1 中国石油大学（华东）海洋空间与信息学院，山东 青岛 266580
2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋矿产资源重点实验室，山东 青岛 266071
3 中国石油集团测井有限公司国际公司，北京 100101
4 自然资源部第一海洋研究所，山东 青岛 266061
5 青岛海洋科技中心，山东 青岛 266237
海上溢油事故的发生不仅给人类造成了巨大的财产经济损失，而且严重破坏了海洋生态环境。极化合成孔径雷达（PolSAR）通过利用多种极化通道能够更综合地记录地物后向散射信息，从而广泛应用于海上溢油检测中。为了更加准确地进行海上溢油检测，提出一种基于Dual Encoder-Decoder Net（Dual-EndNet）的极化SAR海上溢油检测算法。首先提取出目前常用的30种用于溢油检测的极化特征，并利用随机森林算法选出区分溢油重要性较好的前10个特征；然后以编码器-解码器为基本框架，设计两个分支，分别输入PauliRGB图像和优选的10个极化特征图像，用于提取溢油极化SAR图像的空间信息和极化信息，进而对两分支信息进行融合，以提高溢油检测算法性能。在两景Radarsat-2全极化SAR溢油数据集上的实验结果表明，所提方法不仅具有较强的溢油检测能力，而且能够有效地区分原油、植物油、乳化油不同类型的油膜。
图像处理 遥感影像分类 极化合成孔径雷达 深度学习 溢油检测 极化特征 激光与光电子学进展
2023, 60(24): 2412002
1 成都信息工程大学计算机学院, 四川 成都 610225
2 燕山大学电气工程学院, 河北 秦皇岛 066000
3 燕山大学信息科学与工程学院, 河北 秦皇岛 066000
海面上存在的溢油, 主要包括未乳化与乳化两种。 对海面溢油进行科学的探测评估, 有助于溢油污染的回收处理和应急方案的制定。 未乳化溢油, 主要以油膜形式存在, 其厚度成为溢油量的重要评估指标; 乳化溢油, 主要以油包水或水包油形式存在, 其油水比可作为评估依据。 激光诱导荧光（LIF）技术被认为是目前有效的海面溢油探测手段之一。 基于LIF探测技术的油膜厚度反演已有相关的算法, 但关于海面乳化溢油还没有相应的溢油量化方法, 而海面乳化溢油会给海洋环境带来更大危害。 所以对海面乳化溢油信息的分析和研究成为海洋激光荧光探测的迫切任务。 基于此, 从LIF系统探测机理出发, 提出一种针对油包水型乳化溢油的等效估算模型, 并推导出等效估算公式; 首先将油包水中连续相的溢油看作具有相同光学性质的油膜, 而所有分散相的水滴看成一个整体, 将其等效为薄水层, 为了将等效模型和实际乳化液存在的外部环境保持一致, 在薄水层上面再覆盖一个油面, 从而把油包水型乳化溢油的溢油量估算问题转换成等效油膜的厚度计算问题; 其次根据光的辐射传输过程, 建立系统接收的荧光信息的方程, 并整理出油膜厚度的计算公式, 即已知油种的前提下, 将系统测得的荧光强度值代入就可求得对应的厚度值, 进而实现溢油量的估算。 通过实例对等效模型产生的误差进行了具体分析, 验证等效模型估算方法的适用性和有效性: 即油包水乳化液的含油率和厚度均在一定范围时, 实际溢油厚度与等效油膜厚度具有较小误差。 该等效处理方法可为海面乳化溢油量的估算提供一种新的办法, 具有重要的指导意义和一定的创新价值。
油包水 激光诱导荧光 等效模型 乳化溢油油水比 溢油量 Water in oil Laser induced fluorescence Equivalent model Oil/water ratio of emulsion spillage Oil spill
1 长春理工大学吉林省空间光电技术重点实验室空间光电技术国家与地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
2 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
3 长春理工大学电信学院，吉林 长春 130022
为了更加准确地表征粗糙水面环境下溢油的偏振反射特性，建立了改进型溢油偏振二向反射分布函数（pBRDF）模型。该模型基于Priest-Germer（P-G）理论，引入遮蔽函数、漫反射和体散射分量，并结合水面微小平面的概率分布函数，更加适合检测粗糙水面背景的溢油偏振反射特性。在粗糙水面环境下对5种不同溢油（机油、原油、柴油、煤油、汽油）目标进行多角度可见光波段偏振特性测试实验。结果表明：若相对方位角为180°，线偏振度随观测天顶角的增大先增大后减小，随入射天顶角的增大也先增大后减小；线偏振度随相对方位角的增大先增大后减小，在相对方位角为180°时达到最大，且受波长影响较小。该模型的置信精度可达到80%以上，证明了该模型的准确性，为研究粗糙海面溢油的偏振特性提供了一种新的途径。
