基于遙感技術(shù)的海上溢油應(yīng)急響應(yīng)

夏威

摘 要：近年來，隨著全球海上石油運量的持續(xù)上升、海洋石油開采的不斷發(fā)展，海上溢油的風險也在加大，為我國海上應(yīng)急保障工作敲響了警鐘。本文針對我國溢油應(yīng)急響應(yīng)中的現(xiàn)狀和不足進行分析，基于遙感監(jiān)測技術(shù)，研究了應(yīng)急響應(yīng)與決策系統(tǒng)，通過遙感影像監(jiān)測，客觀真實地再現(xiàn)溢油污染范圍、污染程度，評估溢油污染損害，為海上應(yīng)急管理機制的完善和溢油響應(yīng)技術(shù)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：遙感技術(shù) 溢油 交通運輸應(yīng)用 應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)

隨著世界各國對石油需求的日益增長，石油貿(mào)易逐年上升，海上石油的勘探、開采和運輸帶了嚴重的污染。據(jù)不完全統(tǒng)計，每年通過各種渠道傾注到海洋的石油和石油產(chǎn)品，約占全世界石油總產(chǎn)量的0.5%，傾注到海洋的石油量達200萬噸～1000萬噸。2006年，中國成為第二大原油消費國，伴隨著我國海上石油運量、石油開采的持續(xù)上升，海上溢油風險也在加大。我國海上各種大小污染事故每年發(fā)生數(shù)百起，給海洋生態(tài)環(huán)境帶來嚴重影響，對沿海漁業(yè)資源和人身健康造成了嚴重損害。

溢油事故不但因石油流失帶來直接經(jīng)濟損失，還會影響海洋生態(tài)環(huán)境，造成海洋動植物大量死亡，污染船舶和設(shè)備，影響漁業(yè)的捕撈、養(yǎng)殖以及相關(guān)水產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)鏈。如果溢油發(fā)生在近海港口或旅游區(qū)，將影響水上運輸、海港貨物裝卸、沿岸旅游，造成間接經(jīng)濟損失。石油中含有致癌物質(zhì)，直接污染海產(chǎn)品，在焚燒或蒸發(fā)過程中污染大氣，對人群健康帶來長期影響。如何有效地對溢油污染進行監(jiān)控與應(yīng)急響應(yīng)顯得日益迫切。海上溢油由于擴散范圍廣、離岸距離遠，往往不易直接觀測，給應(yīng)急處理工作帶來了挑戰(zhàn)。利用遙感技術(shù)對海上溢油等災(zāi)害進行應(yīng)急動態(tài)監(jiān)測，可獲取油污位置、面積、油膜厚度等信息；同時，結(jié)合風向信息，可以動態(tài)分析溢油污染擴散態(tài)勢及影響，從而為跟蹤控制溢油污染、快速組織治理提供重要的技術(shù)手段，本文針對遙感技術(shù)在溢油應(yīng)急響應(yīng)中的應(yīng)用進行研究，探討遙感的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)并設(shè)計溢油應(yīng)急處理系統(tǒng)。

現(xiàn)狀分析

1、溢油污染類型

根據(jù)污染來源，溢油污染可以分成以下幾類：

1.1海上油井污染

因石油的勘探、開發(fā)而導(dǎo)致的油井原油泄漏。油井事故使大量的石油進入海洋，給海洋生態(tài)帶來嚴重破壞，一旦發(fā)生，通常屬于嚴重事故，如：2010年5月，我國當時最大的海上油氣田中海油天津南海一號鉆井平臺發(fā)生溢油事故；2011年6月，中海油與美國康菲合作開發(fā)的渤海蓬萊19-3油田發(fā)生海底油井溢油事故，造成渤海面積的7%被污染。

1.2石油裝卸污染

近岸輸油管線泄漏，以及油船裝貨時發(fā)生溢油。事故往往是由于人員操作不當，或者輸油器材老化、松動引起。近年來的此類重大事故有：2010年7月，大連新港中石油輸油管線爆炸；2013年11月，中石化東黃輸油管線發(fā)生爆炸，直接經(jīng)濟損失75172萬元。

