（环境科学与工程专业论文）航海雷达监测海面溢油方法与技术的研究.pdf

+ l l a p p l i c a t i o no ft i d em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yb a s e do nr a d a r r e m o t es e n s i n gp r i n c i p l e at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y t e c h n i c a ir e s e a r c h sa n dm e t h o d so fm a r i n er a d a ro n m a r i n eo i ls p i l lm o n i t o r m a s t e ro fe n g i n e e r i n g w a n gz i y i n e n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g d i s s e r t a t i o n t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs h a om i h u a m a y2 0 1 1 惴2删5m 9m 5 舢9删8舢1 舢y 、谚。2 - ) 0 p j 海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 = = 题渔重达整趔渔厘鲎迪虚选皇撞苤的婴窒：。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，塑垦查塞 生丝塑确友达拯明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密团( 请在以上方框内打“) 论文作者签名1 呜导师躲 日期刎年乡月叩日 力7 1 t 飞 ， j 1 t 节 ： ； o b s e r v a t i o ni n s t r u m e n t sa n dm a r i n es u r v e yp l a t f o r ma r et o o l sa n dm e t h o d so fo c e a n o b s e r v a t i o n s t h ep r e s e n ta g ei st h e ”i n f o r m a t i o na g e ”a st ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n h u m a n sa n dn a t u r e ，f i r s t l y , h a v et oo b t a i ni n f o r m a t i o n ，t h e nw ec a n p r o c e s si n f o r m a t i o n ， d i s s e m i n a t ei n f o r m a t i o n ，a n du s et h e m t h e r e f o r e ，o b t a i ni n f o r m a t i o ni st h em o s t b a s i c ，m o s ti m p o r t a n tp a r t o c e a no b s e r v a t i o ni n s t r u m e n t sa n do b s e r v a t i o nt e c h n i q u e si s t h eb a s eo fm a r i n ei n d u s t r yr e s e a r c h u s em a r i n er a d a rt om o n i t o rt h eo i ls p i l lo nt h e s e a ， i sc o m b i n eb yt h er a d a r ，t h eo i ls p i l li m a g er e c o r d e ra n dm u l t i m e d i ac o m p u t e r f i n a l l y , c o m p o s ear a d a ro i ls p i l lm o n i t o r i n gs y s t e m u s em a r i n er a d a rm o n i t o ro i ls p i l ln o to n l y h a sm a n yi n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e st h a nb yo t h e rm e a n s ，b u ta l s of i n i s ht h en u m