Landsat TM/ETM波段反射率與水面油膜厚度關系研究

邢學文，劉 松，錢凱俊

(中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引言

隨著油氣勘探活動不斷向海域拓展，溢油事故時有發(fā)生，如國際上比較有名的墨西哥灣溢油事故，國內影響較大的渤海灣溢油事故。溢油事故發(fā)生后，水面油量的估算是事故處理及賠償的重要指標。油量估算的一個重要參數就是油膜厚度，而直接測量水面油膜厚度的難度非常大，目前采用最多的方法是通過飛機空中目視觀測(或拍照)獲得水面油膜顏色，根據波恩協(xié)議油膜顏色與厚度的對應關系表獲得油膜厚度[1]，這種方法的缺點是沒有考慮光線變化和觀測角度對水面油膜顏色的影響，并且需要非常專業(yè)和經驗豐富的人員才能完成。

目前，國內外開展了大量針對常見油品的光譜實驗研究，主要集中在350～1 000 nm譜段范圍內。對于原油油膜，有實驗結果顯示，隨著原油厚度增加反射率不斷降低[2-7]；而有些實驗結果則顯示，原油油膜僅在部分譜段隨著厚度變化有規(guī)律[8]。對于柴油油膜，一些實驗顯示，總體趨勢為隨著油膜厚度增加反射率變大[2,8-9]；另一些實驗則顯示柴油油膜隨著厚度增加反射率變小[6]。對于汽油，一些實驗顯示隨著油膜厚度增大反射率不斷變大[8]；另一些實驗則顯示隨著油膜厚度增大反射率總體上降低[10]。在油膜厚度估算模型研究方面，一般首先確定油膜厚度的特征響應波段或者波段組合(波段比值等)，然后選擇曲線擬合、模糊邏輯和神經網絡等方法建模[3,7]；對于高光譜數據，通常采用光譜角法將影像光譜曲線與油膜厚度光譜庫的光譜曲線進行匹配實現(xiàn)油膜厚度歸類[11-13]。

由于前人的油膜光譜測量實驗結果存在不同甚至完全相反的認識，本文設計了暗室環(huán)境下重原油、輕原油、柴油和汽油油膜光譜檢測實驗，以期獲取穩(wěn)定光源環(huán)境下，不同油品油膜厚度的特征響應譜段。采用海域存檔較多的Landsat TM/ETM數據，通過油膜厚度-特征波段指標(波段反射率和波段比值)散點圖，發(fā)現(xiàn)油膜厚度的特征響應指標，建立基于Landsat TM/ETM數據的油膜厚度估算模型。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置及材料

水面油膜厚度遙感檢測實驗裝置，包括ASD FieldSpec3光譜儀主機、手柄支架、白板、石英鹵素燈、1 000 ml燒杯、黑色消光布和油量注射器，實驗油品包括重原油、輕原油、柴油和汽油，實驗用水為渤海海水，實驗詳細介紹參考文獻[14]。

1.2 不同油品水面光譜特征

重原油樣品非常粘稠，需要將裝有原油的容器放入水浴池加熱融化為液體，其他油品均為液體狀，直接應用注射器對油膜進行定量，均勻滴入整個燒杯水面，用針尖打散聚集油膜，靜置，待油膜全部擴散滿水面后，測量當前厚度油膜的光譜。不同厚度重原油、輕原油、柴油和汽油油膜在350～2 500 nm譜段范圍的反射率光譜曲線如圖1所示。

(a)重原油油膜光譜 (b)輕原油油膜光譜

(c)柴油油膜光譜 (d)汽油油膜光譜

圖1 重原油、輕原油、柴油和汽油油膜在350～2 500 nm譜段范圍的反射率光譜曲線

Fig.1Reflectancespectraofheavycrude0:1,lightcrude0:1,diesel0:1andgasolineslicksin350～2500nm

1)重原油光譜。350～1 000 nm波長范圍，海水和重原油油膜的反射率比較大，光譜相似，油膜反射率明顯小于海水反射率，并且隨著油膜厚度增加，其反射率及反射率變化幅度均不斷減小。這與張永寧等[6]和肖劍偉等[7]的原油油膜反射率光譜和變化規(guī)律基本一致；與葉舟等[8]實驗結果的油膜厚度光譜變化規(guī)律基本一致，但波形相差較大；與劉丙新等[13]實驗結果的油膜厚度變化規(guī)律基本一致，但油膜反射率基本上都高于海水反射率。這些差異可能與其實驗原油成分不同、油膜厚度范圍不同、背景水差異較大有關。1 000～2 500 nm波長范圍，海水反射率非常小，接近于0，油膜反射率隨著油膜厚度增加而變大，這在大多數文獻中都沒有提及，可能與本次選擇的重原油樣品成分有關。

