基于衛(wèi)星遙感圖像的東中國海溢油信息提取.pdf

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，海洋溢油事故頻頻發(fā)生。海洋石油開采引起的溢油污染通常是不可預(yù)測，污染面積廣，清除難度大。例如2010年4月26日，美國海上鉆油臺在墨西哥灣爆炸沉沒的事件造成海面溢油污染范圍有三個香港大，勢將成為全球歷來最嚴(yán)重的溢油事件之一，嚴(yán)重威脅區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境。海洋油氣田大多距離海岸較遠(yuǎn)，在石油運(yùn)輸過程中的溢油污染也是一個值得重視的溢油監(jiān)測方面。此外，船只運(yùn)行過程中的排污和事故也是海洋溢油污染的重要來源。不論海洋溢油從何而來，它對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和漁業(yè)資源都會造成嚴(yán)重的威脅。東中國海是我國主要的漁業(yè)產(chǎn)區(qū)，沿岸地區(qū)是重要的長三角經(jīng)濟(jì)帶。根據(jù)2004年東海區(qū)漁業(yè)資源調(diào)查數(shù)據(jù)顯示東海區(qū)海洋捕撈總量約占全國海洋捕撈總量的42.43％，占居舉足輕重的地位。任何發(fā)生在東海的溢油污染都可能對沿岸長三角經(jīng)濟(jì)帶產(chǎn)生不利影響。因此，東中國海的海洋溢油監(jiān)測對保護(hù)生態(tài)平衡，減少經(jīng)濟(jì)損失，防災(zāi)減災(zāi)意義重大。
　　 海洋溢油監(jiān)測的傳統(tǒng)手段是實(shí)地調(diào)查或者航拍，成本高、操作難度大、可操作海區(qū)和時間局限性大。為了長期有效地監(jiān)測東中國海的海洋溢油情況和變化趨勢，需要同步、實(shí)時、連續(xù)、大范圍的監(jiān)測手段。衛(wèi)星遙感技術(shù)使長期、連續(xù)、大范圍的溢油監(jiān)測得以實(shí)現(xiàn)，它是目前解決這一問題的最好手段[1]。在溢油污染監(jiān)測方面，每一種手段都有它的優(yōu)缺點(diǎn)[2，3]。國際國內(nèi)研究海洋溢油主要是基于高分辨率的微波雷達(dá)SAR圖像和中等尺度的MODIS圖像。本文考慮研究成本以及應(yīng)用業(yè)務(wù)化推進(jìn)采用易獲取中尺度的NOAA18和MODIS圖像。為了使圖像上的溢油信息凸出，通常都是采用圖像增強(qiáng)技術(shù)。在低緯度和部分中緯度海區(qū)的圖像上會出現(xiàn)一種現(xiàn)象：部分海區(qū)明顯亮于其余海區(qū)，類似于聚光燈打在海面上，在這部分海區(qū)圖像上顯示的信息十分明顯，這部分海區(qū)稱為海洋太陽耀斑區(qū)。本文篩選了2008年到2009年的MODIS數(shù)據(jù)共計(jì)940幅，符合這一條件且有溢油信息的圖像僅有7幅，分別是東中國海2008年夏季的兩幅圖像（7月7日和8月24日）和2009年春季、夏季的五幅圖像（5月11日，5月15日，5月22日，5月31日，6月7日）的溢油信息。本文嘗試提取這七幅圖像溢油信息，掌握東中國海的太陽耀斑區(qū)海洋溢油情況，為溢油預(yù)警提供科學(xué)的參考依據(jù)。
　　 本文嘗試了兩種方法來分析海洋溢油特征。第一種方法是根據(jù)溢油污染海面綜合比熱容低于潔凈海面比熱容從而導(dǎo)致海表溫度變化差異來識別溢油。海表溫度的變化主要是能量變化引起，溢油污染海面能量吸收或輻射都會較潔凈海面強(qiáng)，反映在衛(wèi)星圖像上是圖像的灰度值不同。通過劃分圖像灰度值變化等值線來達(dá)到溢油信息提取。第二種方法是利用增強(qiáng)背景海域與溢油海域的差異來識別溢油。研究發(fā)現(xiàn)在太陽耀斑區(qū)域的溢油信息容易識別且明顯。發(fā)生溢油的海域和未發(fā)生溢油的海域改變了海面的物理特性，從而使衛(wèi)星遙感器接收到光譜信息發(fā)生變化。根據(jù)這一特征在MATLAB平臺上設(shè)定溢油特征值以返回溢油信息，從而實(shí)現(xiàn)溢油信息提取。再對提取出的溢油信息進(jìn)行解譯，解譯主要依據(jù)空間紋理特征和相關(guān)衛(wèi)星圖像上的地物特征[4]。