1.3船舶事故溢油

船舶因碰撞、擱淺等事故后油箱的泄漏溢油。如果是普通船只，溢油量取決于油箱容量，造成的污染有限；如果是油輪事故，往往造成大量的石油泄漏到水域和陸地，對環(huán)境危害嚴重。

1.4油船污水排放

油船在運輸過程中，貯油艙產(chǎn)生大量壓載水、洗艙水等含油污水，這些污水如直接排放即容易造成對水體的污染。

1.5船舶用油泄漏

船只在加裝燃油或者日常航行過程中，因燃料泄漏，或者機油、潤滑油等的滲漏，都可以造成水域的污染。

2、問題與不足

海洋是可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略空間和潛力巨大的資源寶庫，是世界貿(mào)易的大動脈，更是國際政治、經(jīng)濟、科技和軍事競爭與合作的重要舞臺。但是，只要對石油的依賴不改變，溢油事件就無法徹底避免。近年來，我國海上溢油事故在不斷發(fā)生，并且逐步升級，為海上應(yīng)急保障工作敲響了警鐘。2014年1月，國務(wù)院安委會提出，必須強化油氣應(yīng)急管理，制定事故專項應(yīng)急預(yù)案，全面提高應(yīng)急處置水平。但是，目前與發(fā)達國家相比，我國在海上溢油污染應(yīng)急響應(yīng)方面的能力還存在不足，突出問題主要體現(xiàn)在以下方面：

2.1缺乏系統(tǒng)性的應(yīng)急協(xié)調(diào)機制

海上應(yīng)急工作機制還不夠健全，相關(guān)事故處理手段亟待提高，經(jīng)常出現(xiàn)多個部門各自為戰(zhàn)的情況，容易造成資源的浪費和信息的不對稱。沒有建立由多個權(quán)威部門共同參與、統(tǒng)一協(xié)調(diào)、分工負責的應(yīng)急反應(yīng)協(xié)調(diào)機制，難以迅速調(diào)集各方反應(yīng)力量，并保證各相關(guān)方之間緊密合作。

2.2缺乏快速高效的信息獲取分發(fā)體系

海上事故發(fā)生后，指揮人員必須在第一時間對危害和風險進行辨識和評估，杜絕盲目處置。而在以往的多起重大溢油事故中，由于信息的復(fù)雜多變，經(jīng)常需要在指揮人員趕往事發(fā)區(qū)后才能做出決策，很容易造成工作的延誤。因此，從信息管理的角度而言，尚缺乏多種監(jiān)測手段、多種平臺結(jié)合的信息快速獲取、組織和分發(fā)體系。

2.3缺乏高效運轉(zhuǎn)的指揮系統(tǒng)

在應(yīng)急救援工作的部署方面，需要指揮人員以最快的速度將有效資源部署到污染區(qū)域，并與上級領(lǐng)導(dǎo)部門、應(yīng)急作業(yè)人員、跨行業(yè)專家以及公眾保持有效的溝通。與歐美發(fā)達國家相比，我國在大型事故的快速部署和大范圍的聯(lián)絡(luò)指揮方面還有一定的差距。2010年美國在處理墨西哥灣溢油事故時，成立了大型指揮中心，包括聯(lián)絡(luò)處、信息發(fā)布與宣傳報道組、油污清理組、專家技術(shù)組等相關(guān)機構(gòu)，并與美國當?shù)卣e極配合，不但能夠指揮部署專業(yè)工作人員，同時也將當?shù)鼐用窦{入到保衛(wèi)家園環(huán)境的工作中，并形成了一整套規(guī)章制度，包括招募、審核、培訓(xùn)和監(jiān)管等，組織的作業(yè)船舶超過6000艘。目前，我國的指揮系統(tǒng)尚不能在短時間內(nèi)確立行之有效的保護策略并調(diào)用和組織如此龐大的應(yīng)急隊伍。

