王娟，單春芝，宋文鵬，孫樂(lè)成，劉旭東(1.國(guó)家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 青島 266033; 2. 國(guó)家海洋局海洋溢油鑒別與損害評(píng)估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033)

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基于圖像分割的油膜厚度計(jì)算及其光譜相關(guān)性分析*

王娟1，2，單春芝1，2，宋文鵬1，2，孫樂(lè)成1，2，劉旭東1，2
(1.國(guó)家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 青島 266033; 2. 國(guó)家海洋局海洋溢油鑒別與損害評(píng)估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033)

以渤海原油為油樣，利用ASD地物光譜儀開(kāi)展油膜光譜測(cè)量，針對(duì)油膜光譜實(shí)驗(yàn)過(guò)程中油膜厚度難以控制的問(wèn)題，改進(jìn)布設(shè)油膜的方式，利用定量滴定和圖像分割方法完成油膜厚度計(jì)算，并開(kāi)展油膜光譜特性及其與油膜厚度的相關(guān)性分析。研究表明，油膜厚度計(jì)算方法可信度較高，能夠較真實(shí)地計(jì)算出油膜厚度；油膜光譜在350～900 nm范圍內(nèi)較為平滑，油膜厚度及其光譜在可見(jiàn)光波段具有較高的相關(guān)性，900 nm之前具有較好的相關(guān)性且為正相關(guān)，在600～800 nm之間相關(guān)性達(dá)到最高，波長(zhǎng)在900 nm之后油膜厚度與其光譜無(wú)明顯相關(guān)性；油膜光譜在761 nm處有峰值存在，此處可以作為判斷油膜存在以及油膜厚度反演的敏感波段；利用645 nm以及761 nm波段建立油膜厚度與反射光譜的相關(guān)模型，能夠清晰地顯示油膜厚度與其光譜在可見(jiàn)光波段具有較強(qiáng)的相關(guān)性，分析結(jié)果能夠?yàn)楹罄m(xù)遙感方法溢油量反演提供可信的參考。

油膜；光譜；相關(guān)性；圖像分割

1 引言

通過(guò)分析油膜的地物光譜特征，可以識(shí)別、監(jiān)測(cè)海上溢油的發(fā)生、發(fā)展?fàn)顩r，甚至可以根據(jù)典型相關(guān)譜段與油膜厚度的相關(guān)性開(kāi)展溢油量反演，國(guó)內(nèi)外已有大量相關(guān)研究，Palmer等[1]分析1993年Shetlands群島的溢油事件時(shí)，指出海洋中分散原油隨濃度不同在700 nm、740 nm、800 nm處反射率也不同，440～900nm可用來(lái)進(jìn)行溢油油膜信息提取的有效譜段。Foudan[2]的研究表明，擴(kuò)散開(kāi)的油膜在580 nm、700 nm具有強(qiáng)的反射峰，600～900 nm范圍光譜反射具有最大的油膜遙感探測(cè)可能性。Valborg[3]在其博士論文中分析不同油類、不同厚度的油膜在400～850 nm光譜通道的表現(xiàn)。趙冬至等[4]總結(jié)了柴油、潤(rùn)滑油、原油等3種油膜隨厚度變化的光譜特征，指出736 nm和774 nm對(duì)不同的油類具有相同的吸收特征，揭示了油膜隨厚度變化的光譜特征、油水反差規(guī)律及吸收特征參數(shù)等。在可見(jiàn)光波段，隨原油油膜厚度的增加，反射率呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。張永寧等[5]分析了海洋溢油波譜特征，指出500～580 nm是不同油膜最高反射率的所在位置；此外近紅外光譜可用來(lái)鑒別不同的溢油種類，提出利用TM和AVHRR數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)煤油、輕柴油、潤(rùn)滑油、重柴油和原油的最佳波段組合。付玉慧等[6]通過(guò)原油、重柴油、輕柴油、潤(rùn)滑油和煤油溢油波譜特征測(cè)試分析，繪制各油種不同厚度時(shí)光譜特征曲線圖，篩選出各種油膜不同厚度時(shí)的最佳衛(wèi)星通道組合與增強(qiáng)處理模式。陸應(yīng)誠(chéng)等[7]結(jié)合海面甚薄油膜光譜響應(yīng)特征分析，指出海面甚薄油膜存在平行多光束干涉現(xiàn)象，入射到薄膜內(nèi)的光由于多次反射和折射導(dǎo)致了海面可見(jiàn)光/近紅外光譜反射率的增加，為海面甚薄油膜遙感探測(cè)提供了理論依據(jù)。李穎等[8]通過(guò)測(cè)量海水、碎冰、整冰等不同背景條件下輕柴油和原油油膜的可見(jiàn)光一近紅外光譜反射率曲線，并與潔凈的海水、碎冰和平整冰光譜曲線進(jìn)行比較，得到能有效識(shí)別冰區(qū)溢油的波段。