e r i c a l c a l c u l a t i o np r o c e s so fo i ls p i l lm o n i t o rr a d a r t h i sw a san e wb r e a k t h r o u g ho ft h eo i l s p i l lm o n i t o r i n ga n ds u r v e i l l a n c em e a n si nc h i n a a c c o r d i n gt om a r i n er a d a ri m a g i n gp r i n c i p l e ，a p p l yt h em a r i n er a d a r0 i ls p i l l m o n i t o r i n gs y s t e mb yi n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，c o m p l e t et h ef o l l o w i n g t a s k s ： 1 、p i c k e di m a g ef o rt h ea r e ao fd a l i a np o r tw h e r ea no i ls p i l la c c i d e n th a p p e n e do n 7 1 6 t h es p e e do fi m a g ea c q u i s i t i o ni sa b o u t2 8i m a g e sp e rm i n u t e ，a n dp i c k e da b o u t 9 0 0i m a g e si na 1 1 2 、w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h ei m a g e ，w h i c hi sa ni m a g e a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g s o f t w a r e ，t h i sp a p e rd i dt h ei m a g ef i l t e r i n gp r o c e s s i n g ，t h ea v e r a g ep r o c e s s i n ga n d b i n a r i z a t i o n a m o n gt h e m ，t h eu s eo ft h ei m a g eg r a yv a l u ed i s t r i b u t i o no ft h et h r e s h o l d t od e t e r m i n et h es t a t i s t i c a lp r o p e r t i e so fs ，s ot h ec o r r e c tv a l u ef o rt h eb i n a r i z a t i o no f t r e a t m e n ti sam a j o ri n n o v a t i o no ft h i sa r t i c l e 3 、u s i n gt h ep r e p a r a t i o np r o c e s so ft h ef o u r i e rt r a n s f o r m ，t h i sp a p e rf i l t e r e dt h e i m a g ei ns p a t i a l 仃e q u e n c yd o m a i n ，a n dc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so fs p a c ed o m a i n p r o c e s s i n g ，i te x p a n d e dt h ei m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d so ft h eo i ls p i l lm o n i t o r i n g s y s t e m k e yw o r d s ：r a d a r ；m a r i n eo i ls p i l l ；i m a g ep r o c e s s i n g 产 j 目录 目录 1 1 1 2 研究的目的和意义2 1 3 研究内容4 第2 章雷达监测海洋溢油发展现状5 2 1 现状综述5 2 2 目前监测海洋溢油的手段6 2 2 1 根据搭载传感器的不同平台来分类6 2 2 2 根据所应用的探测技术的不同来分类7 2 3 雷达监测海洋溢油的原理1 2 2 4 国际先进雷达溢油探测系统1 3 2 4d 、结2l 第3 章航海雷达系统2 4 3 1 航海雷达系统对海面的监测2 4 3 2 航海雷达系统2 4 3 3 航海雷达系统的应用2 4 3 4 研究和实验2 5 第4 章雷达图像的处理2 6 4 1 雷达图像的采集2 6 4 2 图像的处理3 6 4 2 1 图像的平均处理3 6 4 2 2 图像的二值化处理4 1 4 2 3 图像的滤波处理4 8 4 3 傅罩叶变换5 5 4 3 1 基本原理5 5 4 3 2 处理过程5 6 第5 章结论。