2.4溢油自動檢測與預(yù)測模擬的研究有待提高

在預(yù)警方面和事故處置時，為了在短時間內(nèi)自動發(fā)現(xiàn)問題，需要多種監(jiān)測手段協(xié)同配合，將通過航空和衛(wèi)星遙感監(jiān)測、浮標探測等技術(shù)獲取的多源數(shù)據(jù)融合。由于海上環(huán)境復(fù)雜多變，溢油在風浪海流等自然因素的聯(lián)合作用下，擴散范圍和形態(tài)會不斷變化，因此，清除回收溢油的成果在很大程度上也依賴于對溢油場景動態(tài)模擬和有效預(yù)測。目前，各發(fā)達國家都開發(fā)了溢油預(yù)測模擬信息系統(tǒng)，如美國Oilmap系統(tǒng)、英國OSIS系統(tǒng)、挪威Oscar系統(tǒng)等。縱觀目前的發(fā)展趨勢，溢油的分析與GIS技術(shù)、通訊技術(shù)的結(jié)合越來越緊密，我國仍需在這些方面加強研究，提高溢油的分析預(yù)測能力。

遙感技術(shù)的應(yīng)用分析

為了提高對海洋溢油的監(jiān)測監(jiān)控與應(yīng)急管理功能，需要提高信息獲取、指揮調(diào)度和應(yīng)急處置能力，對應(yīng)急響應(yīng)進行信息化的規(guī)范管理。對這一需求，遙感技術(shù)提供了良好的解決手段。遙感圖像覆蓋面積大，一景圖像通?？蓪?yīng)數(shù)百平方公里區(qū)域，宏觀性強，可以直接疊加氣象、水文、應(yīng)急人員與裝備分布等信息，有利于制作專題圖，將豐富的海上狀況信息直觀地展現(xiàn)給相關(guān)人員進行分析決策和指揮調(diào)度。高分辨率遙感影像能夠精確地提供油膜的幾何形狀和分布信息，并可以根據(jù)影像反射情況，分析出油膜厚度、乳化和分解程度，適合對海洋這種大范圍區(qū)域的監(jiān)控。遙感的信息獲取，可以通過衛(wèi)星和無人機實現(xiàn)，不需要人工實地勘測，特別是雷達SAR遙感，不易受地表環(huán)境（海上氣候）的限制，能夠以較低的成本快速獲取地形信息。

1、關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)所采用的電磁波波段，目前的主流監(jiān)測技術(shù)可分成以下幾種：

1.1雷達遙感技術(shù)

雷達影像只需經(jīng)校正、去噪等基本處理，即能夠以目視辨認溢油區(qū)域。如圖1所示，該圖為RADARSAT-2衛(wèi)星的合成孔徑雷達（SAR， Synthetic Aperture Radar）影像，2010年7月拍攝于大連附近海域，圖中白色區(qū)域為陸地，黑色區(qū)域（紅圈中）為海上溢油。溢油在影像中呈現(xiàn)黑色是因為，溢油形成的油膜抑制了海面上的毛細波紋，海面比沒有油膜的海面更加光滑，雷達波照射下為低散射。在實際應(yīng)用中，除了圖1 的合成孔徑雷達SAR外，還可以使用側(cè)視機載雷達（SLAR， side-looking airborne radar），其造價相對便宜，缺點是SLAR天線尺寸大于同等分辨率的SAR天線。

雷達波對油膜的存在是比較敏感的，這一特點使得其應(yīng)用十分廣泛，是遙感領(lǐng)域目前最主要的溢油探測手段。由于雷達波可以穿透云層探測地表，所以不易受天氣狀況的影響，也可以在夜晚工作。

1.2紅外＼紫外輻射技術(shù) （IR＼UV）

紅外光譜具有識別不同溫度目標的功能，而油膜覆蓋的海面可以吸收太陽輻射并以特定波長釋放，所以可利用這一特點探測海上油膜。在紅外圖像中，厚油膜發(fā)出較高溫度熱輻射，中油層則顯示相對較低溫度。

