SAR海面溢油监测方法

北京师范大学环境数据采集与分析期末论文

题目： SAR海面溢油监测方法__ 姓名：***

学号：************

年级：2009级

专业：环境工程

SAR海面溢油监测方法

摘要：海洋溢油发生后，准确及时的监测溢油对于海洋环境保护具有重要意义。随着卫星遥感技术的高速发展，遥感己经成为监测溢油的最重要和最有效手段之一。本论文以海面溢油为研究对象，讨论了利用SAR采集数据监测海面溢油的方法，重点在SAR图像中溢油数据的处理、MODIS监测海面油膜厚度、基于GIS的遥感溢油监测系统和中国海溢油分布等方面进行研究。

关键词：SAR、海面溢油监测、溢油数据的判别分析、GIS

1前言

1.1研究意义

海上石油污染是海洋污染中最严重的因素，也是最复杂的海洋污染问题之一。石油污染进入海洋后对海洋环境的危害是多方面的。从自然环境到野生动物，从自然资源到养殖资源等都会受到不同程度的危害，并且这种危害的周期冗长，修复过程复杂。

海洋石油污染有多种途径，既有天然来源如海底油气藏烃渗漏和沉积岩石的侵蚀，也有沿岸工业污水和生活废水的排放、海洋倾废，更有海上石油运输和生产所造成的石油泄漏。其中以船舶溢油事故和汕井井喷事故对海洋环境造成的影响最为严重，主要因为这类事故多发生在近海海域和恶劣天气，短时间内排入大量石油烃，造成生态环境毁灭性的损害，严重影响周边区域的人民生活。

我国的海洋油污染问题由来已久，60年代即有发生，1973年在大连港就发生了由于船舶（“大庆36”)而造成了多达1400吨原油溢出的事故；1978年改革开放以来，由于经济发展的需要，我国对石油的需求不断增加，尤其近年来油船数量和吨位不断增加，油轮进出港口次数日渐增多，船舶发生事故的几率也随之增加。1973年到2003年，我国沿海及内河水域发生船舶溢油事故共2353起，平均3天半发生一起。其中，溢油量50吨以上的重大溢油事故62起，平均每年两起，总溢油量34189吨，平均每起溢油量551吨。

海洋溢油发生后，能否准确及时的监测溢油对于海洋环境保护具有重要意义。过去检测油膜主要依靠直接测量，一种方式是飞机或船只进入溢油发生区域，利用人眼直接判断海面油膜以及估计油膜的厚度；另一种方式是利用浮标测量，如国际海洋系统公司的油膜采样浮标，将浮标投入油膜覆盖区域，利用浮标收集的溢油样品进一步测量分析。直接测量方法的优点是获取的数据准确，虚警率低，但是也存在较多缺点，如检测覆盖面积小，判断主观等。

随着卫星遥感技术的高速发展，遥感己经成为监测溢油的最重要和最有效手段之一。利用卫星数据不仅可以大面积监测海上溢油的面积、种类、厚度，及时引导海监船只和飞机进行执法监测，作为执法索赔依据，而且可以利用卫星连续遥感跟踪油污范围和溢油扩散方向，确定最佳溢油清除方法。

1.2我国遥感监测溢油的研究进展

国家海洋局第一海洋研究所于1980年在大连湾首先开展了海面溢油的航空遥感试验研究，分别获取了不同油种在可见光、红外以及微波波段范围内的地物光谱数据，为遥感探测海上油污染积累了宝贵资料。

在油污种类的识别方面，徐恒振等人建立了海面溢油鉴别的Fuzzy相似优先比模式以及Euclid贴近度聚类分析模式；曹守镜对风化石油烃红外光谱指纹的计算机检索方法进行了研究，能够快速、简便地检索出溢油污染源。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对快速、有效地清除海上油污又有着重要的指导意义。