6 4 参考文献6 6 致 谢6 9 附录平均处理后雷达图像。7 0 ， j 航海雷达监测海面溢油方法与技术的研究 第1 章绪论 1 1 研究背景 自从世纪6 0 年代以来，随着人类社会的发展，人类对资源和能源的需求量日 益增加，陆地大规模开采过后，许多不可再生资源的量急剧减少，于是人们丌始 大规模地向海洋索取财富。随着科学技术水平的提高，人们对海洋资源及海洋环 境的认识有了进一步的提高，海洋工程技术也有了很大发展，海洋资源开发进入 到新的发展阶段。2 1 世纪是海洋经济蓬勃发展的时代，浩瀚的海洋是资源和能源 的宝库，也是人类实现可持续性发展的重要基地。由于今世界人类正面临着陆地 资源和能源危机日趋严峻的威胁，越来越多的国家都把经济进一步发展的希望寄 托在占地球表面积7 1 的海洋上，世界各国都把合理有序地开发利用海洋资源和 能源，以及保护海洋环境作为求生存、求发展的基本国策。海洋中蕴藏着丰富的 各类矿产资源、能源和生物资源。各国科学家的积极努力使人类极大地增长了对 海洋资源的认识，目前全球已兴起一个开发利用和保护海洋资源、攻克海洋开发 高新技术的热潮，海洋经济已成为世界经济发展新的增长点，成为我们这个时代 的特征。 人类对海洋矿产资源的开发中，已经发现的资源主要有以下六大类：石油、 天然气，煤、铁等固体矿产，海滨砂矿，多金属结核和富钴锰结壳，热液矿藏， 可燃冰。其中，开发量最多，开发规模最大的当属对石油、天然气的开发。据估 计，世界石油极限储量1 万亿吨，可采储量3 0 0 0 亿吨，其中海底石油1 3 5 0 亿吨。 上世纪末，海洋石油年产量达3 0 亿吨，占世界石油总产量的5 0 。目前世界上从 事海上石油勘探的国建有一百多个，而在海洋中的油田已经达到5 8 1 个，由此可 见，海洋已经成为人类勘探和开采石油资源的主战场【。 然而，伴随着海洋石油的大规模开采，随之而来的海洋环境问题也日趋严峻， 石油污染海洋的事故频发，严重危害了海洋生物以及人类的生存环境。海洋石油 污染绝大部分来自人类活动，其中以船舶运输、海上石油开采，以及沿岸工业排 污为主，由于石油是国家发展必须的工业资源，全世界各个国家对石油都有需求， 而主要的石油产地分布于全球的少数地区，这就造成了石油产区与消费地区分布 不均，因此，世界年产石油的一半以上是通过大型油船在海上运输的，这就给占 第1 章绪论 地球表面7 1 的海洋带来了油污染的威胁，油轮成为了移动的潜在污染源，特别 是油轮相撞、海洋油田泄漏等突发性石油污染，更是给人类造成难以估量的损失。 多达几十万吨的石油，一旦流入海洋将形成大片油膜，这层油膜将大气与海水隔 开，减弱了海面的风浪，妨碍空气中的氧溶解到海水中，使水中的氧减少，同时 有相当部分的原油，将被海洋微生物消化分解成无机物，或者由海水中的氧进行 氧化分解，这样，海水中的氧被大量消耗，使鱼类和其它生物难以生存。1 9 9 1 年 的海湾战争造成的输油管溢油，使2 0 0 多万只海鸥丧生，许多鱼类和其它动植物 也在劫难逃，一些珍贵的鱼种已经灭绝，美丽丰饶的波斯湾变成了一片死海，海 洋石油污染对海洋生态系统的破坏是难以挽回的。 对海洋状况进行实时监测，及时发现溢油污染等问题，已经成为世界各沿海 国家十分重视的课题，是海洋事业健康、快速发展的重要环节。在这方面，西方 国家的技术明显领先于我国，已经有技术比较成熟的设备投入到海洋环境监测工 作当中，并形成了商业化运作。在我国，并没有这方面的设备问世，对其的研发 还处于空白阶段，而且此类设备进口费用昂贵，使用和维修都会受制于人，因此， 对于海洋溢油监测设备的研发势在必行。 1 2 研究的目的和意义 首先，从海洋溢油的危害性来看，石油及其炼制品( 汽油、煤油、柴油等) 在开 采、炼制、贮运和使用过程中进入海洋环境而造成的污染，是目前一种世界性的 严重的海洋污染。其中，石油对海洋环境的危害性最大。石油入海后即发生一系 列复杂变化，包括扩散，蒸发，溶解，乳化，光化学氧化，微生物氧化，沉降， 形成沥青球，以及沿着食物链转移等过程。这些过程在时间、空间上虽有先后和 大小的差异，但大多是交互进行的。 石油进入海洋后，主要是对海洋环境、海洋生物以及水产养殖业带来巨大危 害。 一、对海洋环境的影响【2 】：石油在海面形成的油膜能阻碍大气与海水之间的气 体交换，影响了海面对电磁辐射的吸收、传递和反射。长期覆盖在极地冰面的油 膜，会增强冰块吸热能力，加速冰层融化，对全球海平面变化和长期气候变化造 成潜在影响。海面和海水中的石油会溶解卤代烃等污染物中的亲油组分，降低其 2 航海雷达监测海面溢油方法与技术的研究 转化速率。