紅外圖像難以區(qū)分薄油層，這一問題可以利用紫外光譜彌補，紫外波段對于很薄的油層（<0.05μm）也有較高的輻射度，對溢油同時進行紅外和紫外的掃描就可以分析油膜的厚度。

1.3高光譜技術(shù)

高光譜遙感技術(shù)是一種新型的對地觀測技術(shù)，具有不同于傳統(tǒng)遙感的特點，主要表現(xiàn)在：成像光譜儀可以為每個像元提供數(shù)十至數(shù)百個波段的光譜信息，光譜分辨率可達納米數(shù)量級。由于包含了豐富的光譜，不同類型的溢油（原油、汽油、柴油、潤滑油）等能夠在圖像中體現(xiàn)不同的光譜曲線，因此，可以為不同的海上目標建立光譜庫，通過將油污的光譜與標準光盤庫進行特征比對（如：計算光譜角距離），從而實現(xiàn)對溢油種類的識別。

1.4激光識別

油膜在激光下產(chǎn)生熒光，可以用于鑒別溢油種類、探測油膜厚度。在激光下，油膜發(fā)出的熒光和其他海上目標的熒光波長有較大差異，所以可以用機載LiDAR等技術(shù)手段，精確分析溢油情況。但是激光的成本較高，目前應(yīng)用較少。在實際應(yīng)用中，主要使用的是遠紅外、多光譜（覆蓋藍光、綠光、紅光、近紅外）光學(xué)遙感影像和SAR雷達遙感影像。

2、ROI對象

在對溢油事故進行應(yīng)急處置時，除直接使用遙感分析油膜外，同時還應(yīng)對可能受到溢油影響的海上目標進行監(jiān)測，即對潛在的感興趣目標區(qū)域（ROI，Region of Interest），進行ROI提取；然后有針對性地制作數(shù)字正射影像（DOM）和制作相關(guān)專題分析產(chǎn)品（比例尺在1：5000、1：1萬左右），以更好地服務(wù)于應(yīng)急工作需求。

表1給出了需要關(guān)注的對象和其對應(yīng)的監(jiān)測內(nèi)容。通常，海上日常監(jiān)測所需的遙感影像空間分辨率為0.5米-15米，時間分辨率為半個月/次（執(zhí)法與應(yīng)急情況下則拍攝頻率優(yōu)于1天且具有一定機動性），目標相對定位精度優(yōu)于5米。

基于遙感的溢油應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計

海上溢油應(yīng)急反應(yīng)和清污作業(yè)的環(huán)境條件通常比較惡劣和復(fù)雜，溢油在風浪、光照等自然因素的作用下，位置和形態(tài)又在不斷地變化，因此，建設(shè)科學(xué)的海上溢油應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)涉及衛(wèi)星遙感、雷達探測、航空遙感、導(dǎo)航定位、數(shù)學(xué)計算模型等多種技術(shù)手段的有機結(jié)合。系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，主要包括以下內(nèi)容：

1、溢油狀態(tài)（位置、范圍、溢油量、油污類型）探測

使用航空遙感和衛(wèi)星遙感技術(shù)手段，快速獲得大范圍的溢油監(jiān)測圖像，然后根據(jù)光譜特征和反射率識別油污。理論研究和應(yīng)用實踐表明：雷達、熱紅外、紫外是最重要的溢油成像波段，利用多遙感器（機載＼星載的合成孔徑雷達SAR、紅外掃描儀、多光譜和高光譜成像儀）的集成，結(jié)合統(tǒng)一時空框架組織的多源信息融合技術(shù)，識別油污的位置和范圍。

2、溢油漂移變化預(yù)測

遙感影像獲得的是溢油瞬時狀態(tài)的基本范圍和屬性信息，要想動態(tài)跟蹤溢油變化，可以在油污區(qū)拋設(shè)浮標，對溢油漂移動態(tài)進行跟蹤定位；可結(jié)合船載、岸基雷達裝備，進行實時監(jiān)測，以補充遙感技術(shù)手段在實效性方面的不足；進而，將多種傳感器的監(jiān)測信息進行時空關(guān)聯(lián)，進行天基（遙感）-船基-浮標基-岸基的聯(lián)合監(jiān)測與跟蹤。

