基于卫星遥感图像的东中国海溢油信息提取

摘要

随着经济的迅速发展，海洋溢油事故频频发生。海洋石油开采引起的溢油污染通常是不可预测，污染面积广，清除难度大。例如2010年4月26日，美国海上钻油台在墨西哥湾爆炸沉没的事件造成海面溢油污染范围有三个香港大，势将成为全球历来最严重的溢油事件之一，严重威胁区内生态环境。海洋油气田大多距离海岸较远，在石油运输过程中的溢油污染也是一个值得重视的溢油监测方面。此外，船只运行过程中的排污和事故也是海洋溢油污染的重要来源。不论海洋溢油从何而来，它对当地的生态环境和渔业资源都会造成严重的威胁。东中国海是我国主要的渔业产区，沿岸地区是重要的长三角经济带。根据2004年东海区渔业资源调查数据显示东海区海洋捕捞总量约占全国海洋捕捞总量的42.43％，占居举足轻重的地位。任何发生在东海的溢油污染都可能对沿岸长三角经济带产生不利影响。因此，东中国海的海洋溢油监测对保护生态平衡，减少经济损失，防灾减灾意义重大。
　　 海洋溢油监测的传统手段是实地调查或者航拍，成本高、操作难度大、可操作海区和时间局限性大。为了长期有效地监测东中国海的海洋溢油情况和变化趋势，需要同步、实时、连续、大范围的监测手段。卫星遥感技术使长期、连续、大范围的溢油监测得以实现，它是目前解决这一问题的最好手段[1]。在溢油污染监测方面，每一种手段都有它的优缺点[2，3]。国际国内研究海洋溢油主要是基于高分辨率的微波雷达SAR图像和中等尺度的MODIS图像。本文考虑研究成本以及应用业务化推进采用易获取中尺度的NOAA18和MODIS图像。为了使图像上的溢油信息凸出，通常都是采用图像增强技术。在低纬度和部分中纬度海区的图像上会出现一种现象：部分海区明显亮于其余海区，类似于聚光灯打在海面上，在这部分海区图像上显示的信息十分明显，这部分海区称为海洋太阳耀斑区。本文筛选了2008年到2009年的MODIS数据共计940幅，符合这一条件且有溢油信息的图像仅有7幅，分别是东中国海2008年夏季的两幅图像（7月7日和8月24日）和2009年春季、夏季的五幅图像（5月11日，5月15日，5月22日，5月31日，6月7日）的溢油信息。本文尝试提取这七幅图像溢油信息，掌握东中国海的太阳耀斑区海洋溢油情况，为溢油预警提供科学的参考依据。
　　 本文尝试了两种方法来分析海洋溢油特征。第一种方法是根据溢油污染海面综合比热容低于洁净海面比热容从而导致海表温度变化差异来识别溢油。海表温度的变化主要是能量变化引起，溢油污染海面能量吸收或辐射都会较洁净海面强，反映在卫星图像上是图像的灰度值不同。通过划分图像灰度值变化等值线来达到溢油信息提取。第二种方法是利用增强背景海域与溢油海域的差异来识别溢油。研究发现在太阳耀斑区域的溢油信息容易识别且明显。发生溢油的海域和未发生溢油的海域改变了海面的物理特性，从而使卫星遥感器接收到光谱信息发生变化。根据这一特征在MATLAB平台上设定溢油特征值以返回溢油信息，从而实现溢油信息提取。再对提取出的溢油信息进行解译，解译主要依据空间纹理特征和相关卫星图像上的地物特征[4]。
　　 比较以上两种方法，对东中国海采用第二种方法即：针对太阳耀斑区的溢油现象进行特征提取。首先，就其所采用的数据的分辨率来讲，NOAA18的分辨率是1.1km，而MODIS数据的分辨率可达到250m，考虑到海洋溢油现象除了大型溢油事故外其余的发生溢油污染的面积都比较小，而且研究的海域相对来说范围较小，所以选择分辨率高的数据有利于溢油特征分析。其次，就两种研究方法来说，第一种利用溢油影响海表温度来分析溢油，在同一季节的温度变化不是很大，而且溢油污染海面的海表温度变化也不是很明显，尤其是轻油薄油膜影响就很难分析出来。第二种方法，利用太阳耀斑区加强油水差别来识别溢油，就可以很好地避免上述问题。最后，第一种方法是通过海表温度间接研究溢油特征，对溢油特征的判定和解译中错误和误差率都较高；后一种方法是直接对海洋溢油特征进行分析的，可以进一步增加溢油特征的判定和解译效果。
　　 通过NOAA18的渤海炯台海域溢油信息提取研究得出(1)NOAA共5个通道，采用对温度较为灵敏的3、4、5通道对溢油信息进行提取，诊断出37°35′30″N，121°30′30″E处为溢油。(2)用ENVI对图像进行图像增强、滤波处理、彩色合成、灰度等值线处理，图像中溢油特征显示清晰。通过MODIS的近长江口32°17′30″N至33°39′48″N；122°47′56″E至122°51′01″E;32°49′01″N至32°51′05″N;122°27′49″E至123°28′13″E：溢油信息提取研究得出(1)选取2009年5月22日MODIS图像数据，在太阳耀斑区域成功提取出了溢油信息，溢油范围主要在33°22′00″N，122°57′00″E至33°14′00″N，122°41′00″E海域内分布。(2)在MODIS图像上海洋溢油图像特征明显区别背景海水，其灰度值的范围大概在75～90，根据这一范围提取出溢油信息。(3)海洋溢油的空间特征主要为短线性、近似月牙状且面积较小分布较集中。(4)提取出的溢油信息解译为造成此油污的最大可能就是海洋环境污染，如：人为地向大海排放压仓沈仓水，倾倒渔业作业废水或者是海洋生物油膜等。
　　 应用卫星遥感技术分析提取了东中国海2008年夏季的两幅图像和2009年春季、夏季的五幅图像的溢油信息。从溢油信息提取的结果来看，出现溢油且比较集中的位置主要集中在人类活动比较的频繁的长江口(32°55′00″N，122°55′00″E);舟山群岛和台州群岛之间(28°12′00″N，121°57′00″E);冲绳诸岛附近(29°30′00″N，128°03′00″E);其余的海域偶尔会发现很少的溢油特征，可以概括地说，人类活动比较频繁的沿岸海域发现溢油污染的几率明显高于东中国海的其他海域。海洋溢油分布面积较小，且比较集中，有背景海域有明显的颜色差别，主要呈现暗黑色且具有光泽度；海洋溢油的油污的形状多呈现线性或者很小面积的月牙状。
　　 本文的创新点：论文所采用的研究数据是从2008年到2009年的MODIS图像数据中筛选的太阳耀斑区的7幅MODIS图像数据，对太阳耀斑区进行溢油信息提取，基于类似被聚光灯照射的背景下提取出了7幅图像的清晰的溢油信息。

