海洋溢油遙感探測技術(shù)現(xiàn)狀及預(yù)見

孫樂成 周青 王娟

摘要：海洋溢油作為當(dāng)今海洋污染最嚴重的問題之一，早已引起我國政府及各相關(guān)職能機構(gòu)的高度重視。多年來，國內(nèi)外都在積極探索研究溢油污染精細探測方法，遙感溢油探測技術(shù)是其中的研究熱點之一。文章從海面油、沉潛油兩種溢油類型總結(jié)了國內(nèi)外遙感溢油探測技術(shù)的現(xiàn)狀及面臨的主要問題。海面油的技術(shù)發(fā)展較全面，但仍受多項技術(shù)困難制約;沉潛油的探測已列入重點計劃，但離業(yè)務(wù)化應(yīng)用仍有較大差距;并就未來在海洋溢油遙感探測技術(shù)方面的發(fā)展趨勢作出了展望。

關(guān)鍵詞：海洋生態(tài)文明建設(shè);溢油;遙感;現(xiàn)狀;預(yù)見

中圖分類號：P76文獻標志碼：A文章編號：1005-9857（2019）03-0049-05

The Present Situation and Forecast of Marine Oil Spill Detection Technology by Using Remote Sensing

SUN Lecheng，ZHOU Qing，WANG Juan

（North China Sea Enviromental Monitoring Center，State Oceanic Administration，Qingdao 266000，China）

Abstract：As one of the most serious problems of marine pollution，marine oil spill has attracted great attention of the government and relevant departments.The fine detection methods of oil spill have been explored over years by domestic and foreign agencies.Remote sensing detection technology is one of the research hotspots.This paper summarized the present situation of oil spill detection by remote sensing from two types of oil spill： surface oil and submerged oil.The main problems of current technologies were described also，surface oil spill detection technology had been explored integrally，but it was still restricted by many technical difficulties.Submerged oil detection had been included in the National Key Research and Development Program，but there was still a marked gap between the commercial application and the current status.The prospect of developing trend on oil spill detection by using remote sensing was also made in this paper.

Key words：Construction of marine ecological civilization，Oil spill，Remote sensing，Present situation，F(xiàn)orecast

1背景

黨的十八大以來，以習(xí)近平同志為核心的黨中央高度重視生態(tài)文明建設(shè)，提出了一系列關(guān)于生態(tài)文明建設(shè)的新理念新思想新戰(zhàn)略，黨的十九大更是明確要求加大生態(tài)系統(tǒng)保護力度。

海洋生態(tài)文明建設(shè)作為國家生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，根本目標是建設(shè)美麗海洋。而我國所轄海域每年都面臨各種類型的海洋污染的威脅，海洋溢油作為當(dāng)今全球海洋污染最嚴重的問題之一，早已引起我國政府及各相關(guān)職能機構(gòu)的高度重視。

海洋溢油往往會造成大面積海面石油污染，不僅使海洋立體生態(tài)系統(tǒng)遭受重大損害，同時也會帶來巨大的經(jīng)濟損失，甚至嚴重危害人體健康。2011年6月，山東蓬萊193油田溢油事故，造成蓬萊193油田周邊及其西北部面積約6 200 km2海域的海水污染，海洋生態(tài)損害價值總計1683億元[1]。

多年來，國內(nèi)外都在積極探索研究溢油污染精細探測方法，為溢油風(fēng)險巡視、溢油污染監(jiān)視監(jiān)測預(yù)警及應(yīng)急處置、溢油生態(tài)損害評估及修復(fù)提供技術(shù)支持。遙感溢油探測技術(shù)是其中的研究熱點之一。

2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

海洋溢油根據(jù)其分布不同，大致可分海面油、沉潛油兩種類型。

21海面油遙感探測技術(shù)

目前，可用于海面溢油遙感探測的技術(shù)發(fā)展比較完善，主要以航空遙感平臺、衛(wèi)星遙感平臺、船載?；痘b感平臺搭載不同類型的傳感器實現(xiàn)海面油膜的多元探測。