溢油的動態(tài)分析，還可以通過建立數(shù)學(xué)預(yù)測模型實現(xiàn)。溢油在海洋中的行為主要表現(xiàn)為漂移，擴散、蒸發(fā)、乳化過程，系統(tǒng)通過建立溢油的行為模型（漂移、擴散）、風化模型（揮發(fā)乳化、溶解、降解沉降）等，接入海上環(huán)境監(jiān)測信息（風場、潮流、海溫、水深）和溢油屬性信息（溢油位置、種類、發(fā)生時間），對溢油的走向變化進行動態(tài)模擬，判斷溢油可能的漂移軌跡、擴散范圍、上岸時間地點等，然后根據(jù)預(yù)測信息，決策人員可以及時調(diào)集應(yīng)急隊伍和清理設(shè)備到達適當?shù)淖鳂I(yè)地點，同時向環(huán)境敏感區(qū)發(fā)布污染預(yù)警，以便提前預(yù)防避免重大污染損失。

3、危害性評估

3.1初始評估

初始評估指的是在發(fā)現(xiàn)溢油事故后，通過遙感影像分析、實地考察等手段，識別溢油的種類、油膜厚度等屬性，估計溢油量及其可能的污染影響，將調(diào)查結(jié)果提交給應(yīng)急救援人員，并給出溢油處理建議。

3.2施工影響評估

溢油給海洋生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重的影響，而一些溢油清理手段（如受控燃燒法、噴灑溢油分散劑）同樣也會對海上航運、海洋氣候帶來不利影響。因此，在溢油處理過程中，系統(tǒng)接入溢油海區(qū)的監(jiān)測信息，對溢油帶來的環(huán)境（海溫、海流等）影響進行跟蹤。

4、應(yīng)急預(yù)案管理

包括事前建立應(yīng)急預(yù)案，事發(fā)時的應(yīng)急效果推演，為應(yīng)急指揮提供決策輔助。

4.1應(yīng)急預(yù)案搜索

事先建立溢油應(yīng)急事故預(yù)案，為不同類型的事故建立與之相應(yīng)的處理策略（如燃燒法、撇油器回收、噴灑分散劑等），為事故的不同階段建立處置方案。在事故發(fā)生后，根據(jù)溢油等災(zāi)害發(fā)生的位置、危害程度及擴散態(tài)勢，提供針對性的預(yù)案，為應(yīng)急指揮提供快速的輔助參考方案。

4.2預(yù)案效果推演

為不同類型的預(yù)案提供效果模擬和供應(yīng)急隊伍推演，通過地理信息系統(tǒng)，為指揮中心提供可視化展示功能，在電子海圖上生成污染區(qū)、環(huán)境敏感區(qū)和應(yīng)急人員設(shè)備的地理分布信息，有助于決策人員進行分析和應(yīng)急部署。在未發(fā)生應(yīng)急事故時，還可以用于應(yīng)急反應(yīng)計劃的演習和人員培訓(xùn)。

5、遠程指揮與協(xié)作

5.1多部門協(xié)同會商

在通訊系統(tǒng)支持下，實現(xiàn)異地水上溢油事故的遠程指揮，構(gòu)建“天空-陸地-海面-現(xiàn)場”一體化的移動應(yīng)急指揮網(wǎng)絡(luò)；采用跨平臺聯(lián)動技術(shù)，提供海事部門、環(huán)保部門、海洋局、軍隊等多個部門的遠程會議支持，進行跨部門的信息聯(lián)絡(luò)和統(tǒng)一指揮管理，以支持各個相關(guān)部門的協(xié)同作業(yè)，形成統(tǒng)一的應(yīng)急處理體系。

