卫星图像上的溢油识别方法及其应用

表１在ＳＡＲ影像上油膜的可视度
风速（ｍ／ｓ）
０ ３
溢油信息特征 在海洋表面没有后向散射，因此没有溢油信息。 没有溢油信息，低风速区大量存在 低风速区很少，溢油信息可见，海面背景单一 只有厚油膜可见，薄油膜被海浪拍打分散导致其不可见，厚油膜在风速大于１０ｍ／ｓ的情况下仍然可见
３到７．１０
＞７．１０
２．２．３．卫星影像分辨率对探测溢油也是非常重要的，分辨率高的卫星数据适合监视小的污染事故和排污； 而分辨率低的卫星数据只适合用来监视大型溢油事故。表２给出了几种传感器的分辨率和成像宽度。可 以看出：大型的溢油事故需要使用较宽的卫星影像，因而分辨率降低。
雷达卫星图像上的溢油识别方法及其应用
赵谱孙芳芳韩龙舒迟
【内窖提要】溢油对海洋环境具有重大影响，及时获取溢油信息对保护海洋环境具有重要意义。海上 溢油探测是合成孔柜雷达（ＳＡＲ）很重要的应用领域之一。本ｘ计论７雷达卫星溢油监视的原理和影响 目素，重点讨论７“油膜”々“似油膜”现象识别技术雌及利用ＳＡＲ影像识别溢油技术，并在宴际溢油事故 的案例中于阻应用。
１
ＡＳＡＲｊＭ模式的卫星图像截图，
分辨牢为３０米，成像时间为２００７年３月１４口，成像地点为睦岛区域。卫星成像时刻，☆询烟台布专业 气象台的报道：今天晚上至明天早上，东到东北Ｍ ３到４级。因此可咀推断：岛屿阻挡了从东面刮来的 风．造成岛屿西向风速降低，形成“背Ｂ【岬角”现象
３２・
源自文库
十目Ｍ湃｛☆２００８｛《々ｍ女ｍ２ｎ秀论女集专刊
■曩强／詹、／
图３ 该幅卫星数据为ＥＮＶＩＳＡＴ－ＡＳＡＲ．ＷＳ模式，分辨牢为１５０米，成像宽度约４００公里，成像时问为： ０７年１２月１１目．距离韩国溢油事故发牛时间为４灭，ｖｖ极化（垂直极化，回波鞍强，适用ｒ半坦Ｍ 域表面）。 图３中的左图为原始卫星图像，右图为经过预处理操作后的卫星图像。原始卫星图像平均亮度值偏 低．存在斑点噪声。针对这一现象，采取增强和滤波两种预处理操作。增强操作选取的是“根增强”，该 操作解决，亮度值币均衡的问题。滤波操作选取均衡化滤波（低通滤波）和高斯滤波（高通滤波）相结 合，该操作抑制了图像中存在的噪卢，使图像平滑，并且可以抽取图中地物的边缘，使图像的边缘部分 更加清晰．效果见图３中右图。 通过处理分析和专业判断，找出罔像中的异常区域，并根据地理位置特征、几何形状特征、环境特 征等排除“似油膜”现象．找出高可能性溢油区域，如图３右图中１处为“低风速区”现象，２处为“背风岬 角”现象，３处为高可能性溢油区域，４址为“背Ｍ岬角”现象。根据当日韩国溢油事故的相关情况汇报．确 定高可能性溢油区域即为船舶泄露的溢油所在区域。
２，３
３．落潮现象退潮时出露的潮坪、低潮期瑶出海面的沙滩都可形成沿海岸带分布的黑色影像特征。
由于（ｃ波段）低的微波反射，这些地区的湿沙在雷达卫星图像上表现出黑色特征。湿润的细沙表面， 由于水的作用，导致电磁波产生镜面反射，田此在雷逃卫星图像上表现为黑色。大陆的边缘地带有时会 出该种现象，也被称为“火陆边缘线”。该种成像原理的成像特点为：成像区域通常出现在人陆和岛屿边 缘，可以通过】ｔ特定的地理位置和形态特征加以区分。 训练青素的操作者能够通过这些附加信息如气候条件、溢油的地理位置等，凭借经验区升出油膜信 息和“似油膜”信鼠。图２为叫“油膜”的例，技判断方法。
