* 地球信息科学学报年能力分析则是遥感监测海面溢油的基础性研究工作而这些研究工作开展较少本文主要以海面油膜在不同光谱范围内的光谱特性建立与光学遥感卫星波段之间的对应关系并结合各卫星的特点对卫星的海面溢油监测能力进行分析以年 ) 月和年月渤海海面溢油为例应用光学遥感数据对溢油进

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馨昔沈
5 years ago
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1 第卷第期年月地球信息科学学报!"## $%&'%' ' 海面溢油光学卫星遥感监测能力分析苏伟光 ) 苏奋振周成虎杜云艳 ' 中国科学院海岸带环境过程重点实验室烟台海岸带研究所山东省海岸带环境过程重点实验室中国科学院烟台海岸带研究所烟台 )' 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室北京 )' 中国科学院大学北京 + 摘要海面溢油对海洋生态的影响具有频率高范围广和危害大的特点卫星遥感已成为海面溢油监测的重要手段本文从海面油膜光谱特性出发与常用的光学卫星传感器建立对应关系根据对不同光学遥感卫星的空间分辨率时间分辨率幅宽和波段数等主要物理参数的对比分析认为 " 传感器和 ( 卫星有较强的海面溢油监测能力故此采用 "( 和 ) 光学卫星影像对年 ) 月和年月渤海海面溢油污染事故进行了遥感监测 " 遥感图像可以清晰反映出年和年这次溢油污染事故中海面油膜信息 ( 卫星遥感影像则能反映出年溢油污染事故中海面油膜信息而和 ) 卫星遥感影像不能反映出海面油膜信息 ( 和 ) 卫星在波段设置上相似但是和 ) 卫星不能反映出油膜信息所以本文进一步对这次溢油事件中的 " 遥感影像的油水光谱反差和海水光谱方差进行计算并对结果进行比较分析实验结果表明当 " 某一波段的海水光谱方差小于油水光谱反差时则该波段可以显示出油膜信息而当油水光谱反差小于或接近海水方差时则不能反映出海面油膜信息从波谱响应空间分辨率和时间分辨率以及监测实例中说明 " 传感器有较强的海面溢油监测能力关键词溢油光学遥感监测能力 ')"''''*) 引言由船舶泄漏油轮碰撞海面石油平台泄漏所引起的海面溢油已成为影响海洋生态环境的重要污染物之一它有着发生频率高分布范围广以及危害程度大等特点油污进入海水后受到海浪和海风的影响形成一层漂浮在海面上的油膜阻碍了水体与大气之间的气体交换致使鸟类鱼类等海洋生物死亡并且威胁沿岸民众的生活遥感技术已成为当今监测海面溢油最重要最有效的技术手段之一目前主要的海面溢油监测传感器包括微波传感器的合成孔径雷达 " 和侧视雷达 " 以及光学传感器的可见光近红外遥感器国内外许多学者利用微波进行海面溢油监测但是微波遥感的时间分辨率低幅宽较小而且微波遥感器监测能力还会受到海面风和海浪的影响另外一些天然因素等引起的在 " 图像上也表现为黑色斑块的现象也增加了探测的难度而光学传感器具有监测范围广资金投入少时效性强光谱信息丰富的优势已成为海面溢油监测的重要手段 ++ 年美国首次使用机载可见光扫描仪对井喷引起的油污染进行了监测取得较好的效果许多学者利用 $( 数据对不同地区的 )* 溢油进行监测 "2 利用 " 遥感数据对 ---% 的溢油进行了监测 " 对年墨西哥湾的海洋溢油事件应用 " 数据进行了连续监测我国的海面溢油卫星遥感监测研究起步于年代末年代初李栖筠利用! 和 $( 数据对老铁山水道海洋溢油事故进行了监测提出了油膜监测的最佳波段组合苏伟光利用 " 数据对渤海海面溢油进行监测并提出了 " 数据的海面溢油检测模 + 型 ( 等根据纯净海水中油膜在 " 数据上的独特值对溢油进行了监测以上这些研究多是侧重于海面溢油监测方法的研究针对不同光学卫星光谱段的监测机制和不同光学卫星的监测收稿日期修回日期基金项目国家科技支撑项目 () 国家海洋公益性行业科研专项经费项目 * 作者简介苏伟光 +) 男博士研究生研究方向为海洋及海岸带遥感与应用,-&/&/-

