一種海面不同厚度原油油膜高光譜探測通道選擇方法
【專利摘要】本發明公開了一種海面不同厚度原油油膜高光譜探測通道選擇方法，包括以下步驟：獲取實測海水及不同厚度原油油膜的光譜反射率數據；對Hyperion數據進行預處理；對實測光譜數據光譜進行濾波；對Hyperion數據環境噪聲進行等效反射比計算；對模擬Hyperion通道數據進行歸一化。本發明對海上原油油膜的光譜反射率數據進行采集，并通過計算Hyperion傳感器數據的光譜響應函數和環境噪聲等效反射率，對實測光譜數據進行濾波與歸一化，進行Hyperion傳感器進行海面不同厚度原油油膜探測通道選擇。本發明既考慮了實測光譜差異，又考慮了遙感圖像獲取時的環境噪聲影響，因此更加接近實際情況，通道選擇更加準確。
【專利說明】一種海面不同厚度原油油膜高光譜探測通道選擇方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及海洋環境監測【技術領域】，尤其涉及一種海面不同厚度原油油膜高光譜 探測通道選擇方法。
【背景技術】
[0002] 海上溢油是海洋污染的主要形式之一，溢油發生后，其位置、種類、面積和相對厚 度等相關信息是公眾和媒體十分關注的。在應用遙感進行溢油檢測方面，國內外對多光譜、 熱紅外、雷達等均有廣泛的研究與應用，但由于海洋環境復雜、海面大氣影響，水體對電磁 波的散射與吸收作用，海面油膜遙感信息較弱，導致海面油膜信息提取時存在"同物異譜， 同譜異物"的現象。隨著高光譜遙感技術的出現和發展，針對海面油膜信息的高光譜遙感探 測技術研究也得到不斷發展，該技術可獲取地物目標近乎連續的反射光譜，從而根據光譜 特征差異來區分海水與溢油目標。
[0003] 高光譜遙感數據在進行油膜和水體探測時，同時受到傳感器系統噪聲和數據獲取 時大氣的影響（系統噪聲與大氣影響合稱環境噪聲），因此水體與油膜在遙感圖像上的可 區分性不僅考慮實測光譜差異，還應考慮環境噪聲的影響。但當前利用實測光譜選擇有利 波段和傳感器時，假設觀測過程中的環境噪聲可以忽略，僅分析了水體和油膜實測光譜差 異，從而導致油膜探測通道選擇結果不準確。
【發明內容】
[0004] 為解決現有技術存在的上述問題，本發明要設計一種可提高探測通道選擇準確度 的海面不同厚度原油油膜高光譜探測通道選擇方法。
[0005] 為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：一種海面不同厚度原油油膜高光譜 探測通道選擇方法，包括以下步驟：
[0006] A.獲取實測海水及不同厚度原油油膜的光譜反射率數據
[0007] 不同厚度原油油膜的光譜反射率數據測量時間選擇在天氣晴朗無云、風速較小的 11:00?12:30進行，為了減少外界反射太陽光對結果造成干擾，測量人員著深色服裝。光 譜測量設備為ASD FieldSpec?3地物光譜儀，光譜范圍為350?2500nm。數據采集前， ASD FieldSpec?3地物光譜儀自動進行暗電流校正；在測量海水和油膜前分別測量參考板 的反射率光譜數據，參考板采用與ASD FieldSpec?3配套的漫反射標準參考板；測量時探 頭距參考板、水面和油膜20-50cm且垂直向下，視場角3° -25° ;測量過程中每隔3?5分 鐘測量一下參考板的反射率光譜數據；對同一測量目標重復測量10次，剔除離群數據后， 計算每組數據的平均值，得到海水、油膜的光譜反射率數據R m。
[0008] Β·對Hyperion數據進行預處理
[0009] Hyperion是地球觀測一號星E0-1上搭載的推掃式高光譜成像光譜儀，其光譜范 圍為356-2577nm，共有242個波段，光譜分辨率約為10nm。經過輻射定標處理的波段數 為198個，其中VNIR56、57波段與SWIR77、78波段重疊，實際可用波段為196個。考慮到 水體在大于lOOOnm后對光的強吸收作用，選擇波長小于lOOOnm的Hyperion波段進行分 析。Hyperion數據在成像過程中受到大氣中水汽和臭氧的影響，為了消除大氣的影響，將 Hyperion原始數據轉換為地球表面的反射率數據，需要進行大氣校正。大氣校正使用的工 具是軟件ENVI4. 5的FLAASH模塊，使用該軟件可同時獲取Hyper ion數據的光譜響應函數。 [0010] C.對實測光譜數據光譜進行濾波
[0011] 利用步驟B獲取的Hyperion數據的光譜響應函數作為濾波器，對步驟A獲取的實 測海水和不同厚度油膜的光譜反射率數據Γ進行濾波。即按照Hyperion傳感器的中心波 長和波段數設置，對實測光譜數據進行濾波，得到模擬Hyperion通道數據礦。