211遙感平臺

航空遙感：航空遙感由于具有反應(yīng)快、靈活機動、高分辨率、高時效、影像實時傳輸?shù)葍?yōu)勢，是目前溢油事故監(jiān)測工作中使用最多且最有效的技術(shù)手段[2]。

衛(wèi)星遙感：與航空遙感相比，衛(wèi)星遙感具有監(jiān)測范圍大、成本低、不受危險區(qū)域影響、圖形資料易于處理和解譯的特點，是現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的溢油遙感探測手段[3]。

船載?；痘b感：通過岸基?；b感平臺搭載視頻、雷達等傳感器，可針對溢油高風(fēng)險區(qū)實現(xiàn)有效的定點在線監(jiān)測，是航空遙感、衛(wèi)星遙感溢油探測的重要技術(shù)補充。

212遙感傳感器

目前，可用于海面溢油探測的傳感器包括微波傳感器、光學(xué)傳感器、激光傳感器和激光-聲學(xué)傳感器等。

微波傳感器有雷達傳感器和微波輻射計。

①雷達傳感器是一種目前使用廣泛的海洋溢油探測傳感器[4]。

利用星載或機載合成孔徑雷達（SAR）進行海洋溢油探測是目前國際上較為常用的監(jiān)測手段。

機載SAR的使用更加普及，目前擁有機載SAR溢油觀測能力的國家有中國、美國、德國、英國、法國、俄羅斯、加拿大、瑞典、荷蘭、丹麥、澳大利亞、南非等[8]。

以X波段雷達、視頻監(jiān)控為主的船載海基岸基雷達溢油在線監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)外交通海事、環(huán)境保護和油氣勘探等行業(yè)的溢油監(jiān)視監(jiān)測中已得到廣泛應(yīng)用。

②微波輻射計是一種具有應(yīng)用潛力的全天候溢油探測器，但目前國際上對該領(lǐng)域的研究相當(dāng)薄弱。瑞士空間局已經(jīng)研制了包括雙波段（224 GHz和31 GHz）以及單波段（37 GHz）的輻射計傳感器，但Mussetto等[9]的研究表明，信號與海面油層厚度呈弱相關(guān)，除油層厚度外，其他因素也可以影響信號的強度。目前人們正在研究在兩個正交極化方向上測量極化對比強度，以測量油層厚度的新方法。

光學(xué)傳感器包括：可見光傳感器、紅外傳感器、紫外線傳感器、高光譜成像光譜儀。

①可見光傳感器。目前，利用可見光傳感器開展海面溢油探測主要借助高空間分辨率的可見光影像進行溢油區(qū)域的識別。國際上知名度較高的QuickBird、IKONOS、WordView、GeoEye、SPOT系列、GF系列衛(wèi)星等都搭載有高分辨率的可見光傳感器，航空遙感平臺也都搭有高清光學(xué)相機，這些都可用于海面溢油的探測。

②紅外傳感器。

由于厚油層能夠吸收太陽輻射，并將部分吸收輻射以熱能的形式重新釋放出去，紅外圖像中，厚油層“熱”，中等厚度“冷”，薄油層或油膜難以探測。由于這個局限，使得紅外傳感器用于海面溢油探測難以得到有效使用[10]。

③紫外傳感器可以對甚薄油層進行探測，因為即使是甚薄油層也會有很高的紫外輻射反射。通過紫外與紅外圖像的疊加分析，可以得到比單一波段探測更好的效果。

④高光譜成像光譜儀（HRS）能夠獲得連續(xù)波段信息，它以其“圖、譜”合一的優(yōu)勢在溢油探測中潛力巨大，應(yīng)用前景廣闊[11-12]，而且高光譜遙感從機理角度能夠識別油膜組分[13]?；旌瞎庾V分解技術(shù)[13]、純凈像元指數(shù)（PPI）、光譜角度制圖法（SAM）、混合調(diào)制匹配濾波（MTMF）[14]等方法已應(yīng)用于海面溢油信息提取。

激光誘導(dǎo)熒光探測器（LIF）是一種新興的機載傳感器，用于海上溢油探測具有諸多優(yōu)勢，但尚不能星載。激光誘導(dǎo)熒光探測是目前唯一能區(qū)分海藻和油污染、監(jiān)測岸灘溢油、監(jiān)測海冰和雪中石油污染的遙感手段[15]。