2)輕原油光譜。350～1 000 nm波長范圍，海水和輕原油油膜的反射率比較大，油膜與海水光譜波形相似，油膜反射率小于海水反射率，隨著油膜厚度增加，反射率變化幅度很小，在反射率光譜上很難看出明顯的規(guī)律。這與Wettle等[5]的輕質凝析油隨著油膜厚度增加反射率沒有太大變化的認識比較一致。1 000～2 500 nm波長范圍，海水和輕質油油膜的反射率非常小，接近于0。

3)柴油光譜。350～1 000 nm波長范圍，海水和柴油油膜的反射率較高，其中可見光波段油膜反射率小于海水反射率，隨著油膜厚度增加，其光譜反射率不斷減小；而在近紅外波段油膜反射率大于海水反射率，隨著油膜厚度增加，其光譜反射率不斷變大。這與張永寧等[6]輕柴油、重柴油隨著油膜厚度變化反射率降低的結論不一致，與葉舟等[8]和劉旭攏等[9]的柴油油膜光譜反射率隨厚度增加不斷變大的結論也不一致，可能與實驗的柴油成分不同、背景水存在差異有關。1 000～2 500 nm波長范圍，海水和柴油油膜的反射率接近于0。

4)汽油光譜。350～1 000 nm波長范圍，海水和汽油油膜的反射率較大，海水的反射率高于汽油油膜的反射率，隨著油膜厚度不斷增加；350～450 nm范圍反射率不斷變小，其他譜段變化特征不明顯。這與孫鵬等[10]的汽油油膜反射率在400～700 nm總體降低的認識不太一致，主要原因是其實驗油膜厚度非常大(2.1～21 mm)。與葉舟等[8]的汽油油膜反射率大于海水且隨著厚度增大反射率不斷變大也不一致。1 000～2 500 nm波長范圍汽油油膜和海水的反射率都接近于0。

石油、成品油烴類組分和官能團的特征吸收譜段位于1 000～2 500 nm[15]，是檢測油膜厚度變化的最佳譜段，但由于入射光穿過油膜進入水體后幾乎全部被吸收，油膜在該譜段范圍的反射率接近于0，前人研究基本上不選擇這一譜段，本次實驗發(fā)現(xiàn)的重原油隨著油膜厚度增加反射率不斷增大的現(xiàn)象，可能與選擇的油品成分和油膜厚度有較大關系。

350～1 000 nm是國內外油膜遙感檢測實驗選擇較多的譜段范圍，本次實驗結果顯示，隨著油膜厚度增加，重原油在該譜段的反射率變化最明顯，其次為柴油，輕原油和汽油變化很小。

2 數據處理與分析

2.1 油膜厚度光譜響應特征

在油膜反射率光譜曲線上，上述4種油品的油膜厚度敏感譜段不是非常直觀。為了確定油膜厚度的敏感譜段，對4種油品油膜厚度與350～2 500 nm譜段范圍的反射率進行相關分析，結果如圖2所示。

圖2 4種油品油膜厚度與不同波長反射率的相關性Fig.2 Relativity of oil slick thickness and reflectance

除了重原油在350～2 500 nm全譜段范圍都有相關性很高的油膜厚度敏感譜段，輕原油、柴油和汽油的油膜厚度敏感譜段主要集中在350～1 000 nm范圍，位置基本一致，相關性大小略有不同。①重原油油膜厚度與4個譜段的反射率相關性較大，分別為809～943 nm(相關系數為-0.80～-0.93)，1 057～1 061 nm(相關系數為-0.70～-0.72)，1 252～1 697 nm(相關系數為0.80～0.95)和1 776～2 251 nm(相關系數為-0.81～-0.94)，這與肖劍偉等[7]的認識有一定差異，其相關性最好的譜段范圍位于450～800 nm，相關性均較為穩(wěn)定地處于-0.95附近；②輕原油油膜厚度與7個譜段的反射率相關性較大，分別為350～420 nm(相關系數為-0.8～-0.9)，734～748 nm(相關系數為-0.70～-0.77)，783～811 nm(相關系數為0.80～0.89)，835～842 nm(相關系數為-0.80～-0.83)，886～889 nm(相關系數為0.61～0.64)，926～936 nm(相關系數為-0.82～-0.89)和1 062～1 064 nm(相關系數為0.72～0.74)；③柴油油膜厚度與6個譜段的反射率相關性較大，分別為350～642 nm(相關系數為-0.80～-0.99)，728～752 nm(相關系數為-0.80～-0.95)，794～807 nm(相關系數為0.70～0.72)，865～901 nm(相關系數為0.71～0.79)，921～934 nm(相關系數為-0.81～-0.89)和1 057～1 062 nm(相關系數為0.82～0.85)。這與劉旭攏等[9]的認識不一致，在360～500 nm之間呈正相關(相關系數大于0.8)，與其光譜的變化規(guī)律一致；④汽油油膜厚度與4個譜段的反射率相關性較大，分別為351～436 nm(相關系數為-0.70～-0.92)，720～767 nm(相關系數為-0.71～-0.91)，824～861 nm(相關系數為-0.80～-0.95)和913～936 nm(相關系數為0.81～0.91)。

