刘东东　侯云海　荆云波

摘 要：海面溢油的种类识别是当前备受关注的课题，其主要任务为监测是否有石油类污染物溢出，监测数据对溢油灾害的防治有着深远的意义。围绕海面溢油监测，综述了目前主流机载海面溢油监测方法，包括激光荧光法、高光谱技术、微波辐射遥感、红外/紫外吸收光谱法，并在此基础上展望了海面溢油监测未来的发展趋势。

关键词：航空遥感；海面溢油；监测方法；激光荧光法

中图分类号：X55；X87 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.082

海面溢油是海洋众多污染物质之中最为常见的一种，影响也最为巨大。溢油漂浮在海面上，大大影响了海水中浮游植物的光合作用，降低了海洋的生产能力。航空遥感在海面溢油监测方面具有灵活机动、时效性强等优点，尤其对于油膜在海风作用下随机扩散的情况，可及时发现溢油事故。

1 典型监测方法

1.1 激光荧光法

石油类污染物分子在吸收了诸如紫外波段电磁辐射后，会发生紫外光激发荧光现象。不同类别油类分子多环芳香烃有所差异，会导致激发荧光所需的电磁波波段、激发出的荧光信号皆不相同。激光荧光方法精度高、监测周期短，是仅有的2种可以区分海面浮游植物和油膜的方法之一。现有激光荧光法检测油污主要以紫外波段为主，辅助以可见光波段。为了实现监测数据与光谱数据库数据的分析对比，需对原始的光谱数据作定标处理。常用的油膜荧光光谱分类方法有智能分析法和比值法、BP神经网络法。

在紫外光作用下，油膜的存在对拉曼散射的影响可反演出薄油膜的厚度。实验条件下可测得厚度为0.05～5 μm的薄油膜。油膜扩散的不确定性对油膜厚度测量的影响研究较少，受传感器参数、激光光源差异等因素影响，厚度测量实际普遍适用性有待改进。

1.2 高光谱技术

与传统的遥感技术相比，高光谱技术具有高准确率、快速性等特点。通过高光谱技术获得的油膜光谱数据辨别率可达到纳米级别，涉及紫外、可见光、近红外、红外多个波段。但数据冗余性高，不同波段之间有较高的相关性。原始高光谱数据需经过校正、滤波处理，之后将光谱的灰度值通过经验线性法转换为油膜的反射率，最后再与典型光谱分类匹配，从而得出海面溢油种类、溢油量等信息。其中，典型光谱可以参考光谱数据库。

光谱匹配方法中的直接匹配用预处理后数据与典型光谱对比，间接匹配先对光谱编码或变换后与典型光谱对比。整体匹配无法对特征波段处的微小差异进行区分。局部光谱匹配对光谱的细微差异比较敏感，但容易受光谱的信噪比的影响。基于尺度空间理论的光谱特征匹配能够在不同的尺度层次下对光谱曲线特征进行观察。此外，还保留了曲线原有的反射、吸收特性。

1.3 微波辐射遥感

油膜和海水辐射系数差异较大，油膜辐射信号会随着厚度变化而周期性变化。微波辐射法是以空气、油膜和海水3层介质亮温模型为基础，在观测角度、介电常数固定情况下，油膜厚度最大值和发射波长、频率分别成正比和成反比。低频波段对厚油膜较为敏感，高频波段对薄油膜较为敏感，多个频率段综合使用可提高油膜厚度的分辨率。依据油膜亮温受影响的参数类型不同，常用方法有辐射亮温增量比照法和光谱法。非天顶角观测时，辐射亮温和光谱系数具有明显的极化特征，只需要有油膜和水面水平极化、垂直极化的反射系数，就可利用极化信息对比测出油膜厚度，且可在天气条件较差条件下使用。根据不同油膜厚度的光谱特征曲线，使用光谱法配合模式识别可监测出溢油油膜的厚度，但油品的归类和厚度识别能力相比极化信息法较弱。

微波由于波长较长，受天气影响相对较小，应用潜力较大，采用多频段的辐射计能做到精确测量油膜厚度。此外，研究发现，应用微波辐射计两个偏振方向、测量偏振对比强度，也可完成溢油油膜厚度的测量，但这方面的研究较少。

1.4 红外/紫外吸收光谱技术

红外光谱法按照波段的不同可分为近红外、中红外、远红外和衰减全反射红外光谱法，属于分子吸收光谱类别。根据海水和不同石油类污染物在所在波段内选择性的吸收电磁辐射原理来对油污进行定性分析。油污分子在红外光的条件下会发生能级跃迁，所含不同化合物的化学键对红外光的吸收会产生强度、位置、轮廓差异，每种油污只会产生与其振动频率一致的红外光光谱，表现在光谱上就是每种油污光谱的峰值大小、峰值宽度、吸收强度彼此不同。

中红外光谱法应用最早但测量精度相对较低，一般与其他数字分析方法结合使用。近红外光谱法可区分未风化和风化的相似的油污光谱，可靠性较高、速度快，监测方便。红外光谱法难以区分油膜的厚或薄，可结合紫外光分析，紫外波段下很薄的油层（小于1 μm）也有较高的辐射度。此外，海水和不同厚度、不同类别的油污光谱特征差异明显。对溢油同时进行红外、紫外的扫描和数据复合分析，就可以得到油膜的相对厚度。

海面溢油监测多种方法的优缺点如表1所示。

2 总结

随着光谱分析、图像处理技术以及无人飞行器的发展，溢油监测技术正渐渐呈现如下发展趋势：①星载遥感监测与航空监测结合使用；②增加每次监测所使用的传感器类型，以提高监测的精准度；③内河流域、近海区域溢油监测、治理系统加强合作，多部门协同作业。近海污染物监测对沿海居民的生产生活、近海经济发展影响深远。及时掌握溢油种类、面积、发展动态，对最大限度地减少溢油污染的影响尤为重要。

参考文献

[1]胡亚球，夏玮.对检察机关环境保护监督机制的反思与完善[J].扬州大学学报，2013，17（3）：15.

[2]陈澎.机载激光荧光海上溢油信息提取与反演研究[D].大连：大连海事大学，2012.

[3]刘建贵，吴长山.PHI成像光谱图像反射率转换[J].遥感学报，1999，3（11）：290-291.

[4]欧祥荣.空间微波遥感技术的发展[J].空间电子技术，2015，3（2）：4.

[5]闫文哲.电磁场面散射和体散射研究及其应用[D].杭州：浙江大学，2009.

〔编辑：刘晓芳〕