美國國土安全部海岸護衛(wèi)隊目前正在支持開發(fā)航空激光誘導(dǎo)熒光探測儀，該儀器的最新型號已由歐共體（EC）研制完成。中國海洋大學(xué)的趙朝方等針對激光誘導(dǎo)熒光海洋溢油探測軟硬件系統(tǒng)研制方面開展了研究[16];大連海事大學(xué)的安居白、李穎團隊對溢油種類識別、機載激光誘導(dǎo)熒光海上溢油信息提取與反演開展了研究[17-18]。

激光-聲學(xué)傳感器。

激光-聲學(xué)技術(shù)是一種很有發(fā)展前景的技術(shù)。目前正在研發(fā)的激光-聲學(xué)儀器是唯一可以探測油膜絕對厚度的遙感探測器，是一種十分可靠并具有發(fā)展前景的技術(shù)。該技術(shù)目前正由加拿大皇家石油公司、加拿大環(huán)境署和美國礦產(chǎn)管理局等單位聯(lián)合開發(fā)。實驗室測試結(jié)果證明該種方法是完全可行的，目前正在進行業(yè)務(wù)化可行性試驗。

22沉潛油遙感探測技術(shù)

目前國際上對沉潛油的探測技術(shù)主要包括聲學(xué)探測、光學(xué)探測、物理吸附和原位監(jiān)測。USCG 通過試驗擇優(yōu)選取了熒光偏振和多波束聲吶進行設(shè)備開發(fā)應(yīng)用。MT Athos 1 事故成功采用了物理吸附方法進行沉潛油探測和跟蹤;墨西哥灣溢油事故中利用裝有聲學(xué)多普勒海流剖面儀和聲吶的水下機器人對海底溢油進行探測;DBL152 事故采用側(cè)掃聲吶、ROV、水下攝像機或和潛水員、VSORS、捕捉器等多種技術(shù)聯(lián)合探測水體和海底的溢油。

我國沉潛油的研究起步較晚，國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心在大連7·16 溢油事故和蓬萊193 溢油事故中，采用原位監(jiān)測和ROV 等多種手段，驗證了溢油在水體中的沉潛行為和垂直分布規(guī)律，采用剖面成像（SPI）、側(cè)掃聲吶、多波束聲吶、原位采樣等技術(shù)對溢油現(xiàn)場的沉底油進行了探測，發(fā)現(xiàn)了底層海水含油量遠高于表層的現(xiàn)象。2016年，在國家重點研發(fā)計劃項目海洋環(huán)境安全保障專項中，支持了海洋交通已有監(jiān)測預(yù)警與防控技術(shù)研究及應(yīng)用項目，沉潛油的探測技術(shù)研究及應(yīng)用是其中一個重要研究方向。

3目前面臨的主要問題

31海面油的技術(shù)發(fā)展較全面，但仍受多項技術(shù)困難制約

目前用于海面油膜探測的技術(shù)發(fā)展較快，主要以航空遙感、衛(wèi)星遙感、船載岸基?；走_等手段探測油膜，但仍受多項技術(shù)困難的制約。

311遙感平臺

航空遙感主要借助有人機實現(xiàn)，費用高，且由于人員的介入導(dǎo)致風(fēng)險性大大提高，難以抵近溢油高危險區(qū)域進行有效探測，加上續(xù)航能力及夜航能力的限制，使得航空遙感探測溢油只能在有限的場景下開展。

衛(wèi)星遙感最大的受限因素是時間分辨率、空間分辨率的兩極矛盾。要么衛(wèi)星重訪能力差，難以開展連續(xù)性觀測;可開展連續(xù)觀測的衛(wèi)星往往空間分辨率不足。這種矛盾制約了衛(wèi)星遙感平臺的溢油遙感探測技術(shù)的進展。

船載岸基?；走_可實時在線探測溢油，但觀測范圍有限，海洋溢油的突發(fā)性和不確定性導(dǎo)致采用此類技術(shù)的使用只能針對預(yù)先評估的高風(fēng)險區(qū)進行，難以形成連續(xù)大面積覆蓋的溢油遙感探測能力。