石油污染会破坏海滨风景区和海滨浴场。如1 9 8 3 年1 2 月， 号油轮在青岛胶州湾触礁搁浅，溢油3 0 0 0 多吨，严重地污染了青岛 海滨及胶州湾。 二、对生物的危害【3 - 5 】：油膜减弱了太阳辐射透入海水的能量，会影响海洋植 物的光合作用。油膜沾污海兽的皮毛和海鸟羽毛，溶解其中的油脂物质，使它们 失去保温、游泳或飞行的能力。石油污染物会干扰生物的摄食、繁殖、生长、行 为和生物的趋化性等能力。受石油严重污染的海域还会导致个别生物种丰度和分 布的变化，从而改变群落的种类组成。高浓度的石油会降低微型藻类的固氮能力， 阻碍其生长，终而导致其死亡。沉降于潮间带和浅水海底的石油，使一些动物幼 虫、海藻孢子失去适宜的固着基质或使其成体降低固着能力。石油会渗入大米草 和红树等较高等的植物体内，改变细胞的渗透性等生理机能，严重的油污染甚至 会导致这些潮间带和盐沼植物的死亡。石油对海洋生物的化学毒性，依油的种类 和成分而不同。通常，炼制油的毒性要高于原油，低分子烃的毒性要大于高分子 烃，在各种烃类中，其毒性一般按芳香烃、烯烃、环烃、链烃的顺序而依次下降。 石油烃对海洋生物的毒害，主要是破坏细胞膜的正常结构和透性，干扰生物体的 酶系，进而影响生物体的正常生理、生化过程。如油污能降低浮游植物的光合作 用强度，阻碍细胞的分裂、繁殖，使许多动物的胚胎和幼体发育异常、生长迟缓： 油污还能使一些动物致病，如鱼鳃坏死、皮肤糜烂、患胃病以至致癌。 三、对水产业的影响：海洋石油污染会改变某些经济鱼类的洄游路线；沾污 鱼网和养殖器材：附着着油污的鱼、贝等海产食品，难于销售或不能食用。即使 这些水产品上没有明显的油污痕迹，在石油氧化、溶解、乳化等过程中，大量的 重金属元素和有毒物质会在海水中迅速扩散，这些有害物质会在水产品体内沉积， 最终被人类食用后会在人体内沉积下来，严重者会导致各类疾病的发生，甚至产 生致癌物质。 由此不难发现，海洋溢油的危害面是非常广的，一旦发生溢油事故，受影响 的不仅仅是被污染的海区及其所包含的生物，还很可能影响到人类的生活环境和 身体健康。在石油日常的开采、装卸、运输等过程中，虽然发生事故的概率比较 小，一旦事故发生，就需要一套完整的海洋观测系统来及时发现海面上的溢油， 获取相应的信息，从而及时对海面上的溢油进行回收和回收，将溢油事故所带来 3 第l 章绪论 的危害程度降到最低，所以说，一套完备的海洋环境观测系统对于中国这个沿海 国家是十分必要且十分重要的。 其次，从国家海洋事业的发展角度来看，对海洋的观测是研究海洋、开发海 洋和利用海洋的基础。海洋观测仪器与海洋测量平台则是海洋观测的工具和手段。 当今时代是“信息时代 ，从人类与自然界的关系来说，首先要能够获取信息，然 后才能够谈到处理信息、传播信息和利用信息。因此，信息的获取是最基本、最 重要的环节。从这层意义上说，我国的海洋环境保护工作任重而道远，就国内海 洋污染而言，主要是石油污染。大连7 1 6 石油油库爆炸事故，l o 万吨原油倾入海 洋，对海洋环境以及海洋生物带来的影响是非常严重的。海洋原油的测定方法以 及应用预报的研究势在必行。海洋观测仪器和监测技术是海洋事业的研究基础。 我国是个海洋大国，但还没有步入海洋强国的行列。我国的海洋经济发展、 海洋开发与利用、海洋减灾与防灾、海洋的环境保护、海洋的综合管理、海洋科 学技术研究、海洋的权益斗争和海洋军事活动等，都需要借助海洋自动观测仪器 和平台技术的支持。拥有先进的海洋自动观测仪器与平台技术是我国成为海洋强 国的必要前提条件之一。 1 3 研究内容 本文应用自主研发的航海雷达海洋溢油监测系统，对大连7 1 6 溢油事故现场 进行图像采集，借助i m a g e 图像分析与处理软件，对得到的雷达图像进行空间域 和频率域两方面的处理和分析，从中探索图像的最佳处理方法，达到从图像中辨 别溢油区域的目的。 4 航海雷达监测海面溢油方法与技术的研究 状综述 第2 章雷达监测海洋溢油发展现状 海洋自动观测仪器与平台技术是海洋产业中一个重要的分支。例如，挪威政 府就把对海洋的观测技术作为一项国家创汇产业推向世界。挪威贸易委员会对此 专门印发了挪威对海洋观测系统的贡献进行宣传，挪威首相特地在世界环境 与发展委员会的一次讲演中介绍了挪威o c e a n o r 公司的产品一s e a w a t c h 系统【1 1 。 与世界上具有先进技术的海洋国家比较起来，我国的海洋经济产值在国民经济总 产值中所占的比例并不高，我国的海洋自动观测仪器与平台技术在海洋经济中所 占的比重更是微乎其微。我国若要使海洋产业得到发展强大，势必要求海洋自动 观测仪器与平台技术也有一个较大的发展，研制具有自己知识产权的仪器有着重 要意义。 潮汐、波浪与海流是海洋中三种重要的动力要素【6 】。如果能使用一种仪器设备 对这三种要素进行同步测量，了解并掌握它们的相互关系和综合效应，这对于海 洋石油污染的监测预报有着密切的关系。