5.2數(shù)據(jù)分發(fā)共享

面向參與應(yīng)急救援的多部門，提供數(shù)據(jù)的推送和共享。將多平臺的觀測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計報表數(shù)據(jù)以及分析決策數(shù)據(jù)推送到應(yīng)急響應(yīng)的各個相關(guān)單位，包括環(huán)保部門、交通部海事局、農(nóng)業(yè)部漁業(yè)局、國家海洋局民政部、國家安全生產(chǎn)監(jiān)管總局、國家氣象局和軍隊等。

提供溢油災(zāi)情的信息報道。系統(tǒng)接入海洋局、氣象局的監(jiān)測信息，對溢油帶來的海洋環(huán)境（海溫、海流等）影響進行跟蹤。通過將海洋氣象信息（海溫、海浪、洋流、海冰等）和環(huán)境氣候信息顯示到系統(tǒng)的電子海圖界面，實現(xiàn)綜合海洋環(huán)境監(jiān)測信息的可視化，用于處理決策、新聞報道、環(huán)境影響評價、污染損害索賠等。

總結(jié)

溢油屬突發(fā)性海洋污染事故，海上環(huán)境條件通常比較惡劣和復(fù)雜，溢油在風浪流及光照等自然因素的聯(lián)合作用下，位置和形態(tài)又在不斷地變化，因此，需要作出快速的應(yīng)急反應(yīng)，盡可能予以控制、回收和清除，減少所造成的環(huán)境污染損害。本文分析了遙感技術(shù)在溢油應(yīng)急響應(yīng)中的作用，通過綜合利用多源異構(gòu)空間地理信息資源，設(shè)計了集 “監(jiān)測-響應(yīng)-處置-評估”為一體的溢油應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)，為決策者進行針對性部署、指導(dǎo)和監(jiān)控溢油處理工作提供輔助和參考。

參考文獻：

[1]熊韶輝.論中國實現(xiàn)石油安全的貿(mào)易戰(zhàn)略和策略 [D]，對外經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué)。

[2]安偉， 王永剛， 王新怡， 牛志剛， 趙宇鵬.中國近海海上溢油預(yù)測與應(yīng)急決策支持系統(tǒng)研發(fā). 海洋科學(xué)， vol. 34， 2010.

[3]劉興權(quán)， 蘇偉光， 蘇奮振.基于 SAR 圖像的海洋溢油提取方法研究. 黑龍江科技信息， vol. 22， pp. 56-57， 2008.

[4]劉康煒等.海上溢油監(jiān)測技術(shù)研究進展. 安全、健康和環(huán)境，2012

[5]安居白，張永寧.發(fā)達國家海上溢油遙感監(jiān)測現(xiàn)狀分析 [J]. 交通環(huán)保， vol. 23， pp. 27-29， 2002.

[6]國家海洋局，“2010年中國海洋衛(wèi)星應(yīng)用報告”。

[7]陳輝，趙朝方.MODIS 多光譜信息在海上溢油檢測中的應(yīng)用.海洋湖沼通報， pp. 46-52， 2009.

[8]吳曉丹， 宋金明， 李學(xué)剛， 袁華茂， 張默.海洋溢油油膜厚度影響因素理論模型的構(gòu)建.海洋科學(xué)， vol. 34， p. 68， 2010

[9]M. N. Jha and Y. Gao.Oil spill contingency planning using Laser Fluorosensors and web-based GIS.Oceans 2008， 01 2008.

[10]楊瑞， 劉晉川， 謝文寧， 姚立柱.基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的海上溢油跟蹤浮標的開發(fā)研制.水運科學(xué)研究， 2009

[11]張煜洲等.遙感技術(shù)監(jiān)測海上溢油現(xiàn)狀及趨勢.杭州師范大學(xué)學(xué)報，2013。

[12]H. Assilzadeh and Y. Gao.Oil spill emergency response mapping for coastal area using SAR imagery and GIS.Oceans 2008， 01 2008.

（作者單位：中國交通通信信息中心）