2 * 地球信息科学学报年能力分析则是遥感监测海面溢油的基础性研究工作而这些研究工作开展较少本文主要以海面油膜在不同光谱范围内的光谱特性建立与光学遥感卫星波段之间的对应关系并结合各卫星的特点对卫星的海面溢油监测能力进行分析以年 ) 月和年月渤海海面溢油为例应用光学遥感数据对溢油进行了监测分辨率的 "! 卫星的! 和 "! 的 ($ 等数据此外中国的 ) 号气象卫星 ( 卫星以及 ( 号卫星也相继投入到商业化服务和应用中根据油膜反射率特点及各种光学卫星波段设置得到卫星波段对油膜反射率的响应如图所示海面溢油的光谱特征分析海面溢油的光谱特征是遥感监测溢油的重要依据 "- 等在 + 年提出的油膜光谱辐射模型随波长的增加在蓝光区油水对比出现由正至负的变化 -&, 指出原油随浓度不同在和, 处反射率也不同油膜反射率随着其厚度增加而降低 +, 可以用来进行油膜信息提取 %- 的研究表明石油在 * 和, 具有强的反射峰油量的增加会降低在可见光波段的反射率厚油膜在近红外波段反射 ) 率要高郑安全等用各种光学红外和微波仪器对国产原油及制品的海面油膜波谱特性进行了实验室和现场测量得到蓝波段可以作为监测重柴油的最佳波段国家海洋局第一海洋研究所的测试结果说明在可见光范围内油膜的反射率较小不同油品的反射率随波长的变化而变化波长在 *, 处油膜的反射率小在 *, 出现一个反射率峰值而在大于, 反射率在逐渐 * 的增加大连海事大学在八五期间开展了航天遥感溢油探测的研究获取了不同油种在多种厚度情况下的波谱特征数据赵冬至等对不同油品与海水光谱反差进行了分析得到柴油的反射率高于海水在 )++, 和, 处出现与海水反差的最大值并在 +), 处出现另一次峰值润滑油反射率在可见光波段高于海水的反射率在近红外波段略低于海水在, 和 +, 处出现反差的最大值原油反射率低于海水而在近红外波段高于海水反差最大值出现在 +)) 和 ), 处 ) 光学卫星海面溢油遥感监测能力分析目前可用于海面溢油监测的光学卫星遥感数据源主要包括低分辨率卫星的 $( 中等分辨率的!- 和 6- 卫星的 " 中高图卫星波段对原油反射率的响应 '"-&/-//7%/%2&9:%%&!-6- 的 " 传感器空间分辨率为 *,*,, 时间分辨率为 * 天可以对海面溢油实施动态监测幅宽 ));, 但受其空间分辨率限制不利于对小面积海面溢油进行监测 " 有 ) 个波段带宽较窄相比于其他卫星光谱分辨率高波段离散获得的海洋表面信息更加丰富而且可以消除一些干扰地物的反射特征 ( 卫星的空间分辨率为 ), 时间分辨率为天幅宽达到 ;, 不仅可以监测大面积海面溢油而且也能满足对小面积海面溢油的监测并可以满足海面溢油连续监测的要求 ( 波谱范围在 )+, 之间分为个波段带宽较宽波段离散可以满足海面溢油遥感监测的光谱需求在波段设置空间分辨率和时间分辨率上 " 和 ( 卫星均表现出很好的海面溢油监测能力而且可以免费获取卫星数据因此具有较强的海面溢油监测能力 -/- 卫星的可见光近红外的空间分辨率分别为 ), 时间分辨率为天幅宽为 *;, 波谱范围在 *+, 之间分为个波段 "! 卫星的空间分辨率为 *, 时间分辨率为天幅宽为 ;, 波谱范围在 *+, 之间分为 ) 个波段没有蓝光波段卫星的空间分辨率为 ), 时间分辨率为