１前言 ｊ二星遥感是非常适台探删海上溢油污染的。目前，可见光遥感、红外遥感、微波遥感等多种传感器 都广泛应用于海上溢油探删，我们着重研究的是合成孔径雷达（下文用ＳＡＲ表示）影像ｔ的溢油识别技 术。雷选卫星遥感是一种利削微波进行感知的主动传感器．和光学、多光谱等传感器相比．时气象条件 要求低，能够全天时、全天候的工作，不受时间和气候条什的限制，己成为溢油污染监视的重要丁具。 ２从ＳＡＲ髟像上识别溢油 ２１原理 雷达影像是用象素来描述图片元素的，其中的每个象素代表地面某区域的后向散射系数。影像中 暗的区域代表低的岳向散射系数．而亮的区域代表高的后向散射系数。目标区域的后向散射系数会根据 不同的条什而改变．例如，溢油使海面平滑．减少了后向散射的电磁波；船舶由于其金属外壳和构造的 因素．增强了后向散射的电磁波，田此。溢油在ＳＡＲ影像Ｆ显示为黑色区域或黑色斑块，船舶在ＳＡＰ． 影像ｒ显示为白色亮ｃ‘＾。
图１溢油和船舶示例 图示：两条自然油膜（Ａ）和血艘船舶。其中两艘船舶在溢油的东面．三艘壤集在溢油的南面
２．２局限性 并不足海Ｅ存在溢油，ＳＡＲ就行探测到，存在以Ｆ儿个方面的因素影响ＳＡＲ探测海｝溢油。
２．２
１海面风速必须在２ ３米／秒至１０ １４米／秒。ＳＡＰ．传感器咀其小受天气影响、拍摄范围ｒ而比光学传
表２卫星模式示例
传感器
ＥＲＳ．２ ＥＮＶＩＳＡＴ ＥＮＶＩＳＡＴ ＲＡＤＡＲＳＡＴ－１
模式
ＰＲｊ
分辨率（米）
３０＊２６．３ ３０＊３０ １５０＂１５０ ５０＊５０ １００％１００
像素化（米）
１２．５’１２．５ １２．５’１２．５ ７５＊７５ ２５＊２５ ５０木５０
宽度（千米）
１００ １００ ４００ ３００ ４５０－５００
入射角（度）
２０．２６ １５．４５ １６＿４４ ２０－４６
肼
ＷＳＭ
ＳＣＮ
ＲＡＤＡＲＳＪＵ：１
ＳＣＷ
２０－４９
２．３．区分油膜和“似油膜”现象 溢油探测的另一个问题是从其他一些自然现象中区分出油膜来，这些自然现象在雷达卫星上同样表 现为黑色区域，因此称为“似油膜”现象。根据雷达监视溢油原理我们知道，海洋表面油膜的存在平滑了 海洋表面，致使雷达接收到的后向散射回波减少，反映在雷达图像上，由于油膜的图像亮度值低于周围 海面特征的亮度值，而表现出黑色斑块的特征，然而，并不是说只要雷达卫星图像上有黑色斑块就证明 海面上有溢油存在，因为其他海洋特征以及大气现象，如海面风速相对较低的海域、雨点和油脂状海冰， 都可以阻尼海洋短表面波，从而在雷达卫星图像上形成黑色斑块特征，这些非表面油膜成因的黑色斑块 图像特征可统称为“似油膜”现象。这就使从ＳＡＲ图像中区分和检测各种成因的表面膜变得更为复杂和困 难。为了达到在雷达卫星图像中检测各种成因的海洋表面膜和“似油膜”现象，并对其加以区分，必须获
Ｓｐｉｒｉｔ”轮上载有２６０（０吨原油，碰撞事故导致船上三
孙芳芳 韩龙 舒迟
