收稿日期: 2008-03-10; 修订日期: 2008-09-30基金项目:中国石油天然气股份有限公司科技预研项目“海域遥感油气勘探技术研究”(编号: 06-01C-01-08)和国家科技支撑计划(编号:2006BAK30B01)。
第一作者简介: 陆应诚(1979— ), 男, 南京大学博士研究生, 主要从事高光谱遥感应用研究。
E-mail: lycheng2003@ 。
海面油膜高光谱遥感信息提取陆应诚, 田庆久, 宋鹏飞, 李姗姗南京大学 国际地球系统科学研究所, 江苏 南京 210093摘 要: 针对辽东湾海域的Hyperion 高光谱遥感数据特点, 结合海面油膜光谱与Hyperion 影像特征, 对该数据进行水陆分离与最小噪声分离(minimum noise fraction, MNF)变换处理, 在辽东湾海域MNF 波段影像的2D 散点图中, 海面油膜的出现会在其边缘形成一个异常散点区域, 可区分油膜与干扰信息,结合提取的海面油膜端元的MNF 波谱, 通过混合调制匹配滤波(mixture tuned matched filtering, MTMF)技术, 成功地提取研究区海面油膜信息, 有效监测海面油膜信息, 为海洋环境监测提供新的技术手段。
关键词: 油膜, 高光谱, 遥感, Hyperion, 辽东湾 中图分类号: X55 文献标识码: A1 引 言在海洋石油的遥感监测与评估中, 海面油膜是遥感探测的一个重要对象, 多光谱、热红外、雷达等诸多遥感领域均对此有一定研究(Gonzalez 等, 2006; Fingas & Brown, 1997; Labelle & Danenberger, 1997; O’Briena 等, 2005), 由于海洋背景复杂, 海面大气影响、水体对电磁波的散射与吸收作用, 海面油膜遥感信息表现为弱信息；又由于海面油膜随来源、构成种类、油膜厚度、风化程度的不同表现为不确定的遥感影像特征；这些因素对海面油膜遥感信息提取存在一定的制约。
随着高光谱遥感技术的发展(童庆禧, 2003), 针对海面油膜信息的高光谱遥感探测方法技术不断得到发展(Foudan, 2003)。
Palme(1994)利用小型机载成像光谱仪(CASI)数据研究1993年Shetlands 群岛溢油事件中产生的油膜和其他油污信息, 指出440—900 nm 是可以用来进行溢油油膜信息提取的有效谱段；Foudan(2003)利用机载AVRIS 高光谱数据对Santa Barbara 海岸带的油污与海面油膜进行研究, 表明分散的石油在580nm 、700nm 具有反射峰, 厚油膜在近红外波段反射率要高于薄油膜, 600—900nm 具有最大的油膜遥感探测的可能性。
比较分析混合光谱分解技术(spectral unmixing)、纯净像元指数(pixel purity index, PPI)、光谱角度制图法(spectral angle mapper, SAM)、混合调制匹配滤波(mixture tuned matched filtering, MTMF)技术等方法在海面油膜信息提取上的特点。
近年来, 国内学者也不断开展海面油膜遥感研究, 赵冬至等(2000)总结了柴油、润滑油和原油等3种油膜随厚度变化的光谱特征, 指出736nm 和774nm 对不同的油类具有相同的吸收特征；张永宁等(1999, 2000)测试了几种类型油的海面波谱, 认为在海洋溢油波谱特征中0.5—0.58μm 是不同油膜最高反射率的所在位置, 并利用A VHRR 和TM 数据识别海洋溢油；陆应诚(2008, 2009)的海面油膜实验表明随油膜厚度不同, 油膜光谱特征与响应原理表现不同。
本文以辽东湾双台子河口外海域为研究区, 结合海面油膜光谱特点与海面油膜Hyperion 遥感影像特征, 通过高光谱遥感MTMF 技术方法, 提取研究区海面油膜信息。
2 Hyperion 数据预处理研究区在辽东湾双台子河口外海域, 该区是中国重要原油生产基地——辽河油田所在地, 近年来, 辽东湾海域油田的开采与运输为海洋环境带来一定的影响。
2007-05-06获取了研究区的一景美国EO-1卫星上的Hyperion高光谱遥感数据(图1), 对该图像进行了预处理, 包括大气校正与地表反射率的转换。
Hyperion光谱连续覆盖范围为356—2577nm, 共有242个波段, 光谱分辨率约为10nm, 1—70波段为VNIR波段, 光谱范围356—1058nm；71—242波段为SWIR波段, 光谱范围852—2577nm。
空间分辨率为30 m, 扫描幅宽为7.5 km×180 km。
经过辐射定标处理波段198个, 分别为VNIR8—57, SWIR77—224, 其中VNIR56、57波段与SWIR77、78波段重叠, 实际的可用波段有176个(谭炳香等, 2005; Beck, 2003)。
图1 研究区数据覆盖范围(图像为Hyperion数据548.9nm、650.6nm、864.3nm假彩色合成影像)3 研究方法在海洋油膜高光谱遥感中, 彩色合成、密度分割、比值等方法往往不能有效消除复杂环境背景下的影响因素；缺乏海面油膜种类、状态等辅助知识, 使基于光谱吸收或反射特征的高光谱遥感信息提取方法操作难度也较大；海面油膜与水体以混合像元的存在形式, 又使基于高光谱遥感的纯像元技术或混合光谱分解技术受到一定限制。
基于以上分析, 本研究结合混合调制匹配滤波(MTMF)技术进行高光谱海面油膜信息提取方法研究, 寻找一种即避免受到以上各种制约因素影响又能充分发挥高光谱遥感探测优势的技术方法, 研究方法和技术流程如图2。