可惜一直到8 0 年代中期，有关的仪器设 备也只能测量单项要素或者同步测量其中的两种要素【刀。8 0 年代末期至9 0 年代初 期，开始出现潮汐、波浪和海流综合测量设备，其采用的技术不断更新，发展到 今天，大部分西方国家在雷达遥感技术方面都走在世界前列，我国一直没有研制 出成品投入市场销售。 海上溢油污染灾害的日趋频繁，引起世界各国对近岸海域的海上溢油倍加关 注。实时监测海面溢油，是当今海洋环境监测、预报与应急管理的重要内容之一。 发生溢油事故通常会伴随着恶劣的气象条件，这是造成近岸溢油监测难以开展的 原因之一【8 、9 1 。 雷达监测时采用x 波段，该波段雷达工作具有最佳的抗干扰性，能够很好的 克服天气因素对电磁波回波产生的影响，在雾、云、雨等恶劣天气下仍能够正常 工作，能满足雷达对海面溢油的监测需要。近年来，雷达监测技术研究的领域多 集中在合成孔径雷达( s 创r ) 与侧视机载雷达( s l a r ) 上【1 0 1 ，观测较大范围的海面溢 油情况，为及时采取溢油清除等应急措施提供了很好的手段【1 1 】。自1 9 7 1 年美国在 加利福尼亚湾海上人工撒油，采用航海雷达对海面溢油进行观测的实验获得成功 第2 章雷达监测海洋溢油发展现状 以来，国际上俄罗斯、荷兰、瑞典等国相继在运用航海雷达获得溢油回波图像， 进行海上溢油观测、跟踪方面展开了大量的研究实验工作【1 2 1 3 】。1 9 9 1 年， v a t a n a s s o v 等人在黑海海面利用x 波段的航海雷达进行了海上人工溢油监测试 验，获得了成功【1 4 1 。国内在利用航海雷达队海面溢油进行监测以及雷达溢油图像 的处理与分析方面的研究未见报道。 多年以来，一直制约着航海雷达和岸站雷达无法实现实时获取海面溢油图像 的难题，主要在于雷达溢油图像的采集、显示、存储等方面的技术，以及溢油图 像的数值化处理问题。大连海事大学于1 9 9 8 年开展了针对这方面的研究工作，并 于2 0 0 1 年在渤海海域进行了海面人工撒油监测试验，在国内首次采用了航海船载 雷达对海面溢油进行观测，采用雷达图像处理技术得到了雷达溢油图像数字图， 识别溢油区形状及轮廓，计算海面溢油的重要参数，如溢油面积、溢油漂移速度 和方向等情况。在国内首次研制试验的航海雷达溢油监测技术系统力求为海洋环 境监测与溢油应急处理系统提供良好的监测手段，为海事管理部门提供技术支持。 2 2 目前监测海洋溢油的手段 2 2 1 根据搭载传感器的不同平台来分类 目前世界对海洋溢油监测主要分为三大手段：航天监测、航空监测和陆地监 测。 航天监测主要是将传感器搭载与人造地球卫星上，在外层空间对地球大洋进 行观测。此种监测手段的优点在于所观测的范围广，观测图像比较直观；缺点主 要是成本高，对所搭载的传感器要求很高，容易受到恶劣天气状况的制约，且人 造卫星存在重访周期问题，不利于提供溢油状况的连续追踪图片。 航空监测主要是将传感器搭载与巡航飞机上，在距离海面较近的高度对海面 进行巡查。此种监测手段的优点在于机动性强，所搭载的传感器种类多，能够得 到非常直观的溢油图像，有利于了解溢油的具体情况；缺点是成本较高，无法进 行全天候的观测，受到飞机巡航距离的限制，只能观测近海状况，同样也容易受 到恶劣天气状况的制约。 陆地监测主要是将传感器放置于沿海监测基站，对沿海状况进行监测；此种 监测手段优点是成本低，可以获得比较直观的溢油图像，对多观测范围内海域可 6 航海雷达监测海面溢油方法与技术的研究 候监测；缺点是基站固定，观测范围十分有限，同样受到恶劣天 以上三种观测手段都有各自的优势与不足，但在当今世界海洋观测领域，航 天与航空观测占据了主导地位。在这二者中，虽然航天遥感监测溢油事故相对航 空遥感而言，在其灵活性、准确性、传感器应用种类上存在一定的差距，但它在 全天候、全天时以及经济性上体现出了自己的优势。而今，随着科学技术水平的 不断提高，传感器的性能以及计算机技术都有了迅速的发展，航天遥感技术也将 在其带动下日趋完善，成为海洋溢油监测的主要途径。 2 2 2 根据所应用的探测技术的不同来分类 目前世界应用的探测技术主要包括微波遥感技术、热红外遥感技术、多光谱 可见光遥感技术以及其他一些要干技术。 一、微波遥感技术 所谓微波遥感，是指对于距离较远，无法很好观察或识别的目标，利用其对 微波( 波长范围在l m m 至3 0m m 之间) 的反射、吸收、散射或辐射等特性对其进行 识别，得到相关信息后，经过适当方法的处理转变成人们可以直接识别的图像或 信号，从而识别被观测目标的性质或变化情况，达到间接识别目标的目的。其特 点是可进行大范围的动态、迅速、同步的观测；具有对透云、雨的良好穿透能力， 全天候全天时进行观测，这也是微波广泛应用于遥感技术的重要原因。 根据工作原理的不同，微波遥感主要分为主动式和被动式两类。主动式是利 用传感器发射微波脉冲，然后接受目标对脉冲的散射波，得到相关信息，如雷达 等；被动式是利用传感器直接接收目标所发出的微波辐射，从而得到相关信息如 微波辐射计等。 