2.2 油膜厚度Landsat TM/ETM多光譜預測模型

迄今，全球海域范圍存檔有大量Landsat系列的衛(wèi)星遙感數據，而且還在不斷地累積中，是海域溢油油膜檢測非常好的數據源。在350～2 500 nm譜段范圍Landsat TM/ETM共有6個波段，分別為：B1(450～520 nm)、B2(520～600 nm)、B3(630～690 nm)、B4(760～900 nm)、B5(1 550～1 750 nm)和B7(2 080～2 350 nm)。本文運用ENVI5.0軟件的spectral library resampling模塊，選擇Landsat TM7光譜響應函數，將實驗獲取的油膜光譜重采樣至TM/ETM對應的譜段范圍。

針對TM/ETM的6個譜段，首先，制作油膜厚度-光譜指標散點圖；然后，運用曲線擬合的方法，建立不同油膜厚度-特征光譜指標模型，其中特征光譜指標包括波段反射率和波段比值2類。

2.2.1 油膜厚度-波段反射率模型

1)重原油。重原油油膜厚度與波段B4，B5和B7反射率的相關性很好，與波段B1，B2和B3相關性比較差(圖2)。從重原油油膜厚度-TM波段反射率估算模型(圖3)上來看，波段B1，B2，B3和B4隨著油膜厚度增加其反射率不斷變小，曲線擬合都呈冪函數關系，雖然B1，B2和B3擬合效果較好，但當油膜達到一定厚度時，其反射率變化幅度非常小，很難反映油膜厚度的變化，而波段B4則相對較好。波段B5和B7隨著油膜厚度增加其反射率不斷變大，曲線擬合都呈指數函數關系，但當油膜達到0.8 mm后，其穩(wěn)定性不斷變差?？偟膩砜?，波段B4比較適合于重原油油膜厚度的估算。

(a)波段B1擬合曲線 (b)波段B2擬合曲線

(c)波段B3擬合曲線 (d)波段B4擬合曲線

(e)波段B5擬合曲線 (f)波段B7擬合曲線

圖3 重原油油膜厚度-TM波段反射率估算模型

Fig.3Estimationmodelofheavycrudeoilslickthickness-TMbandreflectance

2)輕原油。輕原油油膜厚度與波段B1，B2，B3，B5和B7反射率相關性比較差，與波段B4反射率的相關性很好(圖2)。輕原油油膜厚度-TM波段反射率估算模型如圖4所示。

(a)波段B1擬合曲線 (b)波段B2擬合曲線

圖4-1 輕原油油膜厚度-TM波段反射率估算模型

Fig.4-1Estimationmodeloflightcrudeoilslickthickness-TMbandreflectance

(c)波段B3擬合曲線 (d)波段B4擬合曲線

(e)波段B5擬合曲線 (f)波段B7擬合曲線

圖4-2 輕原油油膜厚度-TM波段反射率估算模型

Fig.4-2Estimationmodeloflightcrudeoilslickthickness-TMbandreflectance

波段B1，B2和B3的反射率與油膜厚度之間的關系具有明顯的分段特征，油膜厚度達到0.53 mm之前，隨著厚度增加，反射率不斷變小(圖4(a)—(c)中藍色點)，兩者之間呈明顯指數函數關系；在0.53 mm之后，隨著油膜厚度增加，輕原油油膜的反射率不斷變大(圖4(a)—(c)中紅色點)，也呈指數函數關系。由于分段函數存在共同的反射率范圍，其估算的油膜厚度會存在多解性。波段B4反射率與油膜厚度之間呈線性函數關系，相對來說比較適合用于輕原油的油膜厚度估算。波段B5和B7散點圖分布沒有明顯規(guī)律，曲線擬合效果非常差。