首先对Hyperion数据做预处理, 并进行大气校正, 生成176个波段的地表反射率影像；其次通过690nm 和740nm的斜率计算值进行水陆分离, 对海水反射率影像进行最小噪声分离(minimum noise fraction, MNF)处理；选择合适的MNF波段进行2D散点图分析并提取海面油膜端元的MNF波谱, 利用此波谱对MNF1—5波段进行混合调制匹配滤波(MTMF)；最后对混合调制匹配滤波的最佳匹配影像(MF score image)与不可行性影像(infeasibility image)进行阈值分割, 获取海面油膜信息。
图2 基于MTMF的海面油膜信息提取方法4 水陆分离与MNF 变换近海陆地背景复杂, 先对影像进行水陆分离将有助于其后的MNF 变换, 有利于油膜信息的集中与冗余信息的剔除。
根据水体的光谱特点(赵英时等, 2003), 采用了斜率法来分离水陆信息, 通过公式(1)计算Hyperion 影像反射率数据, 如某像元处的S >0, 则该像元所属地物类型为水体, 如果S ≤0, 则属于其他地物类型。
当0<S <3时, 计算的值多为陆地小水体, 因为陆地小水体的叶绿素与悬浮物质含量较高, 此外陆地水体更容易受到水底的影响, 因此在740nm 处的反射率高于海水的反射率, S 值多集中在0—3之间；S >3时, 为海水与入海河流水体。
通过阈值分割S >3时, 建立掩膜进行高光谱Hyperion 数据的水陆分离。
690740740690R R S −=− (1) 高光谱Hyperion 数据中海洋油膜信息是一种微弱信息, 通过对水陆分离后的海水反射率影像进行MNF 变换, 隔离高光谱数据中的噪声, 确定海水影像数据的内在维数。
MNF 变换本质上含有2次叠置处理的主成分变换, 其结果中特征值与相对应的特征影像相关, Hyperion 影像中海洋油膜信息通过MNF 变换得到集中, 并且与影像噪声得以区分, 研究区Hyperion 海水反射率数据的MNF1—5波段为有效的信息波段, MNF6及其后续波段噪声较大。
5 海面油膜端元MNF 波谱提取与混合调制匹配滤波选择海面油膜信息差异较大的MNF 1和MNF 5波段, 通过2D 散点图分析, 识别海面油膜并进行海面油膜的MNF 端元波谱信息提取(图3)。
在理想水体、陆地、植被丰富区域会形成类似三角形的散点图；而全水域的MNF 散点图是边缘相对“光滑”的形状, 由于海面油膜的出现, 导致其散点图右上角出现一个三角形突起部分, 2D 散点图中红色点区域为海面油膜异常散点信息, 此外MNF 变换有效的区 分了船航行影响水体与油膜信息, 图3(a), (b)中绿色图3 海面油膜端元MNF 波谱提取(a) 红色为海面油膜信息、绿色为船航迹水体; (b) 海面油膜信息的MNF 2D 散点图选取; (c) 海面油膜与典型区域MNF 端元波谱图4 混合调制匹配滤波结果影像图5 Hyperion影像海面油膜信息提取结果点为船航迹水体。
将2D散点图中提取的海面油膜端元MNF波段值进行平均, 获取海面油膜端元MNF 平均波谱(图3(c))。
利用提取出来的海面油膜MNF 端元波谱, 对MNF 1—5波段进行混合调制匹配滤波(MTMF), 结果为2幅影像, 一幅为MF Score图像, 即为最佳匹配度图像, 其最大值表明为最佳匹配；另一幅为Infeasibility图像, 即不可行性图像, 其值越大则表明为复合背景同目标地物之间的混合越不可靠(图4)。
在最佳匹配图像中, 不仅识别出海面油膜, 也将双台子河口高悬浮物水体与复州湾附近高悬浮物水体以及船的航迹影响水体列为最佳匹配；在不可行性图像中, 成功的将以上几种影响因素识别出来, 列为不可靠信息。
通过多次试验确定MF Score Image Value>0.8, 并且Infeasibility Image Value <2.5时, 能较好的将海面溢油油膜信息提取出来(图5)。
在本研究最终提取的油膜信息中, Hy-perion数据研究区中较为明显的海面油膜主要有3处, 图5的(a), (b), (c)影像。
6 结论基于卫星高光谱遥感Hyperion数据, 结合海面油膜的光谱形态特征, 通过MNF变换技术和MTMF 技术, 可有效提取海面油膜信息, 为海洋油膜遥感监测提供了新的技术方法途径。
本研究方法具备以下优势和特点：(1) 可通过高光谱遥感超多波段的遴选与组合对油膜目标进行有效识别和提取；(2) 可不依赖于高光谱遥感纯像元技术方法；(3) 可消弱近海复杂的海水环境因素(如泥沙、航迹、太阳耀斑等)影响。
REFERENCESBeck R. 2003. EO-1 User Guide v.2.3. < & >(2006-11-12)Fingas M F and Brown C E. 1997. Review of oil spill remote sens-ing. Spill Science & Technology Bulletin, 4(4): 199—208 Foudan M F S.2003. Hyperspectral Remote Sensing: A New Ap-proach for Oil Spill Detection and Analysis. USA: George Mason UniversityGonzalez M, Uriarte A, Pozo R and Collins M. 2006. The prestige crisis: operational oceanography applied to oil recovery, by the Basque fishing fleet. Marine Pollution Bulletin, 53: 369—374 Labelle R and Danenberger E P. 1997. Oil-spill research program of the US minerals management service. Spill Science & Tech-nology Bulletin, 4(2): 107—111Lu Y C, Tian Q J, Qi X P, Wang J J and Wang X C. The spectral response analysis of offshore thin oil slicks. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2009, 29(4): 986—989Lu Y C, Tian Q J, Wang J J, Wang X C and Qi X P. 2008. Study on spectral responses of offshore oil slicks experiment. Chinese Science Bulletin, 53(9): 1085—1088O’Briena G W, Lawrenceb G M, Williamsc A K, Glenn K, BarrettA.G, Lech M, Edwards D S, Cowley R, Boreham C J andSummons R E. 2005. Yampi Shelf, Browse Basin, North-West Shelf, Australia: a test-bed for constraining hydrocarbon mi-gration and seepage rates using combinations of 2D and 3D seismic data and multiple, independent remote sensing tech-nologies. Marine and Petroleum Geology, 22: 517—549 Palmer D, Boasted G A and Boxall S R. 1994. Airborne multi spectral remote sensing of the January 1993 shetlands oil spill.In Proceedings of the Second Thematic Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments: Needs, Solu-tions and ApplicationsTan B X, Li Z Y, Chen E X and Pang Y. 2005. Preprocessing of EO-1 hyperion hyperspectral data. Remote Sensing Informa-tion, (6): 36—41Tong Q X. 2003. The present status and future of hyperspectral remote sensing. Journal of Remote Sensing, 7(Suppl): 1—12 Zhang Y N, Ding Q and Li Q J. 1999. A study on monitoring of oil spill at sea by satellite remote sensing. Journal of Dalian Mar-tine University, 25(3): 1—5Zhang Y N, Ding Q, Gao C and Duan Y Y. 2000. Analysis of oil film spectrum and monitoring oil spilled by remote sensing.Marine Environmental Science, 19(3): 5—10 Zhao D Z and Cong P F. 2000. The research of visual light wave-band feature spectrum, remote sensing. Technology and Application, 15(3): 160—164Zhao Y S et al. 2003. Theory and Method of Remote Sensing Ap-plication and Analysis. Beijing: Science Press附中文参考文献陆应诚, 田庆久, 齐小平, 王晶晶, 王向成. 海面甚薄油膜光谱响应研究与分析. 光谱学与光谱分析, 2009, 29(4): 986—989 陆应诚, 田庆久, 王晶晶, 王向成, 齐小平. 2008. 海面油膜光谱响应实验研究. 科学通报, 53(9): 1085—1088谭炳香, 李增元, 陈尔学, 庞勇. 2005. EO-1 Hyperion高光谱数据的预处理. 遥感信息, (6): 36—41童庆禧. 2003. 高光谱遥感的现在与未来, 遥感学报, 7(增刊): 1—12张永宁, 丁倩, 李栖筠. 1999. 海上溢油污染遥感监测的研究.大连海事大学学报, 25(3): 1—5张永宁, 丁倩, 高超, 段岩燕. 2000. 油膜波谱特征分析与遥感监测溢油. 海洋环境科学, 19(3): 5—10赵冬至, 丛丕福. 2000. 海面溢油的可见光波段地物光谱特征研究. 遥感技术与应用, 15(3): 160—164赵英时等. 2003. 遥感应用分析原理与方法. 北京: 科学出版社。