[0012] D.對Hyperion數據環境噪聲進行等效反射比計算
[0013] 對傳感器-大氣-目標系統噪聲的準確估計，能夠提高環境信息提取的準確性， 為評估遙感系統提取環境變量的準確性和精確性，需要對遙感圖像的環境噪聲等效反射比 NEARe進行計算。
[0014] ΝΕ Δ RE = σ (R)
[0015] 〇 (R)是Hyperion數據上一個覆蓋內部盡量均勻、光學深度很大水域的窗口內各 波段反射率標準差，通過調整窗口大小，使σ (R)達到收斂。采用Wettle等人提出的自動 局部收斂定位算法進行窗口位置選擇。
[0016] E.對模擬Hyperion通道數據進行歸一化
[0017] 將步驟C得到的模擬Hyperion通道數據礦歸一化至步驟D得到的ΝΕ Λ RE光譜， 得到歸一化后光譜S。
[0018] S = Rr/NE Δ RE
[0019] F.對Hyperion數據油膜厚度進行敏感性評價與通道選擇
[0020] 步驟E的歸一化光譜S揭示了 Hyperion數據在區分油膜厚度方面的理論極限 值。以ΝΕ Λ RE為單位進行度量，若兩個地物在某波長位置的ΝΕ Λ RE差值絕對值大于1，則 在Hyperion傳感器所獲取的圖像數據上，二者在該波長范圍內能夠有比較明顯的區別，即 傳感器在該波長位置所獲取的數據能夠區別這兩個地物。即，將包含該波長位置的通道選 為進行不同厚度油膜探測的通道。
[0021] 與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
[0022] 本發明對海上原油油膜的光譜反射率數據進行采集，并通過計算Hyperion傳感 器數據的光譜響應函數和環境噪聲等效反射率，對實測光譜數據進行濾波與歸一化，進行 Hyperion傳感器進行海面不同厚度原油油膜探測通道選擇，相比已有通道選擇方法，該方 法既考慮了實測光譜差異，又考慮了遙感圖像獲取時的環境噪聲影響，因此更加接近實際 情況，通道選擇更加準確。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 本發明共有附圖4張，其中：
[0024] 圖1為本發明的流程圖；
[0025] 圖2為本發明的不同厚度原油油膜實測光譜反射率曲線；
[0026] 圖3為本發明的不同厚度原油油膜實測光譜反射率經Hyperion數據光譜響應函 數濾波后曲線；
[0027] 圖4為本發明的不同厚度原油油膜實測光譜反射率經Hyperion環境噪聲等效反 射率歸一化后曲線。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖對本發明作進一步說明。如圖1所示，本發明首先獲取不同厚度 原油油膜的實測光譜反射率數據；然后對Hyperion傳感器數據進行參數提取，即獲取 Hperion光譜響應函數；利用獲取的Hyperion光譜響應函數對實測光譜反射率數據進行光 譜濾波；通過計算獲得Hyperion傳感器圖像數據的環境噪聲等效反射率ΝΕ Λ RE ;利用獲得 的NE △ ^對濾波后的實測光譜反射率數據進行歸一化操作；通過分析不同厚度原油油膜的 濾波后光譜曲線，獲得Hyperion數據對不同厚度油膜的敏感性，選擇利于不同厚度原油油 膜探測的通道。
[0029] 如圖 2 所示，獲取厚度為 10以111、5(^111、30(^111、100(^111、150(^1]1和 200(^1]1的原 油油膜以及海水的光譜反射率數據。
[0030] 如圖3所示，利用Hyperion傳感器的光譜響應函數對圖2中油膜及海水的光譜反 射率數據進行濾波，得到濾波后的不同厚度油膜及海水的光譜反射率曲線。
[0031] 由圖4所示，利用ΝΕ Λ RE對圖3中數據進行歸一化后得到歸一化的不同厚度油 膜和海水光譜反射率曲線。通過分析發現，10 μ m和50 μ m油膜和海水的ΝΕ Λ RE差異在 427-875nm間均超過1，即在此波段范圍內Hyperion數據能夠區分薄油膜和海水的差異，從 而識別海上薄油膜；在498-579nm和620-854nm范圍內，1500 μ m和2000 μ m油膜和海水的 ΝΕ Λ RE的差異也均超過1，因此在該波長范圍內利用Hyperion數據進行厚油膜的識別更加 有效。對于300 μ m和1000 μ m的油膜，在427-590nm范圍內與海水的ΝΕ Λ RE的差異并不是 很大，并且在610- 885nm范圍內與海水的ΝΕ Λ RE差異均大于1。理論上通過Hyperion傳 感器能夠比較好的識別海上原油油膜，薄油膜和厚油膜的ΝΕ Λ RE差異主要體現在508nm- 610nm范圍內，并且能夠區分薄油膜和厚油膜。