　　 比較以上兩種方法，對東中國海采用第二種方法即：針對太陽耀斑區(qū)的溢油現(xiàn)象進(jìn)行特征提取。首先，就其所采用的數(shù)據(jù)的分辨率來講，NOAA18的分辨率是1.1km，而MODIS數(shù)據(jù)的分辨率可達(dá)到250m，考慮到海洋溢油現(xiàn)象除了大型溢油事故外其余的發(fā)生溢油污染的面積都比較小，而且研究的海域相對來說范圍較小，所以選擇分辨率高的數(shù)據(jù)有利于溢油特征分析。其次，就兩種研究方法來說，第一種利用溢油影響海表溫度來分析溢油，在同一季節(jié)的溫度變化不是很大，而且溢油污染海面的海表溫度變化也不是很明顯，尤其是輕油薄油膜影響就很難分析出來。第二種方法，利用太陽耀斑區(qū)加強(qiáng)油水差別來識別溢油，就可以很好地避免上述問題。最后，第一種方法是通過海表溫度間接研究溢油特征，對溢油特征的判定和解譯中錯誤和誤差率都較高；后一種方法是直接對海洋溢油特征進(jìn)行分析的，可以進(jìn)一步增加溢油特征的判定和解譯效果。
　　 通過NOAA18的渤海炯臺海域溢油信息提取研究得出(1)NOAA共5個通道，采用對溫度較為靈敏的3、4、5通道對溢油信息進(jìn)行提取，診斷出37°35′30″N，121°30′30″E處為溢油。(2)用ENVI對圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)、濾波處理、彩色合成、灰度等值線處理，圖像中溢油特征顯示清晰。通過MODIS的近長江口32°17′30″N至33°39′48″N；122°47′56″E至122°51′01″E;32°49′01″N至32°51′05″N;122°27′49″E至123°28′13″E：溢油信息提取研究得出(1)選取2009年5月22日MODIS圖像數(shù)據(jù)，在太陽耀斑區(qū)域成功提取出了溢油信息，溢油范圍主要在33°22′00″N，122°57′00″E至33°14′00″N，122°41′00″E海域內(nèi)分布。(2)在MODIS圖像上海洋溢油圖像特征明顯區(qū)別背景海水，其灰度值的范圍大概在75～90，根據(jù)這一范圍提取出溢油信息。(3)海洋溢油的空間特征主要為短線性、近似月牙狀且面積較小分布較集中。(4)提取出的溢油信息解譯為造成此油污的最大可能就是海洋環(huán)境污染，如：人為地向大海排放壓倉沈倉水，傾倒?jié)O業(yè)作業(yè)廢水或者是海洋生物油膜等。
　　 應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)分析提取了東中國海2008年夏季的兩幅圖像和2009年春季、夏季的五幅圖像的溢油信息。從溢油信息提取的結(jié)果來看，出現(xiàn)溢油且比較集中的位置主要集中在人類活動比較的頻繁的長江口(32°55′00″N，122°55′00″E);舟山群島和臺州群島之間(28°12′00″N，121°57′00″E);沖繩諸島附近(29°30′00″N，128°03′00″E);其余的海域偶爾會發(fā)現(xiàn)很少的溢油特征，可以概括地說，人類活動比較頻繁的沿岸海域發(fā)現(xiàn)溢油污染的幾率明顯高于東中國海的其他海域。海洋溢油分布面積較小，且比較集中，有背景海域有明顯的顏色差別，主要呈現(xiàn)暗黑色且具有光澤度；海洋溢油的油污的形狀多呈現(xiàn)線性或者很小面積的月牙狀。
　　 本文的創(chuàng)新點(diǎn)：論文所采用的研究數(shù)據(jù)是從2008年到2009年的MODIS圖像數(shù)據(jù)中篩選的太陽耀斑區(qū)的7幅MODIS圖像數(shù)據(jù)，對太陽耀斑區(qū)進(jìn)行溢油信息提取，基于類似被聚光燈照射的背景下提取出了7幅圖像的清晰的溢油信息。