)據(jù)源對(duì)溢油污染進(jìn)行判定，提高監(jiān)測(cè)的正確性，同時(shí)可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，對(duì)溢油污染監(jiān)測(cè)的不同指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè).

6) 海上溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不斷完善.溢油遙感技術(shù)業(yè)務(wù)化發(fā)展的重要前提是相應(yīng)的溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完善，實(shí)現(xiàn)溢油監(jiān)測(cè)所有環(huán)節(jié)的系統(tǒng)集成以及遙感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)融合，并結(jié)合地理信息技術(shù)與相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合處理、分析，最終評(píng)估溢油情況.

[1] 李棲筠,陳維英,肖乾廣，等．老鐵山水道溢油事故衛(wèi)星監(jiān)測(cè)[J].環(huán)境遙感,1994,9(4):256-262．

[2] 李四海.海上溢油遙感探測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展[J].遙感信息,2004(2):53-56.

[3] 陸應(yīng)誠(chéng),陳君穎,包穎，等.基于HJ-1星CCD數(shù)據(jù)的溢油遙感特性分析與信息提取[J].中國(guó)科學(xué)：增刊,2011,41:193-201.

[4] Taylor S. 0.45 to 1.1 um spectra of prude crude oil and of beach materials in Prince William Sound[C]// Alaska, CRREL Special Report No. 92-5, Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire,1992.

[5] White H H. Application of remote sensing on sea surface pollution[J]. Sea Technology,1981(1):15-19.

[6] Cross A. Monitoring marine oil pollution using AVHRR data: observation off the coast of Kuwait and Saudi Arabia during January 1999[J]. International Journal of Remote Sensing，1992，13(4):781-788.

[7] Salisbury J W, D′Aria D M, Sabins Jr F F. Thermal infrared remote sensing of crude oil slicks[J]. Remote Sensing of Environment,1993,45(2):225-231.

[8] Eosat. Prince william sound oil spill[J]. Landsat Data Users Note,1989,4(2):56-60.

[9] 李穎,劉丙新,蘭國(guó)新,等.有冰海區(qū)油膜光譜特征研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2010,30(4):1018-1021.

[10] Adamo M, De Carolis G, De Pasquale V G. Pasquariello-on the combined use of sun glint Modis and Meris signatures and SAR data to detect oil slicks [C]//SPIE Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, and Large Water Regions. Stockholm, Sweden,2006.

[11] 陳輝,趙朝方.MODIS多光譜信息在海上溢油檢測(cè)中的應(yīng)用[J].海洋湖沼通報(bào),2009(3):46-52

[12] Foudan Salem. Hyperspectral remote sensing: A new approach for oil spill detection and analysis[D]. USA: George Mason University,2003.

[13] Lennon M, Babichenko S, Thomas N,etal. Combined passive hyperspectral imagery and active fluorescence laser spectroscopy for airborne quantitative mapping of oil slicks at sea[C]//Proceedings of 4th EARSeL Workshop on Imaging Spectroscopy,2005.

[14] 卜志國(guó).航空高光譜遙感赤潮與油污染水體信息提取[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué),2004.

[15] 陸應(yīng)誠(chéng),田慶久,宋鵬飛，等.海面油膜高光譜遙感信息提取[J].遙感學(xué)報(bào),2009,13(4):691-695.

[16] Gade M, Alpers W. Using ERS-2 SAR Images for routine observation of marine pollution in European coastal waters[J]. The Science of the Total Environment,1999,237/238:441-448.

[17] Huhnerfuss H, Alpers W, Dannhauer H，etal. Natural and man-made sea slicks in the North Sea investigated by a helicopter-borne 5 frequency radar scatterometer[J]. International Journal of Remote Sensing,1996,17(8):1567-1582.

[18] Tseng W Y, Liu K A, Willanm G P. Satellite remote sensing of oil spills in NOAA/NESDIS[J]. Remote Sensing of Environment,1998,45(2):225-231.

[19] Anne H S Solbe, Geir Storvik, Rune Solberg,etal. Automatic detection of oil spills in ERS SAR images[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,1999,37(4):1916-1924.

[20] 薛浩潔,種勁松.SAR圖像海洋表面油膜檢測(cè)方法[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2004,19(4):290-294.

[21] 于五一,李進(jìn),邵蕓，等.海上油氣勘探開發(fā)中的溢油遙感監(jiān)測(cè)技術(shù):以渤海灣海域?yàn)槔齕J].石油勘探與開發(fā)，2007,34(3):378-383.

[22] 曲海超,薄華,張偉偉.基于紋理特征和SVM的SAR圖像溢油檢測(cè)方法[J].信息技術(shù),2010(11):90-93.

[23] 王俊.SAR影像溢油目標(biāo)邊緣提取方法及實(shí)現(xiàn)[D].大連：大連海事大學(xué),2007.