312遙感傳感器

可見光傳感器由于溢油物質(zhì)與背景之間的對比度不大，導(dǎo)致探測能力有限，目前只有高空間分辨率的可見光傳感器可以對海面溢油開展有效探測，但受限于搭載的平臺，只能在有限場景下開展。

紅外傳感器由于中等厚度油的“冷”特性，在大多數(shù)情況下無法對乳化溢油進行探測。

紫外傳感器易由外界環(huán)境因素（太陽耀斑、海表亮斑、生物物質(zhì)）的干擾而產(chǎn)生虛假信息。

高光譜傳感器的空間分辨率不足，難以滿足精細化溢油遙感探測的要求。

激光誘導(dǎo)熒光探測器和激光-聲學(xué)探測器是目前唯一能夠區(qū)別溢油污染和水生植物及海岸，并可辨別出溢油種類和油層厚度的傳感器，但都尚處于研制或研發(fā)階段，難以投入實際應(yīng)用。

313其他

目前已經(jīng)推廣使用的多項溢油遙感探測技術(shù)只能提供溢油面積及分布，都難以準確測定油膜厚度，導(dǎo)致溢油量的準確估算難以實現(xiàn)[19-25]。

32沉潛油的探測已列入重點計劃，但離業(yè)務(wù)化應(yīng)用仍有較大差距

2016年，在國家重點研發(fā)計劃項目海洋環(huán)境安全保障專項中，支持的海洋交通已有監(jiān)測預(yù)警與防控技術(shù)研究及應(yīng)用項目將對沉潛油的探測技術(shù)做重點研究并開展應(yīng)用示范，將分別建立沉潛油多波束、成像聲吶等聲學(xué)探測技術(shù)和多通道全波形激光雷達探測技術(shù)，形成一套沉潛油的探測技術(shù)和裝備體系，但離業(yè)務(wù)化應(yīng)用仍有較大差距。

4未來主要技術(shù)預(yù)見

41海面油遙感探測技術(shù)

411遙感平臺

無人機海洋溢油遙感探測技術(shù)將得到大力推廣使用。中空長航時無人機搭配中近程無人機和超近程旋翼無人機的聯(lián)合觀測，在搭載了高清的光電平臺、機載SAR等傳感器后，具有起飛靈活、探測范圍廣、夜視及續(xù)航能力強、可抵近或飛入溢油高危險區(qū)、運行費用低等特點，可有效克服現(xiàn)有有人機航空平臺和衛(wèi)星平臺的不足，將在海洋溢油遙感探測中發(fā)揮巨大作用。

我國海洋衛(wèi)星與衛(wèi)星海洋發(fā)展規(guī)劃支持的新一代海洋衛(wèi)星將會使我國海洋溢油遙感探測具備系列化、業(yè)務(wù)化和定量化的海洋衛(wèi)星觀測體系，新一代海洋衛(wèi)星系列搭載的中分辨率光譜儀、微波輻射計、C波段合成孔徑雷達（SAR）等，它們的投入，加上已經(jīng)在軌運行的GF1號、GF2號高分辨率光學(xué)衛(wèi)星和GF3號1 m分辨率SAR衛(wèi)星，將極大提高我國海洋溢油遙感探測能力，助力我國海洋溢油遙感業(yè)務(wù)化應(yīng)用進入一個質(zhì)的飛躍。

船載岸基?；?X波段雷達在線監(jiān)測平臺將實現(xiàn)我國管轄海域溢油高風(fēng)險區(qū)的大面積覆蓋，極大提升我國海洋溢油在線監(jiān)測能力。

412遙感傳感器

基于SAR的溢油遙感探測技術(shù)將繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位，高分辨率光學(xué)遙感、高光譜遙感與紅外遙感在海洋溢油探測中也將發(fā)揮重要作用。