3)柴油。柴油油膜厚度與波段B1，B2，B3和B4反射率的相關性都很好，與波段B5和B7反射率的相關性較差(圖2)。從柴油油膜厚度-TM波段反射率估算模型(圖5)上來看，波段B1，B2和B3的反射率與油膜厚度之間呈明顯的線性函數關系，隨著油膜厚度增加，反射率不斷變小，特別是波段B1和B2，擬合曲線的決定系數R2達0.99，非常適合于油膜厚度的估算；波段B4反射率與油膜厚度之間呈指數函數關系，隨著油膜厚度增加，反射率不斷變大，但當油膜厚度達到1.3 mm后，隨著油膜厚度增大，反射率開始變小，這使得波段B4不太適合用于柴油油膜厚度估算。波段B5和B7散點圖分布沒有明顯規(guī)律，曲線擬合效果非常差。

(a)波段B1擬合曲線 (b)波段B2擬合曲線

(c)波段B3擬合曲線 (d)波段B4擬合曲線

(e)波段B5擬合曲線 (f)波段B7擬合曲線

圖5 柴油油膜厚度-TM波段反射率估算模型

Fig.5Estimationmodelofdieseloilslickthickness-TMbandreflectance

4)汽油。汽油油膜厚度與波段B1，B2，B3，B5和B7反射率的相關性都很差，與波段B4反射率的相關性較好(圖2)。從汽油油膜厚度-TM波段反射率估算模型(圖6)上來看，1.2 mm厚度之前，波段B1，B2，B3和B4反射率變化沒有規(guī)律(圖6(a)—(d)中藍色點和綠色點)，1.2 mm之后，隨著油膜厚度增大，反射率不斷變小(圖6(a)—(d)中紅色點)，呈多項式函數關系。波段B5和B7散點圖分布沒有明顯規(guī)律，曲線擬合效果非常差。總的來說，6個波段都不太適合用于汽油油膜厚度的估算。

(a)波段B1擬合曲線 (b)波段B2擬合曲線

(c)波段B3擬合曲線 (d)波段B4擬合曲線

(e)波段B5擬合曲線 (f)波段B7擬合曲線

圖6 汽油油膜厚度-TM波段反射率估算模型

Fig.6Estimationmodelofgasolineslickthickness-TMbandreflectance

2.2.2 油膜厚度-波段比值模型

1)重原油。重原油油膜厚度-TM波段比值估算模型(圖7)顯示，B1/B5，B1/B7，B2/B5，B2/B7，B3/B5，B3/B7，B4/B5和B4/B7這8個波段比值與油膜厚度呈冪函數關系，隨著油膜厚度增加，比值不斷變小，擬合曲線的決定系數R2基本上都在0.9左右。其中B4/B5的模型相對較好，可以估算1.2 mm厚的重原油油膜。

(a)波段比值B1/B5擬合曲線 (b)波段比值B1/B7擬合曲線

(c)波段比值B2/B5擬合曲線 (d)波段比值B2/B7擬合曲線

圖7-1 重原油油膜厚度-TM波段比值估算模型

Fig.7-1Estimationmodelofheavycrudeoilslickthickness-TMbandratio

(e)波段比值B3/B5擬合曲線 (f)波段比值B3/B7擬合曲線

(g)波段比值B4/B5擬合曲線 (h)波段比值B4/B7擬合曲線

圖7-2 重原油油膜厚度-TM波段比值估算模型

Fig.7-2Estimationmodelofheavycrudeoilslickthickness-TMbandratio

2)輕原油。輕原油油膜厚度-TM波段比值估算模型(圖8)顯示，B1/B2，B1/B3，B1/B4和B2/B3這4個波段比值與油膜厚度呈指數函數關系，隨著油膜厚度增加，波段比值不斷減小，特別是B1/B2和B1/B3，擬合曲線的決定系數R2分別為0.925 2和0.961 1，可以很好地估算輕原油油膜的厚度。

