海面溢油的可見(jiàn)光波段地物光譜特征研究

油類污染，尤其是突發(fā)性海面溢油污損事件是發(fā)生頻率較高，影響范圍大，對(duì)海洋環(huán)境、沿海經(jīng)濟(jì)活動(dòng)危害程度非常大的海洋環(huán)境災(zāi)害。遙感探測(cè)海面溢油，主要依據(jù)是油膜在不同光譜區(qū)具有不同的反射、散射、吸收特性，選擇適當(dāng)?shù)墓庾V區(qū)監(jiān)測(cè)溢油，并設(shè)法增強(qiáng)油膜與其背景海水之間的反差，以達(dá)到確定油膜范圍、估算油膜厚度，進(jìn)而估算溢油量的目的。

01遼河原油不同厚度光譜特征

從47μm到2143μm之間布設(shè)了7個(gè)厚度的油膜,分別為47、109、210、483、764、1380、2143μm。由于原油較粘稠,布設(shè)時(shí)采用減重法,同時(shí)將海水加熱至35℃以上,將原油融化后布放。由于表面凝聚作用,在油量少時(shí),不能形成連續(xù)油膜。這樣油膜的反射率曲線,主要呈兩種形態(tài),如圖1。

圖1 不同厚度原油實(shí)測(cè)光譜曲線圖

開始時(shí),油膜呈浮萍狀浮于水面,曲線形式與海水接近。隨油量增加,反射率逐漸下降,至210H厚時(shí),形成連續(xù)油膜。油厚度升至483時(shí),反射率曲線形式發(fā)生較為明顯的變化,即較平緩。隨厚度的進(jìn)一步增加,反射率變化相對(duì)較小?？偟内厔?shì)是隨厚度的增加,反射率呈下降趨勢(shì)。

圖2 不同油品反射率隨厚度變化曲線圖

02潤(rùn)滑油不同厚度光譜特征

由于潤(rùn)滑油粘度小,在測(cè)量時(shí)采用體積法布設(shè)了7個(gè)厚度的油膜,分別是50μm、100μm、200μm、400μm、800μm、1000μm、2000μm。從測(cè)量結(jié)果看(圖3),除50μm處的反射率較低外,可能由于油膜較薄,反射不明顯。從100μm到200μm均表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性,其反射總體特征為在可見(jiàn)光，尤其在藍(lán)光波段反射最強(qiáng),向紅外波段,反射率呈下降趨勢(shì)。圖2給出了反射率隨厚度變化曲線。當(dāng)厚度增加到一定程度(約800μm)時(shí),反射率的變化不大。

圖3 不同厚度的潤(rùn)滑油實(shí)測(cè)光譜曲線圖

03柴油不同厚度光譜特征

測(cè)試時(shí),采用體積法,布設(shè)了從8個(gè)厚度的油膜，分別為50μm、100μm、300μm、400μm、500μm、800μm、1000μm、2000μm,從測(cè)量結(jié)果(圖4)看,規(guī)律性很強(qiáng),由可見(jiàn)光向紅外,反射率逐漸降低。在可見(jiàn)光的藍(lán)光波段,反射率最高,近紅外波段最弱。隨厚度的增加，反射率逐漸增加，當(dāng)增加到500μm處以后，反射率隨厚度的變化較小，基本趨于常數(shù)，見(jiàn)圖2。

圖4 柴油隨厚度變化光譜曲線圖

04不同油品與海水光譜特征差異

海面鑒別溢油,一個(gè)重要的條件就是區(qū)分出海水與油膜之間的差異,準(zhǔn)確確定油膜的范圍,其前提就是要找出油水差別最大的點(diǎn),為圖像解譯提供服務(wù)。為此,進(jìn)行了3類油品和海水的對(duì)比分析。從圖5的光譜曲線可以看出,柴油的反射率遠(yuǎn)高于海水。潤(rùn)滑油在藍(lán)綠光波段反射率高于海水。而在紅光673nm和近紅外波段則低于海水。而原油在可見(jiàn)光波段低于海水而在近紅外波段(849nm）則高于海水。

圖5 不同油品實(shí)測(cè)光譜曲線圖

圖6 油與海水光譜差值曲線

高光譜成像作為目前遙感領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)，在地質(zhì)應(yīng)用中取得了巨大成功。巖石 和礦物由于電子過(guò)程和分子振動(dòng)可以產(chǎn)生特征的光譜吸收，因此可以利用高光譜技術(shù)進(jìn)行巖 礦填圖，快速且準(zhǔn)確地獲取區(qū)域內(nèi)巖石和礦物的分布情況，進(jìn)而圈定有潛力的找礦靶區(qū)。

多平臺(tái)遙感數(shù)據(jù)在地質(zhì)填圖中的綜合應(yīng)用示意圖

光學(xué)遙感影像經(jīng)歷了全色—彩色—多光譜—高光譜的發(fā)展歷程。高光譜遙感也被稱為成像光譜遙感，相比多光譜具有圖譜合一的特點(diǎn)，即可以同時(shí)獲取二維空間信息和連續(xù)的光譜維信息，是目前光 學(xué)遙感領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)。光譜分辨率的提高使得由物質(zhì)本身微小成分變化引起的光 譜特征差異可以被識(shí)別，因此在巖石礦物分類、化學(xué)組成的探測(cè)甚至定量—半定量分析等方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。