l 、星载合成孔径雷达( s a r ) 1 5 - 1 7 】 星载合成孔径雷达( s a r ) 是目前针对监测海洋溢油应用最为广泛的主动式 微波遥感技术。合成孔径雷达就是利用雷达与目标的相对运动把小尺寸的真实天 线孔径用数据处理的方法，合成一等效的较大天线孔径的雷达。合成孔径雷达的 特点是分辨率高( 方位向和距离向) ，能全天候工作，能有效地穿透掩盖物。 1 9 7 8 年，美国首次发射了携带了合成孔径雷达( s a r ) 的海洋卫星l 号，揭 7 第2 章雷达监测海洋溢油发展现状 开了星载合成孔径雷达( s a r ) 进行海洋遥感的序幕。通过其1 0 0 天的工作，海 洋卫星l 号携带的合成孔径雷达( s a r ) 对1 亿平方公里的地球表面进行了测绘， 获得了大量的海洋信息。2 0 世纪9 0 年代星载合成孔径雷达( s a r ) 技术日趋成熟， 为微波遥感时代的到来奠定到了扎实的基础。1 9 9 1 年欧空局e r s - 卫星的发射， 标志着星载合成孔径雷达( s a r ) 海洋遥感应用进入了崭新的阶段。加拿大于1 9 9 5 年1 1 月4 日成功发射了以“雷达”命名的卫星，这颗具有7 种模式，3 6 种波束位置 成像能力的高分辨率民用遥感卫星的成功升空，标志着星载合成孔径雷达( s a r ) 技术已从研究阶段真正进入实用阶段。近些年来，设置在全球多个国家的地面站， 其中也包括我国的地面站，接收并处理出的合成孔径雷达( s a r ) 卫星图像数以 干计。尤其是1 9 9 8 年夏，我国长江、嫩江、松花江发生罕见的全流域性特大洪涝 灾害时，我国的地面站主要依靠雷达卫星信息，在世界上首次实现了对大范围洪 涝汛情和灾情的准时适时跟踪监测，为夺取抗洪减灾斗争的最终胜利做出了巨大 贡献。目前，星载合成孔径雷达( s a r ) 已成功地在海洋资源、海洋环境监测， 海洋开发、利用，海洋科学研究、海上军事活动等方面得到了充分应用并取得了 重大的社会、经济和军事效益。随着合成孔径雷达( s a r ) 遥感技术应用的进一 步扩展，应用深度逐渐增加，合成孔径雷达( s a r ) 资料正从定性向定量、从试 验性应用向商业化应用方向发展。 我国星载合成孑l 径雷达( s a r ) 海洋遥感技术起步于9 0 年代初。“八五”期间， 我国相关单位完成了国家“8 6 3 ”项目课题“星载s a r 海洋应用研究”和“中加航天 s a r 海冰应用试验研究”。我国的“8 6 3 ”计划中，已经研制成功合成孔径雷达( s a r ) 遥感卫星，将于近几年内发射升空。它的空间分辨率是1 0 m x l o m ( 5 m x s m ) ，工作 在l 波段( 波长1 5 一 3 0 厘米，频率1 0 0 0 - - - 2 0 0 0 兆赫) ，观测带宽5 0 咖，极化方 式为h h ( 发射和接收均是水平极化) ，单极化视角为2 2 5 5 度。经过近几年的努 力，我国在星载合成孔径雷达( s a r ) 海洋应用方面取得了可喜的进展，缩短了 与世界先进水平的差距。同时，为进一步开展合成孑l 径雷达应用研究打下了基础。 2 、微波辐射计 国外微波遥感技术的发展已有4 0 多年的历史，而在我国，微波遥感技术发展 也有3 0 多年【1 8 1 。随着航天、电子和信息技术的不断发展，微波遥感技术，特别是 星载微波遥感技术得到了快速的发展，目前微波遥感技术已成为对地目标观测和 8 面溢油方法与技术的研究 计是主要微波遥感仪器之一，在微波遥感系 同【2 0 】，微波遥感技术不受或很少受云、雨、 有全天时、全天候的工作能力，甚至还能穿 透一定深度的地表或植被，从而可以获取被植被所覆盖的地面信息以及地表下一 定深度目标信息等【1 9 ，2 1 】；此外，微波辐射计还具有多频、多极化、多视角获取多 方位的目标信息的功能。因此，微波遥感技术及其发展受到世界航天大国的普遍 重视【2 2 1 。 微波辐射计，是利用被动的接收，各个高度传来的温度辐射的微波信号来判 断温度、湿度曲线。微波辐射计有多种类型，主要有全功率微波辐射计、双参考 温度自动增益控制微波辐射计、g r a h a m 型微波接收机、d i c k e 型微波辐射计、零 平衡d i c k e 型微波辐射计、负反馈零平衡d i c k e 型微波辐射计、数字增益自动补 偿微波辐射计等【2 3 1 。 星载微波辐射计具有质量小、体积小、功耗小和工作稳定可靠等特点，应用 领域十分广泛。从大的方面来说，星载微波辐射计主要应用于大气探测、海洋观 测、对地观测微波遥感3 个方面【2 1 1 ；从具体探测目标来说，星载微波辐射计主要 应用于农林、地质、气象、海洋环境监测和军事侦察等。 星载微波辐射计在海洋观测领域中主要用于观测海洋温度、海面风速、海水 盐度、海面溢油污染，以及海冰面积、厚度、冰山、冰龄【2 0 】等。 