(a)波段比值B1/B2擬合曲線 (b)波段比值B1/B3擬合曲線

(c)波段比值B1/B4擬合曲線 (d)波段比值B2/B3擬合曲線

圖8 輕原油油膜厚度-TM波段比值估算模型

Fig.8Estimationmodeloflightcrudeoilslickthickness-TMbandratio

3)柴油。柴油油膜厚度-TM波段比值估算模型(圖9)顯示，B1/B2，B1/B3，B1/B4，B2/B3，B2/B4和B3/B4這6個波段比值與油膜厚度呈非常好的線性函數關系，隨著油膜厚度增加，波段比值不斷減小，擬合曲線的決定系數R2均可達到0.99，這6個波段比值都非常適合于柴油油膜厚度的估算。

(a)波段比值B1/B2擬合曲線 (b)波段比值B1/B3擬合曲線

圖9-1 柴油油膜厚度-TM波段比值估算模型

Fig.9-1Estimationmodelofdieseloilslickthickness-TMbandratio

(c)波段比值B1/B4擬合曲線 (d)波段比值B2/B3擬合曲線

(e)波段比值B2/B4擬合曲線 (f)波段比值B3/B4擬合曲線

圖9-2 柴油油膜厚度-TM波段比值估算模型

Fig.9-2Estimationmodelofdieseloilslickthickness-TMbandratio

4)汽油。汽油油膜厚度-TM波段比值估算模型(圖10)顯示，B1/B2，B1/B3，B1/B4，B2/B3，B2/B4和B3/B4這6個波段比值與油膜厚度變化的規(guī)律性不顯著。

(a)波段比值B1/B2擬合曲線 (b)波段比值B1/B3擬合曲線

(c)波段比值B1/B4擬合曲線 (d)波段比值B2/B3擬合曲線

(e)波段比值B2/B4擬合曲線 (f)波段比值B3/B4擬合曲線

圖10 汽油油膜厚度-TM波段比值估算模型

Fig.10Estimationmodelofgasolineslickthickness-TMbandratio

對于波段比值B1/B2，油膜厚度在0.05～0.58 mm范圍時，油膜厚度增加，波段比值減小(圖10(a)中藍色點)，呈線性函數關系；油膜厚度在0.62～0.91 mm范圍時，油膜厚度增加，波段比值變大(圖10(a)中綠色點)；油膜厚度在0.96～1.44 mm范圍時，油膜厚度增加，波段比值減小(圖10(a)中紅色點)，呈線性函數關系。波段比值B1/B3與B1/B2類似，但其存在4個分段函數，且前3個厚度隨油膜厚度增加比值變大(圖10(b)中藍色點)；波段比值B1/B4，B2/B3，B2/B4和B3/B4存在3個分段線性函數，首先隨著厚度增加，波段比值也增加(圖10(c)—(f)中藍色點)；當厚度大于0.14 mm，波段比值突然變小，之后隨著油膜厚度增大，波段比值變大(圖10(c)—(f)中綠色點)；當油膜厚度超過1.2 mm時，隨著油膜厚度增大，波段比值開始逐漸變小(圖10(c)—(f)中紅色點)?？偟膩碚f，汽油的TM波段比值與油膜厚度之間關系比較復雜，不太適合用于汽油油膜厚度的估算。

3 結論

1)油膜光譜檢測實驗顯示，在350～1 000 nm譜段范圍，重原油、輕原油、柴油和汽油的油膜反射率隨著厚度增加具有各自特征的變化規(guī)律：原油油膜隨著厚度增大反射率不斷變小；柴油油膜在可見光波段隨著厚度增大反射率變小，但是在近紅外波段隨著厚度增大反射率不斷變大；輕質油和汽油隨著油膜厚度變化在光譜上規(guī)律不明顯。對比前人實驗結果，有一致的認識，也有不同，究其原因，可能與實驗選擇的油品不同、油膜厚度范圍不一致有關，因而針對具體溢油事故，應該選擇溢油油品、溢油海域進行光譜測量實驗，確定其特征的油膜厚度響應譜段。

2)對于多光譜遙感數據中比較有代表性的Landsat TM/ETM數據，其油膜厚度響應波段或者波段比值可以與重原油、輕原油、柴油的水面油膜厚度建立較好的估算模型，其他新型衛(wèi)星多光譜遙感數據，也可以采用類似處理方式，建立相應的油膜厚度估算模型。

由于本研究是在光源穩(wěn)定的暗室環(huán)境下開展的不同油品油膜光譜測量，未考慮真實環(huán)境下，太陽光照變化、水深和波浪等因子可能對油膜光譜以及油膜厚度響應譜段的影響。下一步計劃開展室外真實環(huán)境下不同厚度油膜的光譜測量，進一步深化對油膜光譜反射率與油膜厚度關系的認識。