目录

文摘

英文文摘

上海海洋大学博/硕士学位论文答辩委员会成员名单

第一章 引言

1.1 海洋石油监测的目的和意义

1.2 海洋石油污染现状及对渔业资源的影响

1.2.1 海洋石油污染现状

1.2.2 海洋石油污染对渔业资源的影响

1.3 遥感监测海洋溢油的研究进展

1.3.1 遥感图像信息提取研究进展

1.3.2 遥感监测海洋溢油国内外研究进展

1.4 论文主要研究内容

第二章 溢油监测原理及方法

2.1 卫星遥感器介绍

2.2 遥感图像处理方法

2.2.1 遥感图像预处理

2.2.2 遥感图像增强

2.2.3 遥感图像分类识别

2.2.4 遥感图像处理的特点和内容

2.3 遥感图像溢油信息提取

2.4 NOAA18的溢油检测原理

2.5 MODIS的溢油检测原理

2.6 本章小节

第三章 基于NOAA18的渤海烟台海域溢油信息提取

3.1 NOAA18图像处理

3.1.1 NOAA18图像数据预处理

3.1.2 NOAA18图像数据增强

3.1.3 NOAA18图像数据溢油信息提取

3.2 NOAA18溢油信息解译

3.3 结论

3.4 本章小节

第四章 基于MODIS的东黄海溢油案例信息提取

4.1 MODIS图像处理

4.1.1 MODIS几何校正

4.1.2 MODIS图像增强

4.1.3 MODIS图像滤波

4.1.4 MODIS溢油信息提取

4.2 MODIS溢油信息解译

4.3 MODIS溢油信息提取结论

4.4 本章小节

第五章 基于MODIS的东中国海太阳耀斑区溢油信息提取

5.1 MODIS的东中国海研究图像

5.2 东中国海太阳耀斑区溢油信息提取

5.2.1 结果分析

5.2.2 MODIS图像溢油信息共同特征

5.2.3 讨论

5.3 本章小节

第六章 结论及展望

参考文献

致谢

硕士期间的主要科研情况