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个油舱破损。事故拉生住韩国大Ｉ｜ｊ港附近，外面水域就是ｃｌ・目的黄海。该起事故共溢油约１０８００吨－是 韩国有史咀来蛀太的一扶溢油事故。 事故发生后，我国对谚起事故进行了监视跟踪，购买了相关的ＳＡＲ图像进行了分析处理。选取其中 一幅卫星图像的处理清况示例
图２中第三幅图像为“落潮”现象示例，该幅图像为ＥＮＶＩＳＡＴ．１＿ＡＳＡＲ＿ＩＭ模式的卫星图像截图，分 辨率为３０米，成像时间为２００７年２月２４日，成像地点为长岛区域。该岛屿的左侧为“落潮”现象，经查 询《２００７年潮汐表》，卫星成像时该水域确实为落潮。而涨潮时，该岛屿左侧为亮色。 ２．４．在ＳＡＲ影像上识别溢油的方法 在ＳＡＲ图像上识别溢油通常可以简单概括为以下两步：１、从卫星图像上找出疑似区域：２、识别油 膜和“似油膜”现象，给出确认溢油的可能性等级。 溢油信息的识别是由几个连续的步骤组成的。预处理（将原始卫星数据转换成包含地理信息的普通 格式）和掩膜（除去所有的陆地信息，包括岛屿和它们的内水区域，这里通常出现风的阴影）主要的任 务是在影像中探测黑色斑点和条带状信息。其中：预处理包括增强操作和滤波操作，经过预处理操作后 的影像更利于目视判读。下一步是提取黑色特征，找出疑似区域；最后识别油膜和“似油膜”现象，给出 确认溢油的可能性等级。如上所述，许多影像特征被用来判别“似油膜”现象，另外还有一些影像特征如 异常区域的复杂性、异常区域的宽度、异常区域的范围、与探测到船的距离、异常区域局部的差异、异 常区域平滑程度的差异、边缘的对比度等等可用来判别油膜。最后，操作者可以参考以下的标准来判定 异常区域为溢油的可能性等级： ２．４．１．可能性高的标准 ・异常区域与周围背景有很强烈的对比度； ・周围背景是纯色的，有一个连续的灰度值； ・风速为中偏高，大约在６—１０米／秒； ・船舶或者砖井平台直接连接在异常区域上； ２．４．２．可能性中的标准 ・风速偏低，大约在３．６米／秒； ・与高风速地区对比，异常区域与周围背景的灰度值有一些融合或者不是非常强烈的对比； ・异常区域的形状是不规则的，也就是，异常区域的边缘不光滑； ２．４．３．可能性低的标准 ・附近存在“低风速区”现象； ・附近存在“自然膜”现象（生物膜、低风速区上的不规则条纹）； ・异常区域的形状不规则或者灰度值与周围背景有些融合； 综上所述，如果没有其它辅助数据，纯粹根据ＳＡＲ图像上的影像特征，特别是只用单波段雷达接收 获得的图像将很难区分各种成因的表面膜特征，必须结合一些如特定地理位置、气象条件、实时的海况 数据等，才能对表面膜特征的成因类型有较深的认识，判别“似油膜”现象，另外再结合如异常区域的复 杂性、异常区域的宽度、异常区域的范围、与探测到船的距离、异常区域局部的差异、异常区域平滑程 度的差异、边缘的对比度等影像特征来判别油膜，判定异常区域为溢油的可能性等级。此外，还可以通 过同时间、同区域的多光谱卫星数据、航空拍摄的图像和实地勘察等手段来进行验证，只有这样才能真 正识别出溢油信息。 ３．雷达卫星数据在溢油事故中的应用 ２００７年１２月７日，三星重工公司的一艘起重机船与一艘拖轮在韩国水域拖带中，由于海况恶劣，缆 绳崩断，起重机船与锚泊的油轮发生碰撞，“Ｈｅｂｅｉ 雷达卫星图像上的溢油识别方法及其应用——赵谱