3 期苏伟光等海面溢油光学卫星遥感监测能力分析 ** 天幅宽为 ;, 波谱范围在 *+, 之间分为 ) 个波段没有蓝光波段 -/-"! 和卫星虽然有较高的空间分辨率波段设置基本可以满足海面溢油监测的需要但是它们很少在海洋成像而且时间分辨率较低所以很难满足海面溢油监测的实时性和连续性降低了海面溢油的监测能力卫星空间分辨率 ;, 时间分辨率 * 天幅宽 ;, 虽然其有很高的时间分辨率但是其空间分辨率太低而且可见光近红外波谱范围在 *,, 分为个波段带宽较宽 ) 号卫星携带的中分辨率光谱成像仪 " 的空间分辨率为 *, 周期 '+ 分幅宽 +;, 波谱范围在 *+, 之间分为个波段但是卫星和 ) 卫星是气象卫星海洋信息较弱很难对海面溢油进行监测 ( 为中国第一颗海洋卫星携带海洋水色扫描仪空间分辨率 ;, 时间分辨率天幅宽 ;, 波谱范围在 *, 之间分为个波段但是其空间分辨率太低而且其主要用于探测叶绿素悬浮泥沙可溶有机物及海洋表面温度等要素上述分析得到了各光学卫星的监测能力如表所示表卫星监测能力!"!# " (! "! ) ( 空间分辨率, * ) ) * ) * 时间分辨率 * 天天天天天 * 天 + 分天幅宽 ;, )) * + 波段数个 ) ) ) 监测能力强较强较弱较弱较弱弱弱弱海面溢油遥感监测实例分析年 ) 月下旬位于 )+ ))+ 渤海曹妃甸附近海域发生了因海底输油管线破裂引起的海面溢油事故年月在 +))+ 距龙口 ;, 长岛 ;, 和秦皇岛 ;, 处发生了海底溢油事故月 ) 日出现单日溢油最大分布面积达 *;, + 为了研究这两次溢油事件的海面油膜信息提取本文分别选取了 "( 以及 ) 卫星的光学遥感数据见表对获取的光学遥感数据进行彩色合成和图像增强处理获得了海面油膜信息表 $ 数据信息 %$& 数据源获取日期时间数据源获取日期时间数据源获取日期时间 " ) 月 ) 日 ) 月 ) 日 " 月日 ) ( 月日 ) 月日 * 图为年 ) 月 ) 日 " 和卫星遥感数据经过彩色合成以及图像增强处理后的结果空间分辨率分别为 *, 和 ), 在 " 卫星影像上可以反映出 #) 个溢油区的海面油膜信息但在卫星的影像上并没有反映出油膜信息图 ) 为年月日 "( 以及 ) 卫星遥感数据经过彩色合成以及图像增强处理后的结果空间分辨率分别为 *,), 和 *, 在 " 和 ( 卫星的影像上可以清晰地反映出溢油区和溢油区海面的油膜信息但 ) 卫星的影像上并没有反映出油膜信息在两次溢油监测中 " 和 ( 卫星可以清晰地反映油膜信息而与 ( 波段设置相似的和 ) 卫星却不能反映油膜信息为进一步分析卫星波段的溢油探测能力选择油水光谱反差和海水方差两个参数进行对比油水光谱反差是同一波段的油膜反射率与海水反射率的差是油膜和海水的光谱差异海水方差是同一波段海水光谱值和其中心值的偏离程度代表海水本身的波动

则无法反映% 油水反差海水方差 2 2 2 6 9 6 9 ( 9 2 9 ) MOD S波段中心波长 ( a )2 6 年月2 反射率段的油水光谱反差等于或小于海水本身的波动!

4 地球信息科学学报!!!!!!!!!!!!!!!!!!!#$!#年 B#< 图#!不同卫星的假彩色合成影像 #!M V V L G V G K 7 7 D ;> ; 图A!不同卫星的真彩色合成影像 A!M V V L G : K 7 7 D ;> ; 动!则该波段可以反映油膜信息"相反!如果某一波波段的油膜信息被海水信息所掩盖!则无法反映% 油水反差海水方差 ( ) MOD S波段中心波长 ( a )2 6 年月2 反射率段的油水光谱反差等于或小于海水本身的波动!则反射率如果某一波段的油水光谱反差大于海水本身的波 2 2 油水反差海水方差 ( ) ( 9) ( ) ( ) ( ) ( 2) ( 9) S波段中心波长 MOD ( )2 年6 月日图"!油水反差及海水方差曲线 "!P K : W 7 V P K 7L G 7 V P 7 H LSG H W L K ;>

期苏伟光等海面溢油光学卫星遥感监测能力分析 * 本文以 " 数据为例提取油膜及海水在可见光波段和近红外波段的特征光谱绘制了油水光谱反差曲线和海水方差曲线如图所示图 - 是年 ) 月 ) 日油水光谱反差曲线和海水的方差曲线在第波段第 + 波段油水光谱反差大于海水方差说明可以清晰地反映海面油膜信息而在其余波段处油水光谱反差小于或接近于海水方差

5 期苏伟光等海面溢油光学卫星遥感监测能力分析 * 本文以 " 数据为例提取油膜及海水在可见光波段和近红外波段的特征光谱绘制了油水光谱反差曲线和海水方差曲线如图所示图 - 是年 ) 月 ) 日油水光谱反差曲线和海水的方差曲线在第波段第 + 波段油水光谱反差大于海水方差说明可以清晰地反映海面油膜信息而在其余波段处油水光谱反差小于或接近于海水方差则不能明显地反映海面油膜信息从图中可以得到此次海面油膜的反射率低于海水呈暗色调如图 * 所示在海水方差小于油水反差的第波段和第 + 波段可以清晰地显示油膜信息第波段图像空间分辨率为 *, 油膜信息反映清晰边缘明显第 + 波段图像空间分辨率为, 但因为其空间分辨率低油膜信息较弱油膜边缘模糊图是年月日油水光谱反差曲图 * 年 " 单波段影像 *"&-,-/% "