[0032] 由波長所對應Hyperion傳感器通道可知，對于較10 μ m和50 μ m油膜，Hyperion 傳感器的第8波段至第52波段能夠有效的識別；對300 μ m和1000 μ m的油膜，Hyperion 傳感器的探測通道為第26-53波段；對于1500 μ m和2000 μ m的油膜，Hyperion的第15波 段至第23波段以及第27-49波段數據探測性能較好。
[0033] 以上所述，僅為本發明的最佳實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何 熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其發明 構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種海面不同厚度原油油膜高光譜探測通道選擇方法，其特征在于：包括以下步 驟： A.獲取實測海水及不同厚度原油油膜的光譜反射率數據 不同厚度原油油膜的光譜反射率數據測量時間選擇在天氣晴朗無云、風速較小的 11:00?12:30進行，為了減少外界反射太陽光對結果造成干擾，測量人員著深色服裝；光 譜測量設備為ASD FieldSpec?3地物光譜儀，光譜范圍為350?2500nm ;數據采集前， ASD FieldSpec?3地物光譜儀自動進行暗電流校正；在測量海水和油膜前分別測量參考板 的反射率光譜數據，參考板采用與ASD FieldSpec?3配套的漫反射標準參考板；測量時探 頭距參考板、水面和油膜20-50cm且垂直向下，視場角3° -25° ;測量過程中每隔3?5分 鐘測量一下參考板的反射率光譜數據；對同一測量目標重復測量10次，剔除離群數據后， 計算每組數據的平均值，得到海水、油膜的光譜反射率數據R m; Β·對Hyperion數據進行預處理 Hyperion是地球觀測一號星E0-1上搭載的推掃式高光譜成像光譜儀，其光譜范圍 為356-2577nm，共有242個波段，光譜分辨率約為10nm ;經過輻射定標處理的波段數為 198個，其中VNIR56、57波段與SWIR77、78波段重疊，實際可用波段為196個；考慮到水 體在大于l〇〇〇nm后對光的強吸收作用，選擇波長小于lOOOnm的Hyperion波段進行分 析；Hyperion數據在成像過程中受到大氣中水汽和臭氧的影響，為了消除大氣的影響，將 Hyperion原始數據轉換為地球表面的反射率數據，需要進行大氣校正；大氣校正使用的工 具是軟件ENVI4. 5的FLAASH模塊，使用該軟件同時獲取Hyperion數據的光譜響應函數； C. 對實測光譜數據光譜進行濾波 利用步驟B獲取的Hyperion數據的光譜響應函數作為濾波器，對步驟A獲取的實測海 水和不同厚度油膜的光譜反射率數據Γ進行濾波；即按照Hyperion傳感器的中心波長和 波段數設置，對實測光譜數據進行濾波，得到模擬Hyperion通道數據礦； D. 對Hyperion數據環境噪聲進行等效反射比計算 對傳感器-大氣-目標系統噪聲的準確估計，能夠提高環境信息提取的準確性，為評估 遙感系統提取環境變量的準確性和精確性，需要對遙感圖像的環境噪聲等效反射比ΝΕ Λ Re 進行計算； ΝΕ Δ RE = σ (R) 〇 (R)是Hyperion數據上一個覆蓋內部盡量均勻、光學深度很大水域的窗口內各波段 反射率標準差，通過調整窗口大小，使〇 (R)達到收斂；采用Wettle等人提出的自動局部收 斂定位算法進行窗口位置選擇； E. 對模擬Hyperion通道數據進行歸一化 將步驟C得到的模擬Hyperion通道數據F歸一化至步驟D得到的ΝΕ Λ RE光譜，得到 歸一化后光譜S ; S = Rr/NE Δ Re F. 對Hyperion數據油膜厚度進行敏感性評價與通道選擇 步驟E的歸一化光譜S揭示了 Hyperion數據在區分油膜厚度方面的理論極限值； 以ΝΕ Λ RE為單位進行度量，若兩個地物在某波長位置的ΝΕ Λ RE差值絕對值大于1，則在 Hyperion傳感器所獲取的圖像數據上，二者在該波長范圍內能夠有比較明顯的區別，即傳 感器在該波長位置所獲取的數據能夠區別這兩個地物；即，將包含該波長位置的通道選為 進行不同厚度油膜探測的通道。
【文檔編號】G01N21/55GK104122233SQ201410366554
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】劉丙新, 李穎, 張至達 申請人:大連海事大學