在SAR监测溢油方面，中科院电子所种劲松等利用小波变换进行了溢油区域分割方法的研究；中科院电子所黄晓霞等利用SAR进行了相关的海洋油气藏遥感综合探测研究；对于SAR从图像中溢油现象的识别研究较少。

1.3存在问题

综合前面的文献调研，在利用卫星数据监测海面溢油方面主要存在以下几个问题，本文将主要围绕解决这几个问题进行研究。

当前现有的基于SAR数据的溢油监测系统，对油膜的识别都是部分或者全部依靠人工解译，工作效率较低，而且虚警率较高。随着卫星SAR投入业务化运行，SAR图像数目的急剧增加，同时我国领海广阔，拥有近300万平方公里的管辖海域，而且海洋溢油问题严重，传统的人工解译过程已经远远不能满足实际应用的需求。当海量数据用于海面溢油监测时，为了进行及时有效的监测，迫切需要进一步开展自动识别溢油算法系统的研究。另外，我国已经成功发射了合成孔径雷达卫星,海面溢油监测是其应用系统的一个重要方面，将在保护海面环境、维护海洋权益等方面发挥重要作用。

在光学传感器监测溢油方面，红外传感器分辨率较低，而且只能用于监测较大溢油事故的厚油膜；而可见光传感器的时间分辨率较低，从而降低了其检测溢油的能力。在过去的检测红外或可见光图像中溢油的方法只是简单的图像处理方法，如图像拉伸和边缘检测。这些方法需要操作者的主观判断，这制约了对油膜的自动检测，特别是在不了解溢油 的光谱特性时。MODIS 作为中分辨率的多光谱传感器，可以每天提供两幅白天的地表辐射率和四幅热发射率图像，所以如何充分利用MODIS 图像监测溢油， 并进而能够给出溢油的厚度分布，是连续监测溢油事件并预测油膜的扩散和漂移的重要前提工作。

2 SAR 数据采集与监测原理

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR ），是一种全天候、全天时、高分辨率微波主动成像传感器。工作在微波波段，因是主动传感器，即使 在黑夜也能正常工作。微波可以穿透云层，因而不受恶劣天气的影响。

与靠增加天线长度提高方位分辨率的真实孔径雷达

图1研究框架

不同，是一种高分辨率的脉冲一多普勒成像雷达：通过对距离向发射的压缩的微波短脉冲获得较高的距离分辨率，同时方位向上利用散射信号的多普勒频移获得了较高的方位分辨率，从而获得高分辨率的SAR图像。这种全天候、全天时和高分辨率的观测优势是可见光和红外传感器以及其它微波传感器所没有的。

SAR沿垂直于平台运动方向斜向卞进行观测，它接收来自地面或海面等目标的后向散射波，因此，SAR图像表现了被测地物目标对于电磁波的散射特性，与SAR系统参数和地域目标散射特性有关，其中包括：雷达的工作模式、电磁波波长、频段、入射角、极化方式、地域表面的粗糙度、目标的散射结构及形状等。对于海洋遥感来说，在一定的雷达参数和轨道条件下，海面粗糙度是影响雷达后向散射的主要因素，基于此利用SAR可以检测海面风、流、海浪、锋面、油膜、内波和水下地形等海洋现象。

2.1SAR工作原理

SAR观测目标的几何关系如图2所示。天线指向一侧是为了避免回波产生左右二义性，平行于飞行轨迹的方向称为方位向，与之垂直时方向为距离向。δx为方位分辨率，δy为距离分辨率；r为卫星到探测点的距离，Δr为雷达发出的脉冲宽度，有Δr=cτ，其中c为电磁波的速度即光速，τ为雷达脉冲时间；没θ为雷达波束与垂直方向之间的夹角，即入射角；Ψ为雷达波束与卫星飞行方向之间的夹角，即方位角；D为雷达电线孔径长度。

图2 合成孔径雷达（SAR）观测目标的关系

图3表示垂直于飞行方向的距离向和平行于飞行方向的方位向平面上的几何关系。