由于油膜厚度在實(shí)驗(yàn)過(guò)程難以精確控制，本文通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，利用定量滴定和圖像分割的方法，計(jì)算實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的油膜厚度，通過(guò)油膜各波段的相關(guān)性分析，提取最相關(guān)譜段，開(kāi)展油膜厚度與其光譜相關(guān)模型的研究。

2 油膜實(shí)驗(yàn)

2.1 油樣數(shù)據(jù)

通過(guò)國(guó)家海洋局海洋溢油鑒別與損害評(píng)估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的油指紋庫(kù)獲得原油油樣，樣品按照實(shí)驗(yàn)室規(guī)定利用棕色瓶，封裝冷藏保存。樣品為重質(zhì)油，分析其氣相色譜圖得知，正構(gòu)烷烴已被嚴(yán)重降解。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

ASD(350～2 500 nm)光譜儀，筆記本電腦1臺(tái)，1 mL注射器多支，相機(jī)，探頭支架，灰板，黑色棉布，不沾油桶5個(gè)，水桶1個(gè)(圖1)。

圖1 油膜光譜采集實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

本課題中油膜光譜實(shí)驗(yàn)在自然光照條件下進(jìn)行，天氣要求晴朗無(wú)云、無(wú)風(fēng)、干燥，場(chǎng)地要求開(kāi)闊、無(wú)遮擋物、無(wú)強(qiáng)反射體。

針對(duì)油膜重復(fù)滴入無(wú)法擴(kuò)散的問(wèn)題，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，每次測(cè)量5組厚度油膜，利用注射器控制每次滴入桶內(nèi)的油量，保證每次都是一次滴入，使油膜擴(kuò)散后能形成較為連續(xù)且均勻的油膜。待靜置一段時(shí)間后，基本無(wú)擴(kuò)散處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，每5 min同時(shí)采集光譜和油膜分布圖像，直至油膜完全處于均勻分布狀態(tài)。采集完后，清洗不沾油桶，重復(fù)以上步驟，完成不同厚度油膜光譜數(shù)據(jù)采集。此實(shí)驗(yàn)過(guò)程能充分保證油膜的均勻連續(xù)性，且與滴入油量形成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)圖像處理完成油膜面積及厚度精確計(jì)算。

3 油膜厚度計(jì)算

為實(shí)現(xiàn)油膜實(shí)驗(yàn)厚度控制方法的優(yōu)化，本研究在控制滴入油量的前提下，利用相機(jī)完成現(xiàn)場(chǎng)油膜擴(kuò)散狀態(tài)的記錄，同步開(kāi)展此狀態(tài)下的光譜測(cè)量。篩選油膜停止擴(kuò)散，處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的圖像和同步光譜作為均勻厚度的可用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)油膜與水體灰度閾值的不同，利用圖像分割方法，實(shí)現(xiàn)油膜面積的相對(duì)準(zhǔn)確計(jì)算，進(jìn)而可求算出油膜厚度，根據(jù)油膜厚度對(duì)應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)分析光譜隨厚度的變化情況。

以油樣0.1 mL時(shí)測(cè)量結(jié)果為例，圖2為相機(jī)原始記錄相片，根據(jù)多幅照片比對(duì)，此時(shí)油膜已靜置較長(zhǎng)時(shí)間，基本不再擴(kuò)散，處于穩(wěn)定狀態(tài)，油膜分布較為均勻，但并未覆蓋整個(gè)桶口。

圖2 油膜原始照片

對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理得到圖3所示結(jié)果，去除桶口外其他因素的影響，只留下桶口內(nèi)圖像。

圖3 照片初次處理后結(jié)果

油膜直方圖分布如圖4所示，可看出，同口內(nèi)灰度分布成像雙峰的特點(diǎn)，油膜像元占有較大比例，故油膜灰度處在后峰值處，前峰值為水體本底灰度分布區(qū)域，設(shè)置閾值為130，利用單閾值分割方法實(shí)現(xiàn)油膜提取，得到分割結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖4 油膜直方圖