* 地球信息科学学报年线和海水的方差曲线从图中可以看出所有波段的油水反差均大于海水方差说明在所有波段处都可清晰地反映出海面油膜信息并且油膜反射率大于海水反射率因此在图像中呈亮色调如图所示图中第波段图像空间分辨率为 *, 油膜信息呈亮色调两处溢油信息均反映清晰边缘

6 * 地球信息科学学报年线和海水的方差曲线从图中可以看出所有波段的油水反差均大于海水方差说明在所有波段处都可清晰地反映出海面油膜信息并且油膜反射率大于海水反射率因此在图像中呈亮色调如图所示图中第波段图像空间分辨率为 *, 油膜信息呈亮色调两处溢油信息均反映清晰边缘明显第 ) 波段图像空间分辨率为 *, 油膜信息呈亮色调油膜边缘模糊第 ++ 波段图像空间分辨率为, 溢油区域的油膜信息反映不明显与背景海水很难区分溢油区域虽能观察到油膜的信息呈亮色调但因为其空间分辨率太低油膜信息较弱油膜边缘模糊图年 " 单波段影像 "&-,-/% "

7 期苏伟光等海面溢油光学卫星遥感监测能力分析 *+ * 结语本文对可用于海面溢油监测的光学卫星进行了分析从各光学卫星的空间分辨率时间分辨率幅宽等物理参数以及各光学卫星波段对海面油膜光谱特性的响应出发得到了 " 和 ( 卫星有较强的海面溢油监测能力利用得到的 "( 和 ) 卫星数据分别对年和年的渤海溢油进行了监测并以 " 数据为例选取油水光谱反差和海水方差个参数对卫星波段的监测能力进行分析结果表明当卫星波段的油水光谱反差大于海水方差时该卫星波段影像上可以显示出油膜信息影响海面溢油光学卫星遥感监测能力的因素还有很多如卫星信噪比成像特点和油膜类型等这些因素在本文中没有反映这将对光学卫星的监测能力产生一定影响根据各光学卫星的物理参数与成像特点以及不同油膜的光谱特性选取更加有效和有用的数据对海洋溢油进行监测将是进一步研究的内容参考文献陈辉赵朝方 " 多光谱信息在海上溢油检测中的应用海洋湖沼通报 +) * 安居白张永宁发达国家海上溢油遥感监测现状分析交通环保 )) + )&9&-!2%,7/%$!2 -&/7&%-,,%/// :9%,#---7%"#) )---%+)* #%// %%,- %& 7%&% / $(--/9-%/%2%-/%-- "-----:++-%-& %-&%,%"/++) *#-/&%--9-!%&-%//-& &26/%%&/7&%-,%% /$(2,-&--/-%-& %-&%,%"/) +27-%&%,%-/ ) "9-/-9-("2!////,-9&%7, %-&%2,/%%%%&/7&// "-- %-&%2-"%:%,%"/ ) 27-/-%9%7/-2-/%&/7& 2,& 李栖筠陈维英老铁山水道漏油事故卫星监测环境遥感 +++* + 苏伟光海洋卫星遥感溢油监测技术与应用研究长沙中南大学论文 (# <=&-, %% --&%&/&;/2= &% %/ ",-:%72:/-&/-2/+ ) 赵冬至张存智徐恒振海洋渔业灾害应急响应技术研究北京海洋出版社 * ) -&,%-/%-&"%,& /7-&,%//%2--:++)"2&-/ %&/7&%/%2"%!2,-#% %,%"/% --#%-/-& 9%,//"%&%/-77&-%/ #%/%++* ** )"-&, (:7/7-&,%// -77%-2%%&/7&% - --&:// =-/2%#% -/%9/:)+ * 郑安全孙元福师元勋等海面溢油航空遥感监测方法研究波谱特性及实验结果分析海洋学报 +*) ** * 张永宁丁倩高超等油膜波谱特性分析与遥感监测溢油海洋环境科学 +)* 赵冬至从丕福海面溢油的可见光波段地物光谱特征研究遥感技术与应用 *) 韩栋纪凯遥感小卫星简介以北京一号小卫星为例航天返回与遥感范天锡风云三号气象卫星的特点和作用气象科技 )) ) +27/%-%9/%-/,7%-/ %)+)*2,

8 *) 地球信息科学学报年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

数据和方法研究区概况机载高光谱数据收集样地冠层光谱数据收集

数据和方法研究区概况机载高光谱数据收集样地冠层光谱数据收集刘丽娟庞勇范文义李增元李明泽东北林业大学林学院黑龙江哈尔滨中国林业科学研究院资源信息研究所北京杭州师范大学遥感与地球科学研究院浙江杭州将机载和高光谱数据整合既可以获取可见光近红外短波红外区间连续的窄波段地物光谱又能得到很高的空间分辨率为高覆盖度的森林树种识别又增加了一种新方法但是由于两种传感器的光谱响应不同接收到的辐射值差异较大如何将两种数据有效整合目前仍