根據(jù)目前的研究進度，到2030年，海洋溢油激光類傳感器有望實現(xiàn)從樣機到少量產(chǎn)品機的生產(chǎn)，激光誘導(dǎo)熒光探測器和激光聲學(xué)傳感器作為目前唯一能夠區(qū)別溢油污染和水生植物及海岸，并可辨別出溢油種類和油層厚度的傳感器，它的投入使用，將會使溢油遙感定量觀測成為可能。

413技術(shù)方法

不同遙感平臺、傳感器均有各自的優(yōu)劣，多源遙感平臺及傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時準實時接收及融合[26]，并與地理信息技術(shù)、定量反演技術(shù)相結(jié)合，建立數(shù)據(jù)綜合處理與分析預(yù)測的應(yīng)急反應(yīng)集成系統(tǒng)將是大勢所趨，我國自主海洋衛(wèi)星的發(fā)射升空及無人機等新監(jiān)測平臺的投入使用，將使此類集成系統(tǒng)演變?yōu)闃I(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)，供涉海部門使用。

42沉潛油遙感探測技術(shù)

在國家重點研發(fā)計劃項目的支持下，沉潛油多波束、成像聲吶等聲學(xué)探測技術(shù)和多通道全波形激光雷達探測技術(shù)將會獲得突破，我國初步的沉潛油遙感探測能力將會形成，并將在我國北海海區(qū)率先投入業(yè)務(wù)化示范應(yīng)用。

5結(jié)論

海洋溢油全方位觀測技術(shù)包括揮發(fā)油探測、海面油膜探測、沉潛油探測。目前用于海面油膜探測的技術(shù)發(fā)展較快，主要以航空遙感、衛(wèi)星遙感和地基雷達等手段探測油膜，但是各種技術(shù)都存在缺陷，難以有效排除干擾，難以準確測定油膜厚度;海底溢油及沉潛油混合了雜質(zhì)后，由于密度與海水較為接近，常懸浮于海面以下的水體中，或黏附在海底物質(zhì)表面，目前缺乏有效的水下溢油探測手段。水體中油含量的測定靈敏度較低，精度不夠。國內(nèi)外正在研究的激光誘導(dǎo)熒光探測器、高光譜成像儀、激光聲學(xué)探測器等技術(shù)的發(fā)展有望解決海面油膜探測、海底油污探測及水中油含量測定的技術(shù)問題。

預(yù)計2030年，我國全自主海洋溢油遙感立體觀測體系將全面形成，可實現(xiàn)對海洋溢油的全方位探測，多源傳感器數(shù)據(jù)實時接收、處理和自動化分析的綜合信息系統(tǒng)將投入業(yè)務(wù)化使用，為及時有效地應(yīng)對海洋溢油污染提供技術(shù)支持。

參考文獻

[1]國家海洋局.蓬萊19-3油田溢油事故聯(lián)合調(diào)查組關(guān)于事故調(diào)查處理報告[EBOL].（2012-06-21）[2018-09-14].Http：www.soa.gov.cnxwhyyw_90201211t20121109_884.html.

[2]CASCIELLO D，LACAVA T，PERGOLA N，et al.Robust Satellite Techniques for oil spill detection and monitoring Using AVHRR thermal infrared bands[J].International Journal of Remote Sensing，2011，32（14）：4107-4129.

[3]ZHANG B，PERRIE W，LI X，et al.Mapping sea surface oil slicks using RADARSAT2 quadpolarization SAR image[J].Geophysical Research Letters，2011，38（10）：60-62.

[4]蘇偉光，蘇奮振，周成虎，等.海面溢油光學(xué)衛(wèi)星遙感監(jiān)測能力分析[J].地球信息科學(xué)學(xué)報，2012，14（4）：521-530.

[5]MANSOR S? B，ASSILZADEH H，IBRAHIM H M，et al.Oil Spill Detection and Monitoring from Satellite Image [EBOL].[2018-09-14].http：www.gisdevelopment.netapplicationmiscellaneous.

[6]PELLEMANS A H J M，BOS W G，KONINGS H，et al.Oil Spill Detection on the North Sea Using ERS1 SAR Data [EBOL].[2018-09-14].http：www.neonet.nlbrowse.