圖5 油膜照片分割后結(jié)果

由(2)步驟中可以獲得油膜與桶口像素的比例關(guān)系k，直桶口直徑為d，根據(jù)每次滴入桶內(nèi)油滴的體積v可以計(jì)算出光譜測(cè)量是桶內(nèi)油膜的厚度h為S桶=π(d/2)2；S油膜=kS桶；h=v/S油膜

利用以上方法計(jì)算19次滴入油量所對(duì)應(yīng)的厚度(如表1)，由于實(shí)驗(yàn)用不沾油桶口面積固定，油膜厚度與滴入油量呈現(xiàn)較強(qiáng)的線性關(guān)系，如圖6所示，分析油量與厚度的相關(guān)性可知，其復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.908 7，可以認(rèn)為利用圖像分割的方法能較真實(shí)地計(jì)算油膜擴(kuò)散后的厚度。

表1 油膜厚度計(jì)算結(jié)果

序號(hào)桶口像素/個(gè)油膜像素/個(gè)分割閾值比值桶口實(shí)際面積/cm2油量/mL油膜厚度/μm1218236619030161050.87165.130.053.472241090420933931150.87165.130.106.973285321623951401250.84165.130.107.214266952721566151150.81165.130.107.50

續(xù)表

圖6 滴入油量與油膜厚度相關(guān)性分析

4 油膜厚度與光譜相關(guān)性分析

4.1 光譜特征

處理后的油樣光譜曲線如圖7所示，從圖中可看出，油膜光譜在350～900 nm范圍內(nèi)較為平滑，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，在1 000 nm以后的波長(zhǎng)范圍內(nèi)光譜由于受到大氣、水汽等影響，油膜光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，在1 400～1 500 nm以及1 800～2 000 nm處受水汽影響，整個(gè)光譜出現(xiàn)較大波動(dòng)，此處為典型的水汽吸收波段。在可見(jiàn)光波段內(nèi)，由于受本底水體光譜的影響，油膜反射率呈隨波長(zhǎng)增加逐漸減小趨勢(shì)。各厚度油膜光譜在761 nm處發(fā)現(xiàn)有異常峰值存在，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水體光譜并不存在此突起，表明此處可以作為判斷油膜存在以及油膜厚度反演的敏感波段。

圖7 實(shí)驗(yàn)油樣不同厚度油膜光譜分布

4.2 相關(guān)性分析

圖8為油膜厚度與各波段光譜之間的相關(guān)系數(shù)，900 nm之前具有較好的相關(guān)性且為正相關(guān)，在600～800 nm之間相關(guān)性達(dá)到最高。波長(zhǎng)在900 nm 之后油膜厚度與其光譜無(wú)明顯相關(guān)性。

圖8 實(shí)驗(yàn)油樣各油膜厚度與光譜相關(guān)性

選擇油樣光譜中的紅光中心波段645 nm處以及紅光與近紅外交界處761 nm波段完成模型建立，如圖9和圖10所示。利用2次、3次多項(xiàng)式可以較好地?cái)M合這2個(gè)波段光譜與油膜厚度的相互關(guān)系，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.830 2(645 nm)和R2=0.812 1(761 nm)。

圖9 645 nm波長(zhǎng)光譜與油膜厚度相關(guān)性模型

圖10 761 nm波長(zhǎng)光譜與油膜厚度相關(guān)性模型

5 結(jié)論

改進(jìn)油膜光譜實(shí)驗(yàn)中的布油方式，利用定量滴定和圖像分割的方法，能夠有效地解決油膜厚度難以精確控制的問(wèn)題，分析可知，其可信度較高?；诖朔椒ǚ治鰧?shí)驗(yàn)原油油膜厚度與其光譜相關(guān)性可知，此油樣在可見(jiàn)光波段具有較高的相關(guān)性，利用相關(guān)性較好的645 nm以及761 nm波段建立油膜厚度與反射光譜的相關(guān)模型，能夠清晰地顯示油膜厚度與光譜之間的相互關(guān)系，為后續(xù)遙感方法溢油量反演提供可信的參考。

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國(guó)家海洋局北海分局科技項(xiàng)目“海面油膜厚度與其光譜特征的相關(guān)性分析(2013A01)”；海洋工程和海上溢油生態(tài)補(bǔ)償/賠償關(guān)鍵技術(shù)研究示范項(xiàng)目(201105006)；國(guó)家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目“海洋溢油污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及應(yīng)急響應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)集成及示范應(yīng)用”(201205012).

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1005-9857(2015)07-0107-04