海洋光学 偏振特性 偏振二向反射分布函数 P-G模型 可见光 溢油目标
1 燕山大学信息科学与工程学院, 河北 秦皇岛 066099
2 燕山大学电气工程学院, 河北 秦皇岛 066099
水包油乳化液的溢油量是海面溢油污染评估分析的一个重要指标。 激光诱导荧光(LIF)是目前海面溢油遥感探测领域一项最好的技术之一。 基于LIF探测技术的海面水包油溢油量的评估目前尚无一套有效且完整的算法。 鉴于此, 首先设计了一种水包油乳化液溢油量的等效评估模型: 将水包油乳化液中分散相油滴假设聚集为漂浮在海面上的成片油膜, 如此就将水包油乳化液溢油量的评估问题转化为具有相同荧光效果的等效模型中油膜厚度的估测问题; 其次基于LIF探测机理和荧光辐射传输过程, 建立了LIF系统接收的荧光信号方程, 进而反演求得油膜厚度的计算公式; 最后选择具有代表性的重质、 轻质两种油品, 通过仿真实验验证了等效模型的正确性和将探测的水包油乳化液的荧光信号强度通过等效算法求取了油膜厚度, 并对等效误差进行了分析, 得出了等效评估算法的适用条件: 即当水包油乳化液的实际溢油厚度≤其荧光平稳时的最小溢油厚度时, 本文的等效评估算法具有较高精度, 其平均误差在8%以内; 而当实际溢油厚度＞荧光平稳时的最小溢油厚度时, 等效评估误差增大, 其平均值超出25%。 另外, 采用本文算法对重质、 轻质水包油乳化液的溢油量进行等效评估时, 实际溢油厚度分别不大于2和16 μm时可得到较好估测结果。 所以, 本文研究内容对基于LIF技术探测的海面水包油乳化液的溢油量评估是一种可行和有借鉴意义的方法。
水包油乳化液 溢油量 等效评估算法 激光诱导荧光 Oil-in-water emulsion Oil spill volume Equivalent evaluation algorithm Laser-induced fluorescence 光谱学与光谱分析
2022, 42(12): 3665
1 成都信息工程大学计算机学院, 四川 成都 610225
2 燕山大学信息科学与工程学院, 河北 秦皇岛 066004
随着海洋运输业和海洋石油开采业的快速发展, 溢油污染日益严重, 给海洋环境和海洋生态平衡带来极大威胁。 因此海洋溢油污染的治理、 改善, 成为海洋环境保护工程中刻不容缓的重要工作。 而对不同状态溢油的识别则是解决溢油污染问题的基础与关键。 海面上的溢油, 主要包括未乳化与乳化两个不同阶段。 前者以不同厚度的油膜形式存在, 后者以不同油水比的溢油乳化物形式存在。 不同状态的海面溢油具有不同的元素组成: 油膜为纯油分子, 乳化溢油为油水混合结构, 构建出差异化的荧光基团。 在激光作用下具备各自特征的荧光光谱信息, 不同状态显示出较为明显的荧光光谱差异。 光谱曲线的形状特征是荧光物质物理化学性质的一种外在体现, 所以从光谱的特征形状来分析、 比较一定的光谱参量可以达到物质分类和物种识别的目的和效果。 为了实现海面溢油不同状态的快速分类识别, 通过搭建的LIF探测系统, 采集了常用成品油不同状态的荧光光谱, 光谱曲线对比发现: 乳化阶段的光谱会表现出荧光峰个数增多、 荧光强度改变、 荧光峰位偏移等一系列特征。 在此基础上, 根据表观统计学原理, 提取光谱的均值、 标准差、 峰度系数、 谱线宽度、 曲线斜率等特征参量, 并将这些特征值进行聚类分析。 结果显示: 基于激光诱导荧光光谱的海面溢油聚类分析结果与实际溢油状态是基本一致的。 即在已知油种的前提下, 该分类方法可较好识别出海面不同的溢油状态。 因此该方法可以为海面溢油识别提供一种新思路, 也为LIF技术探测质量的提高, 应用水平的提升奠定一定的基础。
激光诱导荧光 荧光光谱 溢油乳化物 特征参量 聚类分析 Laser induced fluorescence Fluorescence spectrum Oil spill emulsions Characteristic parameter Cluster analysis 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2018
1 燕山大学信息科学与工程学院, 河北 秦皇岛 066004
2 燕山大学电气工程学院, 河北 秦皇岛 066004