01巖礦光譜特性

太陽(yáng)光譜通常被劃分為紫外光（UV，0.001～0.4μm）、可見(jiàn)光（VIS，0.4～0.7μm）、近紅外（NIR，0.7～3.0μm）、中紅外（MIR，3.0～30μm）和遠(yuǎn)紅外（FIR，30μm～1mm）等幾部分，而在地質(zhì)領(lǐng)域得到應(yīng)用的主要是可見(jiàn)光—近紅外（VNIR，0.4～1.0μm）和短波紅外（SWIR，1.0～2.5μm）光譜區(qū)間，對(duì)熱紅外（TIR，6～14μm）部分的應(yīng)用則相對(duì)比較薄弱。當(dāng)太陽(yáng)光線照射到礦物或巖石表面時(shí)，特定波長(zhǎng)的入射光一部分被吸收，另一部分則被反射或透射，吸收或反射的比例取決于物質(zhì)化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)。能量的吸收主要由物體內(nèi)電子過(guò)程和分子振動(dòng)造成，電子過(guò)程包括晶體場(chǎng)效應(yīng)、電荷轉(zhuǎn)移、導(dǎo)帶和色心；分子振動(dòng)過(guò)程包括化學(xué)鍵的伸縮、彎曲和旋轉(zhuǎn)等。下圖系統(tǒng)分析了各種礦物的特征譜帶位置及其吸收機(jī)理，為通過(guò)反射光譜進(jìn)行礦物探測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)定的主要礦物類型的診斷性光譜吸收特征位置

02高光譜遙感巖礦填圖方法

利用高光譜遙感進(jìn)行巖礦填圖雖然具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，高光譜數(shù)據(jù)具有波段多、光譜分辨率高的特點(diǎn)，帶來(lái)豐富的地物信息的同時(shí)也造成了數(shù)據(jù)的冗余，使得對(duì)數(shù)據(jù)的處理更加復(fù)雜。開展高光譜遙感巖礦填圖的基本流程如圖3所示。由于受到地表特性、大氣過(guò)程、遙感器載荷參數(shù)差異等因素的影響，對(duì)獲取的高光譜數(shù)據(jù)，根據(jù)產(chǎn)品級(jí)別不同，通常需要用戶進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和幾何校正等預(yù)處理過(guò)程。

其中，大氣校正最常用的方法是FLASSH，其目的是將光譜輻射率轉(zhuǎn)換為反射率。利用反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行巖礦特征信息提取，其中涉及到特征波段選擇、波段比值和主成分分析以及圖像融合、像元解混等技術(shù)手段，其本質(zhì)都是為了突出巖礦光譜特性與其本身物化屬性間的關(guān)聯(lián)性，從而實(shí)現(xiàn)巖性和礦物的精確識(shí)別。

高光譜遙感巖礦填圖工作流程

03區(qū)域巖礦填圖

目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展的巖礦高光譜識(shí)別方法可以分為3類：

（1）光譜匹配方法：將遙感成像光譜與光譜庫(kù)的參考光譜或?qū)崪y(cè)光譜相匹配，構(gòu)建某種測(cè)度函數(shù)以評(píng)估它們之間的相似性，從而對(duì)礦物進(jìn)行分類。如距離法（DBM）、光譜角填圖（SAM）、匹配濾波（MF）、光譜信息散度（SID）、混合調(diào)制匹配濾波（MTMF）等。

（2）模式識(shí)別方法：以礦物學(xué)和光譜學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，提取具有診斷性的光譜特征或光譜吸收參數(shù)（如吸收位置、深度、寬度、對(duì)稱度等），建立識(shí)別規(guī)則，對(duì)礦物進(jìn)行分類，如光譜特征擬合（SFF）、光譜吸收指數(shù)（SAI）和吸收譜帶定位分析（AABP）等。

（3）人工智能方法：上述兩類巖礦填圖方法的應(yīng)用已經(jīng)很成熟，但這類方法往往要求研究者具有足夠的專家經(jīng)驗(yàn)和先驗(yàn)知識(shí)來(lái)設(shè)置合適的參數(shù)，以獲得最優(yōu)分類效果，且只能提取遙感圖像的淺層特征，分類精度有限。

柳園地區(qū)高光譜礦物填圖結(jié)果

a. 礦物分布圖；b.絹云母成分圖

柳園地區(qū)巖性填圖結(jié)果與區(qū)域地質(zhì)圖比較

綜合多譜段或全譜段的光譜填圖可以充分發(fā)揮不同波段的特性，大大改進(jìn)對(duì)巖性單元和蝕變礦物的填圖效果。這是因?yàn)槊總€(gè)波段區(qū)間具有不同的巖礦識(shí)別能力，針對(duì)不同地物有各自的優(yōu)勢(shì)和局限性。如VNIR波段適于提取含鐵離子的礦物，SWIR波段則可以區(qū)分碳酸鹽礦物和含Al-OH、Mg-OH的熱液蝕變相關(guān)礦物，而TIR波段具有識(shí)別石英和主要造巖硅酸鹽礦物的能力。

此外，相較于野外地質(zhì)填圖的區(qū)域局限性，高光譜遙感填圖可以發(fā)現(xiàn)一些通過(guò)傳統(tǒng)手段難以探測(cè)到的隱伏斷層和巖體，從而對(duì)過(guò)去地質(zhì)調(diào)查繪制的地質(zhì)圖進(jìn)行校對(duì)和修訂。

典型斑巖銅礦蝕變分帶及其特征礦物的反射率光譜

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審核編輯 黃宇