[7]PAVLAKIS P，SIEBER A，ALEXANDRY S.Monitoring OilSpill Pollution in the Mediterranean with ERS SAR [EBOL].[2018-09-14].http：esapub.esrin.esa.iteoq.

[8]喻臘梅.從美國研制的機載SAR雷達看SAR雷達技術(shù)的發(fā)展[C] 第六屆全國信號與信息處理聯(lián)合學(xué)術(shù)會議.大連：中國航空學(xué)會，等，2007：274-277.

[9]MUSSETTO M S，YUJIRI L，DIXON D P，et al.Passive Millimeter Wave Radiometric Sensing of Oil Spills[C] in Proceeding of the Second Thematic Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments：Needs，Solutions and applications，ERIM Conferences，Ann Arbor，Michigan，1994：35-46.

[10]BOLUS R L.A Airborne Testing of a Suite of Remote Sensors for Oil Spill Detecting on Water[C]in Proceedings of the Second Thematic International Airborne Remote Sensing Conference and Exhibition，Environmental Research Institute of Michigan，Ann Arbor，Michigan，1996：743-752.

[11]WETTLE M，DANIEL P J，LOGAN G A，et al.Assessing the effect of hydrocarbon oil type and thickness on a remote sensing signal：A sensitivity study based on the optical properties of two different oil types and the HYMAP and Quickbird sensors[J].Remote Sensing of Environment，2009，113（9）：2000-2010.

[12]劉丙新.基于高光譜特征的水上油膜提取與分析研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2013.

[13]PLAZA J，PEREZ R，PLAZA A，et al.Mapping oil spills on sea water using spectral mixture analysis of hyperspectral image data[C] Chemical and Biological Standoff Detection III.International Society for Optics and Photonics，2005：5995 08-599509.

[14]SANCHEZ G，ROPER W E，GOMEZ R B.Detection and monitoring of oil spills using hyperspectral imagery[J].Proc Spie，2003，5097（3）：1-8.

[15]李四海.海上溢油遙感探測技術(shù)及其應(yīng)用進展[J].遙感信息，2004（2）：53-57.

[16]趙朝方，李曉龍，馬佑軍.多通道海洋熒光激光雷達溢油監(jiān)測系統(tǒng)[J].紅外與激光工程，2011（7）：1263-1269.

[17]陳海菊，安居白，劉建鑫.基于SVM的激光誘導(dǎo)熒光遙感識別海面溢油[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2008（2）：6-9.

[18]陳澎.機載激光熒光海上溢油信息提取與反演研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2012.

[19]JING Y，AN J，LIU Z.A novel edge detection algorithm based on global minimization active contour model for oil slick infrared aerial image[J].Geoscience and Remote Sensing，IEEE Transactions on，2011，49（6）：2005-2013.

[20]GANTA R R，ZAHEERUDDIN S，BADDIRI N，et al.Segmentation of oil spill images with illuminationreflectance based adaptive level set model[J].Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing，IEEE Journal of，2012，5（5）：1394-1402.

[21]錢平，孫國琴，張存洲.基于近紅外光譜技術(shù)的石油組分定量分析新方法[J].光譜學(xué)與光譜分析，2009，28（12）：2851-2854.

[22]談愛玲，畢衛(wèi)紅.基于近紅外光譜法的多組分復(fù)雜溢油源定量建模分析[J].光譜學(xué)與光譜分析，2012，32（12）：3202-3207.

[23]WANG G，DING Q，HOU Z.Independent component analysis and its applications in signal processing for analytical chemistry[J].TrAC Trends in Analytical Chemistry，2008，27（4）：368-376.

[24]方利民，林敏.柴油近紅外光譜的獨立分量分析方法[J].石油學(xué)報（石油加工），2009，24（6）：726-732.

[25]PASADAKIS N，KARDAMAKIS A A.Identifying constituents in commercial gasoline using Fourier transforminfrared spectroscopy and independent component analysis[J].Anal Chim Acta，2006，578（2）：250-255.

[26]韓仲志，劉康煒，萬劍華.海洋溢油的多傳感器遙感探測技術(shù)研究進展[J].安全、健康和環(huán)境，2015，15（10）：4-7，30.