3 河北环境工程学院信息工程系, 河北 秦皇岛 066000
海面溢油污染是常见的海洋污染之一, 通常以未乳化、 乳化等风化状态存在, 其中乳化阶段对海洋危害更加显著。 因此, 快速监测海面溢油信息, 准确识别并评估乳化溢油污染对溢油应急处理和生态环境保护具有重要意义。 激光诱导荧光(LIF)是目前有效的海面溢油探测技术之一。 LIF探测系统可分为收发共轴和非共轴形式。 有关收发共轴LIF系统对海面乳化溢油探测的研究较少, 利用Mie散射理论计算得到溢油乳化液的吸收系数、 散射系数等光学参数, 建立蒙特卡罗光子传输模型对乳化溢油进行双向反射再辐射分布函数(bidirectional reflectance and reradiation distribution function, BRRDF)的仿真研究。 分析浓度、 厚度、 油种多参数下乳化溢油的fBRRDFcos2θ与发射接收角度的关系, 进而得到基于收发共轴LIF系统海面乳化溢油探测的适宜条件。 结果表明, fBRRDFcos2θ与发射接收方位角无关, 但受发射接收天顶角的影响较大, 各参数下乳化溢油的fBRRDFcos2θ其变化规律具有一定差异性。 重质油包水和低浓度水包油的fBRRDFcos2θ对天顶角的变化更敏感, 轻质油包水和高浓度水包油的fBRRDFcos2θ对较小角度(0°~45°)不敏感, 之后迅速下降。 因此基于收发共轴LIF系统对海面乳化溢油进行探测时, 发射接收天顶角在0°~45°范围内为宜, 其中在0°处系统可接收到最大光功率。 另外, 为验证仿真正确性, 利用实验室LIF系统对乳化溢油进行收发共轴式测量荧光光谱, 发现此与仿真结果具有一致性趋势。
激光诱导荧光 乳化溢油 收发共轴 双向反射再辐射分布函数 Laser induced fluorescence Emulsified oil spill Coaxial transceiver Bidirectional reflectance and reradiation distribution function 
1 燕山大学信息科学与工程学院, 河北 秦皇岛 066000
2 燕山大学电气工程学院, 河北 秦皇岛 066000
3 河北环境工程学院信息工程系, 河北 秦皇岛 066000
随着海洋溢油问题的日益严重, 多种遥感技术被用于海面溢油监测, 其中激光诱导荧光(LIF)技术是目前被认为最有效的海面溢油探测技术之一。 Hoge等基于LIF技术提出了一种利用拉曼散射光评估薄油膜厚度的积分反演算法并广泛应用于海面溢油探测, 针对该算法存在误差较大的问题, 提出一种融合拉曼散射光和荧光信号评估海面溢油厚度的反演算法。 首先利用拉曼散射光信号反演油膜厚度, 然后利用该反演结果计算获取溢油油品的荧光特征光谱, 最后利用荧光信号反演油膜厚度。 文中推导了利用荧光信号反演油膜厚度的算法, 给出了油品荧光特征光谱的逼近算法, 并给出了利用荧光信号反演油膜厚度的误差分析。 通过实验对该方法进行了验证, 选用原油和柴油为实验油品, 以波长405 nm的激光作为激发光源, 采集波长范围为420~700 nm, 采集了海水的背景荧光和拉曼散射光信号、 实验油品2, 5, 10和20 μm等不同厚度油膜的光谱信号。 将采集数据分为训练集和测试集, 利用训练集数据采用梯度下降法获取油品的荧光特征光谱, 利用测试集数据分别采用积分拉曼法和该方法反演油膜厚度。 采用积分拉曼法, 原油不同厚度油膜反演结果的平均误差分别为12.6%, 4.6%, 4.4%和2.3%, 柴油不同厚度油膜反演结果的平均误差分别为14.0%, 7.0%, 4.2%和3.6%; 采用本文方法, 原油不同厚度油膜反演结果的平均误差分别为2.5%, 2.2%, 1.2%和1.1%, 柴油不同厚度油膜反演结果的平均误差分别为3.0%, 2.4%, 2.7%和1.6%。 实验结果表明, 2 μm油膜反演结果的误差降低最多, 原油和柴油2 μm油膜的反演结果误差分别由12.6%和14.0%降低为2.5%和3.0%, 其他厚度油膜反演结果的误差也有较大程度的降低, 油膜厚度反演结果的误差均小于3%, 采用本文算法可以有效提高油膜厚度反演结果的精度。
激光诱导荧光 荧光光谱 海面溢油 油膜厚度 梯度下降法 Laser induced fluorescence Fluorescence spectrum Oil spill on the sea surface Oil film thickness Gradient descent