雷达卫星图像上的溢油识别方法及其应用——赵谱 孙芳芳 韩龙 舒迟
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得上述成困的表面膜在雷返卫星图像巾形成的特征影像的认识。如下是几种“似油膜”的影像特征和具体 图像。
２．３
１低风速区现象如果海洋表面的风速太低（＜３ ｒｉｇｓ，例如一、
＿婚风），海面如同平静水面，类似
镜而反射，所以雷达接收到后向散射系数非常小，表现在图像上就是数值非常低，在图像ｔ呈现黑色。 该种成像原理的成像特点为：海面风速低．海况良好，在雷达卫星图像上表现为成片的黑色区域．并且 有絮状的现象。 一般地，雷达图像在较窄风速范围内（一般３ ７ｍ／ｓ。人概是＿级、四级风）能够检测到油膜，风速 太低或太高都不易检测到。如果风速太低，就会形成低风速区现象；如果风速太高（＞７ ｍ／ｓ）ｒ就会存在 两种情况第一种情况是薄油膜．油的张力作用无法与风的力量匹敌，油膜被风畋散，在这种情况下， 雷达接收到的ｐＩ波就多，成像和海面相同，无法辨认。爿一种情况是重油且气温比较低，在这种情况Ｆ， 低气温使得油凝同，风的力量就显得微不足道了，因此仍然可以成功检洲到油信息。
２ ３
２．背风岬角现象：由于岛屿的阻挡作用，在岛屿的背风血通常会堠成低Ｍ速区（这种低风速区是由
于风被阻挡导致风力减弱，不是自然低风速现象），在运块区域内，海面比较平静，导致雷达电磁波的 后向散射较弱，容易形成黑色区域。该种成像原理的成像特点为：成像区域通常出现在陆地边缘附近和 峡湾地带的背风区。这种现象也可以通过其特定的地理位置和蟛态特征加咀区分。
图２“似油膜，’例子
图２中第一幅图像为“低风速区”现象示例，该幅图像为ＥＮＶ［ＳＡＴ～一ＡＳＡＲ＿ＷＳ模式的卫星图像截圈， 分辨率为１５０米，成像时问为２００７年１２月１１日．成像地点为韩国以西海域。成像时－海ｔ风速较低， 海面如同平静水面，类似镜面反射，所咀雷达接收到后向散射系数非常小，表现在图像上就是数值非常 低，在图像上呈现黑色。 圈２中第．幅图像为“背风岬角”现象示例，该幅图像为ＥＮＶ］ＳＡＴ
感器更适用于探测海面和沿岸区域的溢油污染．但是风的情况影响了后向散射系数以及海面油膜的可视 度。溢油仅仅在一个局限的＂【速范围内≈能被雷达ｕ星探洲到。表１培出了风参数与ＳＡＲ图像成像的关
３０‘
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系。
２．２．２．ＳＡＲ影像只能够探测海面上的油，如果溢油发生了分散、降解等物理变化后沉入海中，就无法探 测到。溢油进入海洋环境中后，在海洋平流的作用下进行漂移，在湍流、剪流及其自身重力的作用下向 四周扩散，与此同时其自身将不断地发生物理、化学变化，一部分以气态进入大气，一部分以乳化状态 进入海水中，而后逐渐为微生物所降解。其中的风化过程是很重要的，风化过程包括：扩散、漂移、蒸 发、溶解、消散、乳化、沉降、生物降解和氧化作用。其中，蒸发作用、乳化作用、溶解作用在溢油的 探测过程中起了很重要的作用，因为这一过程影响了溢油的物理化学属性，进而影响到溢油在ＳＡＲ影像 上的可探测度。