目前用于该领域的具有代表性的星载微波辐射计有e r s 1 2 卫星装载的 a t s r m 轨迹扫描辐射计【2 4 1 、e n v i s a t - 1 卫星装载的a a t s r 微波辐射计、 s e a s a t 卫星装载的s m m r 微波辐射计【2 5 1 、a d e o s 2 卫星装载的a m s r 微波 扫描辐射计。 二、热红外遥感技术 热红外遥感技术是指传感器的工作波段在红外波段范围之内的遥感技术。探 测的波段一般在o 7 6 1 0 0 0 微米之间。是利用红外遥感传感器( 例如红外摄影机、 红外扫描仪等) 探测远距离以外的目标所反射或辐射的红外特性差异的信息，从 而确定目标的性质、状态和变化规律的遥感技术。 热红外遥感技术是目前使用比较广泛的溢油污染监测技术。所有的物质，只 要其温度超过了绝对零度，就会不断向外发射红外能量。常温的地表物体发射的 9 第2 章雷达监测海洋溢油发展现状 红外能量主要集中在大于3 1 a n 的中远红外区，属于热辐射。它不仅仅与物质的表 面状态有关，而且是物质的内部组成和温度的函数。在大气传输的过程中，它能 通过3 - 5j t m 和8 1 4 i _ t m 两个窗1 ：3t 2 6 1 。热红外遥感技术就是利用星载或机载传感器收 集、记录地面目标的这种热红外信息，并利用此种热红外信息来识别地面目标和 反演地表的参数，如温度、湿度和热惯量等。 由于正常海水与溢油油膜有着不同的辐射能量，利用红外波段的传感器，可 测定出这二者的不同辐射能量，经过处理后便可以得到海面溢油油膜的影像。美 国在加利福尼亚海岸广泛进行了红外技术监测海面石油污染的研究，证明了在 8 1 4 p m 的热红外波段中能够清晰地探测出海面的石油污染【2 7 】。星载热红外传感器 能够有效地分辨出海面上大面积溢油的范围与形状；航空热红外传感器能够准确 地判断出海面油膜覆盖的区域以及其漂移方向和扩散情况，并且得到显示图像， 其清晰度往往要高于可见光波段观测得到的图像。 目前，美国、瑞典、德国等发达国家，为了能够全面地、有效地反映海面油 膜的辐射特性并监测溢油，正致力于发展可见光和红外，或者红外光和紫外光相 结合的多光谱探测技术研究。通过与多种传感器的海面遥感测试进行比较，以及 现场的测量证明，多光谱( 包括红外光、紫外光与可见光) 扫描仪和照相机是探测海 洋溢油相对比较理想的设备，并得到了应用。 三、多光谱可见光遥感技术 多光谱可见光( 波长3 8 0 7 8 0 n m ) 遥感技术是指采用多光谱摄影系统或者多光谱 扫描系统对电磁波谱的不同谱段做同步摄影遥感的技术，分别获得目标在不同谱 段上的影像的遥感技术【2 钔。多光谱遥感不仅仅可以根据影像的形态和结构特点的 差异来判别目标，还可以根据光谱特性的差异来分辨目标，增大了遥感的信息量。 航空摄影所采用的多光谱摄影与陆地卫星所采用的多光谱扫描均能得到不同谱段 的遥感图像资料，分谱段的图像或者数据可以通过摄影彩色合成技术或计算机进 行图像处理，获得比常规方法内容更为丰富的图像，也为目标影像计算机识别与 分类提供了可能。 过去，可见光遥感技术应用于海面油污的监测工作主要借助于机载传感器的 航空遥感来进行。近年来，随着传感器对地面目标分辨率的提高，使利用星载多 波段可见光传感器来对海面的大面积溢油进行监测成为可能，如美国的陆地卫星 1 0 航海雷达监测海面溢油方法与技术的研究 ( 两个可见光波段) 、海洋卫星( 六个可见光波段) 、n o a a 卫星( 一个可见光波段) 都 证明了这种监测能力。 四、其他遥感技术 1 、激光遥感 激光遥感技术属于主动式遥感的一种，主要应用于航空遥感。其工作原理是 利用激光器向海面发射激光束，通过接收海面目标区的后向散射荧光信号来提取 海面信息。当激光束照射在海面的溢油上时，海面与油膜会同时产生激光荧光和 激光拉曼效应f 2 9 1 。激光遥感技术正是利用了油膜与海水具有不同的拉曼后向散射 荧光信号消光系数，从而实现油膜与海水的辨别，同时对油膜的厚度进行计算。 这种技术已可以测量o 0 5 2 0 h m 厚的油膜，且此范围随科技进步正在不断扩大。针 对溢油种类的鉴别，激光遥感技术则是利用多芳烃作为标志 3 0 】。石油中含有多种 芳香烃类的化合物，这些化合物是与苯坏结构相类似的共扼双键体系分子，其结 构稳定，受环境因素的影响较小。在该体系中，非定域的7 c 电子容易被激发从而 产生荧光。来自不同油田的原油和不同油种以及来源的成品油，他们的成油地质 年代、成油有机体组分以及在炼油过程中不同的裂解程度，会导致它们产生具有 不同特征的荧光和拉曼光谱。通过接收并测定海面溢油的这些特征光谱，就可以 对油种进行鉴别。 激光遥感技术不仅能够及时描述海面溢油污染的分布情况，而且具有二维绘 制的能力。不论在黑夜白昼，还是恶劣天气条件下，都能有效地针对海面溢油进 行实时监测，且资料具有较高的准确性和可信度。也正因如此，激光遥感技术受 到了世界许多国家的重视。 