機(jī)載高光譜成像技術(shù)在溢油檢測方面的應(yīng)用

石油污染是指石油開采、運(yùn)輸、裝卸、加工和使用過程中，由于泄漏和排放石油引起的污染，是世界上最普遍、最有害的環(huán)境污染之一。在石油生產(chǎn)、貯運(yùn)、煉制加工及使用過程中，由于事故、不正常操作及檢修等原因，都會有石油烴類的溢出和排放。石油烴類大量溢出，釋放到水生或陸地環(huán)境中時，會對動植物群以及人類健康產(chǎn)生負(fù)面影響。

因此，對石油泄漏進(jìn)行快速、有效地空間評估，輔助相關(guān)部門做出快速響應(yīng)，有利于降低原油污染對環(huán)境的影響，減少經(jīng)濟(jì)損失。針對大范圍的海洋溢油和陸地石油泄漏等突發(fā)情況，基于高光譜成像技術(shù)的航空遙感目前最有效監(jiān)測手段之一。

一、海洋溢油檢測

隨著海上運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，海上漏油事故也日趨頻發(fā)。溢油是嚴(yán)重的海洋事故，嚴(yán)重污染著海洋生態(tài)環(huán)境。水體石油污染和土壤污染不同，水具有流動性，不及時處理會使污染范圍迅速擴(kuò)大。因此，獲取及時有效的溢油信息至關(guān)重要。高光譜成像具有波段多，分辨率高，信息豐富的特點(diǎn)。與可見光或多光譜成像相比，高光譜成像的細(xì)節(jié)表達(dá)能力尤為突出，可以更好地區(qū)分海水與油膜之間的差異，獲得更加真實(shí)客觀的溢油信息。

圖1.1：AISA+機(jī)載高光譜影像（左）；工作平臺野外航拍影像（中）；溢油區(qū)確認(rèn)圖（黑色為油膜，灰色為海水，白色為工作平臺）（右）

但是，由于海水具有流動性，圖像中不可避免地會出現(xiàn)太陽眩光，以致從遙感數(shù)據(jù)中提取的漏油特征信息不夠準(zhǔn)確。因此，專家學(xué)者基于AISA+機(jī)載高光譜溢油圖像，采用多尺度小波變換、增強(qiáng)Lee濾波、增強(qiáng)Frost濾波和均值濾波方法對圖像進(jìn)行海面閃爍抑制。然后將經(jīng)典支持向量機(jī)方法用于溢油信息檢測，并采用人機(jī)交互解釋獲得的溢油信息分布圖，驗(yàn)證了溢油檢測的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，以上方法可以有效抑制海面閃爍，提高漏油檢測的準(zhǔn)確性。增強(qiáng)Lee濾波方法的最高檢測精度為88.28％，比原始圖像的檢測精度高12.2％。其次為增強(qiáng)Frost過濾方法和中值過濾方法，漏油檢測精度分別為86.64％和84.35％。

圖1.2：基于不同方法的太陽閃爍抑制處理（左）；不同太陽閃爍抑制方法的SVM檢測結(jié)果（黑色為油膜，灰色為海水，白色為工作船平臺）（右）

二、土壤原油污染監(jiān)測

原油輸油管線腐蝕滲漏不僅會造成土壤鹽堿化、毒化，導(dǎo)致土壤廢毀和地下水污染，而且其有毒物能通過農(nóng)作物尤其是地下水進(jìn)入食物鏈系統(tǒng)，最終直接危害人類及其他生物。石油進(jìn)入土壤后，會破壞土壤結(jié)構(gòu)，分散土粒，使土壤的透水性降低。其富含的反應(yīng)基能與無機(jī)氮、磷結(jié)合并限制硝化作用和脫磷酸作用，從而使土壤有效磷、氮的含量減少。特別是其中的多環(huán)芳烴，因有致癌、致變、致畸等活性和能通過食物鏈在動植物體內(nèi)逐級富集，它在土壤中的累積更具危害。

在以前的研究中，使用機(jī)載高光譜遙感（HRS）進(jìn)行陸地區(qū)域原油檢測的方法主要依賴于油脂含量較高的樣品。這些研究方法都基于可以清楚觀察到石油烴（PHC）的光譜特征，但真實(shí)的石油泄漏現(xiàn)場并非都能準(zhǔn)確的識別到PHC光譜特征。原油釋放到環(huán)境中一段時間后，地面表層已經(jīng)無法檢測到明顯的PHC光譜特征，從而無法使用PHC指數(shù)等光譜辦法進(jìn)行準(zhǔn)確地檢測，這對于石油的精準(zhǔn)、有效檢測是一個較大的挑戰(zhàn)。

以色列特拉維夫大學(xué)的研究人員使用AISA Fenix1K傳感器對暴露于地面兩年半后的埃夫羅納自然保護(hù)區(qū)原油泄漏環(huán)境進(jìn)行了原油的識別與分析研究。首先采集了研究區(qū)的機(jī)載高光譜圖像，并使用先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。通過使用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，替代頻帶選擇、降維、多變量校準(zhǔn)和有監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)，成功地區(qū)分了受污染像素和未受污染像素�？傮w準(zhǔn)確性、敏感性、特異性和Kappa分類準(zhǔn)確性度量標(biāo)準(zhǔn)分別對交叉驗(yàn)證產(chǎn)生了0.95、0.95、0.95和0.9的良好結(jié)果，驗(yàn)證數(shù)據(jù)集也獲得了0.93、0.91、0.94和0.85的良好結(jié)果。分類的圖像和測試場景也與災(zāi)難后幾天的正射影像非常吻合。

圖2.1：埃夫羅納（Evrona）研究區(qū)正射影像（左）；漏油和土壤的光譜特征（右）
 

圖2.2：高光譜圖像之上的模型預(yù)測：O表示油（B），C表示干凈（C）。每個場景以三種顯示方式呈現(xiàn)：真彩色、模型預(yù)測（紅色表示油，白色表示干凈）和正射影像。

在預(yù)測圖像中，紅色和白色像素分別對應(yīng)于油和干凈像素的分類結(jié)果。漏油圖案和分類圖像之間顯示出很好的一致性。因此，即使在溢油事件發(fā)生很長一段時間之后，高光譜技術(shù)也可以檢測出溢油現(xiàn)場中的PHC痕跡。

該技術(shù)還可用于監(jiān)視污染物非法排放和泄漏，并且還可適用于環(huán)境監(jiān)視，災(zāi)難管理，管道監(jiān)視等應(yīng)用領(lǐng)域。
 

易科泰生態(tài)技術(shù)公司及西安光譜成像與無人機(jī)遙感技術(shù)研究中心提供近地遙感與無人機(jī)遙感石油污染等環(huán)境監(jiān)測全面技術(shù)方案：

Ø近地遙感與無人機(jī)遙感高光譜成像技術(shù)

ØMWIR中波紅外熱成像技術(shù)檢測石油烴 、VOC及污染排放監(jiān)測

ØEcoProbe便攜式VOC檢測、易燃易爆物檢測技術(shù)