1 上海海洋大学信息学院，上海 201306
2 自然资源部东海局，上海 200136
3 上海电力大学，上海 200090
海上溢油对海洋生态环境造成的危害巨大，完成溢油区域的准确检测对海洋异常现象的快速应急处理具有重要意义。现阶段，合成孔径雷达（SAR）为海上溢油检测提供重要数据基础，但广泛存在海上生物油膜、低风区及SAR影像本身显著的斑点噪声等溢油疑似区域，极大限制了海上溢油检测精度。针对上述问题，提出一种基于改进全卷积神经网络（FCN）的多极化SAR影像海上溢油智能检测框架。首先，对极化SAR影像进行Pauli分解和Refined-Lee滤波预处理，在保证SAR影像极化特征信息同时降低疑似溢油噪声对检测精度的影响；其次，针对FCN模型对空间信息考虑的不足，提出不同层级卷积层融合机制，实现高层语义特征与低层空间细节特征融合，进而提升海上溢油区域检测精度。经实验对比分析可知，基于改进FCN的海上溢油智能检测框架可有效降低疑似溢油区域对检测精度的影响，同时兼顾考虑多极化与边缘特征信息，实现基于像素的溢油区域检测，最优检测精度可达95.7%。
机器视觉 极化合成孔径雷达 溢油检测 降噪 极化融合 全卷积神经网络 激光与光电子学进展
2022, 59(4): 0415005
1 燕山大学信息科学与工程学院, 河北 秦皇岛 066004
2 燕山大学里仁学院, 河北 秦皇岛 066004
海面溢油在其风化迁移过程中, 会形成不同溢油乳化物, 对海洋环境造成极大危害。 科学量化溢油乳化物, 有助于溢油污染应急处理和灾损评估。 已有对溢油乳化物展开的研究由于缺乏系统的实验数据、 理化与光学参数, 尚不清楚不同类型油水乳化物的精细光谱响应特征与变化规律, 无法给出不同类型溢油乳化物光谱与海水表层油水比的数据关系。 通过轻质油乳化物的室内实验, 采用激光诱导荧光技术手段, 从不同类型, 不同表层油水比的溢油乳化物荧光光谱响应差异和变化规律入手, 以乳化柴油相关数据作建模样本, 乳化煤油相关数据作验证样本, 开展统计分析, 并分别设计了油包水、 水包油两种类型下的表层油水比估测模型。 数据处理过程中, 为了消除LIF系统本身对接收到的荧光信号强度的影响, 利用水的拉曼散射信号对乳化液的荧光信号进行归一化处理, 将两者的比值作为后续的分析数据。 具体数据研究表明: 油包水型乳化溢油的荧光峰值对数和表层含水率对数之间可建立非线性回归模型; 水包油型乳化溢油的荧光峰值和表层含水率之间也可建立非线性回归模型。 非线性拟合相关系数均在0.9以上, 即模型具有较高质量, 且模型中的实际系数依赖于不同油种, 不同的特征荧光峰。 由此可见, 不同乳化油种的不同特征荧光峰与表层油水比之间虽具有相同的变化趋势, 但变化的程度有所不同。 在此基础上, 采用参数查找表的方式, 建立了轻质油乳化物油水比的估测方法, 可根据荧光相对强度最后反演得到表层油水比。 该方法在一定程度上可对海面轻质油乳化物实现有效量化, 为将来海面溢油乳化物更加实时准确的定量分析提供理论基础和依据, 也为海面溢油污染应急处理提供技术参考, 因此具有重要研究意义和实用价值。
荧光光谱 乳化溢油 乳化物油水比 油包水 水包油 Fluorescence spectrum Emulsified oil spill Oil water ratio of the emulsion Water in oil Oil in water 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1852
1 中国科学院大学, 北京 100049
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
3 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094
利用三个测量波段(290,320,355 nm),进行了海水目标及溢油目标(原油、重油、柴油、汽油、棕榈油)反射特性的室外实验,获得了探测目标的上升辐射强度和溢油-海水对比度与太阳高度角和方位角的关系曲线。结果表明,当太阳高度角为40°~60°时,原油-海水对比度为14%~44%,重油-海水对比度为15%~35%,汽油-海水对比度为12%~26%,棕榈油-海水对比度为15%~47%,柴油-海水对比度为3%~12%。说明联合三个波段,可以在不同太阳高度角和方位角下实现对不同油的探测和识别,表明紫外波段在海面溢油的早期探测和识别方面具有突出优势。
海洋光学 溢油 紫外探测 太阳高度角 太阳方位角 海水-溢油对比度