2 、紫外遥感 紫外光波段波长为0 0 1 0 4 0 9 m 。紫外遥感技术是利用装有对紫外光敏感胶卷 的紫外照相机或扫描仪，来记录海面的油膜信息，其工作波段大都在0 3 2 0 4 0 9 m 。 紫外传感器在其工作的波长范围内，对厚度小于5 p m 的各种海面油膜都具有敏感 性。原因在于油膜对紫外光的反射率比海水高1 2 1 8 倍，具有比较明显的亮度反 差【3 t 。因此，利用紫外遥感技术拍摄得到的图像，不仅能够清晰的分辨出油膜与 海水，而且对于极薄的油膜，其他谱段传感器几乎无法对其进行成像，而利用紫 外波段却能做到。在此类紫外遥感图像中，由于溢油油膜相对于海水有较大的反 第2 章雷达监测海洋溢油发展现状 射率，因此在图像中呈现出亮白色。虽然紫外波段遥感进行监测海面油膜具有无 可比拟的优越性，但至今其应用仍然受到许多制约。因为紫外波段的电磁波波长 很短，绕射的能力很差，这就导致其受到天气状况的极大影响，难以充分发挥其 优势。另外，紫外传感器从空中进行海面探测的高度大致在2 0 0 0 米左右，这又导 致紫外遥感技术难以在高空航空遥感和航天遥感领域中发挥其作用，应用就受到 了限制。 2 3 雷达监测海洋溢油的原理 海上溢油发生之后，在海面迅速形成一层油膜。由于油膜的表面张力要大于 背景海水，油膜的存在对海面产牛了平滑效应，使海面粗糙度降低。雷达接收到 的电磁波强度与海面粗糙度有关。目标表面越粗糙，目标高度越高，反射波越强。 当雷达向海面发射电磁波脉冲时，打到油膜上的大部分电磁波被油膜吸收或者散 射掉了，平滑的油膜表面减少了雷达的回波信号。如图2 1 所示。 图2 1 油膜覆盖海水示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h eo i lf i l mc o v e r i n gt h es e a 因此，受到油膜覆盖的海面对于航海雷达发射出的脉冲波的散射系数明显比 周围没有油膜覆盖的清洁海面的要小得多，雷达接收到的油膜回波信号要比清洁 1 2 航海雷达监测海面溢油方法与技术的研究 海区的雷达回波信号弱。这种差别在雷达图像上明显区分出清洁海区和溢油区， 即清洁海区回波信号比较强，是高亮度显示，而溢油区回波信号很弱，在图像上 呈黑区显示。由此航海雷达能够监测到海面溢油，如图2 2 所示。 图2 2 油膜回波强度示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fe c h oi n t e n s i t yf i l m 应用自主研发的航海雷达图像记录仪提取到雷达扫描的溢油图像，将图像信 号转换为数值信号，采用雷达图像处理技术识别和解译油膜性质，计算相应的溢 油参数。 雷达回波信号的大小与发射的电磁波的波长、偏振方向有关，也与油膜的性 质有关。环境因素对雷达回波信号也有很大的影响，包括海面状况、大气中的分 子等。 2 4 国际先进雷达溢油探测系统 随着海洋事业的发展，沿海各国对于海洋环境问题十分重视，溢油问题更是 重中之重。目前，在雷达溢油探测领域中技术比较先进，设备仪器比较成熟的有 四家：德国的w a m o si i 海浪监测系统中的溢油监测功能，加拿大的s h i r ao s d ( o i ls p i l ld e t e c t i o n ) 、挪威的v i s s i mo s d 和m i r o so s d 。我国目前进v i 数量最多 1 3 第2 章雷达监测海洋溢油发展现状 的是挪威的v i s s i mo s d ，下面就简单介绍一下这套系统。 全自动溢油探测系统( o s d 3 0 0 0 ) 系统 全自动溢油探测系统( o s d 3 0 0 0 ) 软件安装在雷达站的探测用计算机上并接 收原始雷达图像。o s d 3 0 0 0 全自动溢油探测系统的主要功能主要有以下几点： 1 、通过v e m 一视频提取模块，从雷达接收原始雷达图像 2 、处理原始雷达图像并摘出溢油 3 、将处理过的原始雷达图像数据传送给o s s 3 0 0 0 溢油探测系统服务器 4 、生成若干报警层并将其发送给o o s 3 0 0 0 溢油探测系统服务器 5 、记录原始数据和处理过的数据及报警信息 6 、将溢油探测处理结果可视化并提供区域配置工具 全自动溢油探测系统( o s d 3 0 0 0 ) 终端显示用来把原始或处理过的雷达图像， 并溢油轮廓实时显示给操作员。主要功能如下： 1 、从服务器接收原始或处理过的雷达图像并显示给用户 2 、显示溢油报警 3 、访问服务器或本地硬盘上的雷达视频录像 4 、记录雷达图像和警报 5 、为操作员提供二次处理的可能 t d 3 0 0 0 溢油探测海图终端显示系统 t d 3 0 0 0 溢油探测海图终端系统，是以多图层电子海图为背景，显示船载雷达 覆盖范围之内溢油探测结果，并实时记录以便于事后回放分析。与电子海图的结 合，便于反应溢油区域面积的计算、飘逸方向和速度等