[24] Mathieu Thoury, Mady Elias, Jean Maricetal. Nonde structive varnish identification by ultraviolet fluorescence spectroscopy[J]. Applied Spectroscopy,2007,61(12):1275-1282.

[25] 方四安,黃小仙,伊達(dá)一，等.海洋溢油模擬目標(biāo)的紫外反射特性研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2010,30(3):738-742.

[26] 李丹.紫外熒光法水中油檢測(cè)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)的研究[D].天津：天津大學(xué),2009.

[27] Fingas M F, Brown C E, Mullin J V. The visibility limits of oil on water and remote sensing thickness detection limits [C]//Proceedings of the Fifth Thematic Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments, Environmental Research Institute of Michigan, Ann Arbor, Michigan,1998：411-418.

[28] 楊娜,趙朝方.星載紅外數(shù)據(jù)應(yīng)用于大型事故溢油[J].地理空間信息,2006,4(2):63-65.

[29] O′Neil R A, Neville R A, Thompson V. The arctic marine oil spill program(AMOP), remote sensing study[R]. Environment Canada Report EPS 4-EC-83-3, Ottawa, Ontario,1983：257

[30] 鄭全安,孫元福,逢愛梅，等.水面油膜微波輻射特性實(shí)驗(yàn)室測(cè)量與物理機(jī)制研究[J].海洋學(xué)報(bào),1988,10(6):757-763.

[31] 逄愛梅,孫元福.水面油膜微波輻射特性實(shí)驗(yàn)室測(cè)量與分析[J].海岸工程,2003,22(4):36-41.

[32] Mussetto M S, Yujiri L, Dixon D P,etal. Passive millimeter wave radiometric sensing of oil spills[C]//Proceeding of the Second Thematic Conference on Remote Sensing for Marine and coastal Environments: Needs, Solution and Applications, ERIM Conference, Ann Arbor, Michigan,1994:35-46.

[33] Measures R M, Bristow M. The development of a laser flourosensor for remote environmental probing[J]. Can Space J,1971,17:421.

[34] Phillp John, Lan Soutar. Identification of crude oils by synchronous excitation spectrofluorimetry[J]. Analytical Chemistrs,1976,48(3):520-524.

[35] 徐基蘅.熒光光譜法鑒別海上溢油[J].海洋環(huán)境科學(xué),1983,2(2):76-91.

[36] 陳海菊,安居白,劉建鑫.基于SVM的激光誘導(dǎo)熒光遙感識(shí)別海面溢油[J].應(yīng)用能源技術(shù),2008(2):6-9.

[37] Plaza J，Perez R，Plzaa A，etal. Mapping oil spill on sea water using spectral mixture analysis of hyperspectral image data[C]// Proc. of SPIE 5995, Chemical and Biological Standoff Detection III, 599509,2005.doi:10.1117/12.631149.

[38] 楊倩倩.高光譜溢油圖像特征提取在油種識(shí)別中的應(yīng)用[D].大連：大連海事大學(xué),2010.

[39] 何瑩.海上溢油高光譜監(jiān)測(cè)研究[D].大連：大連海事大學(xué),2011.

[40] 袁越明,熊偉,方勇華，等.差分偏振FTIR光譜法探測(cè)水面溢油污染的模型分析[J].紅外與激光工程,2011,40(3):408-412.

StatusandTrendsofRemoteSensingTechnologytoMonitorMarineOilSpill

ZHANG Yuzhou1,2, CHENG Zhili3, HU Tangao1,2, ZHANG Dengrong1,2

(1. Remote Sensing and Earth Sciences Research Institute, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China;2. Key Laboratory of Zhejiang City Wetland and Regional Changes, Hangzhou 310036, China;3. Logistical Engineering College, Chongqing 401311, China)

Marine oil spill has now become a major form of marine pollution. This paper introduced remote sensing sensors and remote sensing monitoring methods based on the extent of oil spill, the oil spill quantity and the oil spill type, and also summarized the monitoring capabilities and development directions of domestic and international marine oil spill. From the existing researches, it can be seen that remote sensing monitoring of oil spills extent is the most mature, and there has appeared operational running oil spill system already. But the monitoring of oil spill quantity and oil spill type is still at an experimental stage, the development of which is not yet ripe, nor involves in engineering applications.

marine oil spill; extent of oil spill; oil spill quantity; oil spill type; remote sensing

2012-08-03

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2011AA7013037)；自主海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星微波遙感處理技術(shù)研究示范(201105032-8).

胡潭高(1983—)，男，講師，博士，主要從事資源與環(huán)境信息的遙感提取技術(shù)研究.E-mail：hutangao@163.com

10.3969/j.issn.1674-232X.2013.01.016

TP79；X55

A

1674-232X(2013)01-0081-08