一种海面不同厚度原油油膜高光谱探测通道选择方法
【专利摘要】本发明公开了一种海面不同厚度原油油膜高光谱探测通道选择方法，包括以下步骤：获取实测海水及不同厚度原油油膜的光谱反射率数据；对Hyperion数据进行预处理；对实测光谱数据光谱进行滤波；对Hyperion数据环境噪声进行等效反射比计算；对模拟Hyperion通道数据进行归一化。本发明对海上原油油膜的光谱反射率数据进行采集，并通过计算Hyperion传感器数据的光谱响应函数和环境噪声等效反射率，对实测光谱数据进行滤波与归一化，进行Hyperion传感器进行海面不同厚度原油油膜探测通道选择。本发明既考虑了实测光谱差异，又考虑了遥感图像获取时的环境噪声影响，因此更加接近实际情况，通道选择更加准确。
【专利说明】一种海面不同厚度原油油膜高光谱探测通道选择方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及海洋环境监测【技术领域】，尤其涉及一种海面不同厚度原油油膜高光谱 探测通道选择方法。
【背景技术】
[0002] 海上溢油是海洋污染的主要形式之一，溢油发生后，其位置、种类、面积和相对厚 度等相关信息是公众和媒体十分关注的。在应用遥感进行溢油检测方面，国内外对多光谱、 热红外、雷达等均有广泛的研究与应用，但由于海洋环境复杂、海面大气影响，水体对电磁 波的散射与吸收作用，海面油膜遥感信息较弱，导致海面油膜信息提取时存在"同物异谱， 同谱异物"的现象。随着高光谱遥感技术的出现和发展，针对海面油膜信息的高光谱遥感探 测技术研究也得到不断发展，该技术可获取地物目标近乎连续的反射光谱，从而根据光谱 特征差异来区分海水与溢油目标。
[0003] 高光谱遥感数据在进行油膜和水体探测时，同时受到传感器系统噪声和数据获取 时大气的影响（系统噪声与大气影响合称环境噪声），因此水体与油膜在遥感图像上的可 区分性不仅考虑实测光谱差异，还应考虑环境噪声的影响。但当前利用实测光谱选择有利 波段和传感器时，假设观测过程中的环境噪声可以忽略，仅分析了水体和油膜实测光谱差 异，从而导致油膜探测通道选择结果不准确。
【发明内容】
[0004] 为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可提高探测通道选择准确度 的海面不同厚度原油油膜高光谱探测通道选择方法。
[0005] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种海面不同厚度原油油膜高光谱 探测通道选择方法，包括以下步骤：
[0006] A.获取实测海水及不同厚度原油油膜的光谱反射率数据
[0007] 不同厚度原油油膜的光谱反射率数据测量时间选择在天气晴朗无云、风速较小的 11:00?12:30进行，为了减少外界反射太阳光对结果造成干扰，测量人员着深色服装。光 谱测量设备为ASD FieldSpec?3地物光谱仪，光谱范围为350?2500nm。数据采集前， ASD FieldSpec?3地物光谱仪自动进行暗电流校正；在测量海水和油膜前分别测量参考板 的反射率光谱数据，参考板采用与ASD FieldSpec?3配套的漫反射标准参考板；测量时探 头距参考板、水面和油膜20-50cm且垂直向下，视场角3° -25° ;测量过程中每隔3?5分 钟测量一下参考板的反射率光谱数据；对同一测量目标重复测量10次，剔除离群数据后， 计算每组数据的平均值，得到海水、油膜的光谱反射率数据R m。
[0008] Β·对Hyperion数据进行预处理
[0009] Hyperion是地球观测一号星E0-1上搭载的推扫式高光谱成像光谱仪，其光谱范 围为356-2577nm，共有242个波段，光谱分辨率约为10nm。经过辐射定标处理的波段数 为198个，其中VNIR56、57波段与SWIR77、78波段重叠，实际可用波段为196个。考虑到 水体在大于lOOOnm后对光的强吸收作用，选择波长小于lOOOnm的Hyperion波段进行分 析。Hyperion数据在成像过程中受到大气中水汽和臭氧的影响，为了消除大气的影响，将 Hyperion原始数据转换为地球表面的反射率数据，需要进行大气校正。大气校正使用的工 具是软件ENVI4. 5的FLAASH模块，使用该软件可同时获取Hyper ion数据的光谱响应函数。 [0010] C.对实测光谱数据光谱进行滤波
[0011] 利用步骤B获取的Hyperion数据的光谱响应函数作为滤波器，对步骤A获取的实 测海水和不同厚度油膜的光谱反射率数据Γ进行滤波。即按照Hyperion传感器的中心波 长和波段数设置，对实测光谱数据进行滤波，得到模拟Hyperion通道数据矿。
[0012] D.对Hyperion数据环境噪声进行等效反射比计算
[0013] 对传感器-大气-目标系统噪声的准确估计，能够提高环境信息提取的准确性， 为评估遥感系统提取环境变量的准确性和精确性，需要对遥感图像的环境噪声等效反射比 NEARe进行计算。
[0014] ΝΕ Δ RE = σ (R)
[0015] 〇 (R)是Hyperion数据上一个覆盖内部尽量均匀、光学深度很大水域的窗口内各 波段反射率标准差，通过调整窗口大小，使σ (R)达到收敛。采用Wettle等人提出的自动 局部收敛定位算法进行窗口位置选择。
[0016] E.对模拟Hyperion通道数据进行归一化
[0017] 将步骤C得到的模拟Hyperion通道数据矿归一化至步骤D得到的ΝΕ Λ RE光谱， 得到归一化后光谱S。
[0018] S = Rr/NE Δ RE
[0019] F.对Hyperion数据油膜厚度进行敏感性评价与通道选择
[0020] 步骤E的归一化光谱S揭示了 Hyperion数据在区分油膜厚度方面的理论极限 值。以ΝΕ Λ RE为单位进行度量，若两个地物在某波长位置的ΝΕ Λ RE差值绝对值大于1，则 在Hyperion传感器所获取的图像数据上，二者在该波长范围内能够有比较明显的区别，即 传感器在该波长位置所获取的数据能够区别这两个地物。即，将包含该波长位置的通道选 为进行不同厚度油膜探测的通道。
[0021] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0022] 本发明对海上原油油膜的光谱反射率数据进行采集，并通过计算Hyperion传感 器数据的光谱响应函数和环境噪声等效反射率，对实测光谱数据进行滤波与归一化，进行 Hyperion传感器进行海面不同厚度原油油膜探测通道选择，相比已有通道选择方法，该方 法既考虑了实测光谱差异，又考虑了遥感图像获取时的环境噪声影响，因此更加接近实际 情况，通道选择更加准确。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 本发明共有附图4张，其中：
[0024] 图1为本发明的流程图；
[0025] 图2为本发明的不同厚度原油油膜实测光谱反射率曲线；
[0026] 图3为本发明的不同厚度原油油膜实测光谱反射率经Hyperion数据光谱响应函 数滤波后曲线；
[0027] 图4为本发明的不同厚度原油油膜实测光谱反射率经Hyperion环境噪声等效反 射率归一化后曲线。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图对本发明作进一步说明。如图1所示，本发明首先获取不同厚度 原油油膜的实测光谱反射率数据；然后对Hyperion传感器数据进行参数提取，即获取 Hperion光谱响应函数；利用获取的Hyperion光谱响应函数对实测光谱反射率数据进行光 谱滤波；通过计算获得Hyperion传感器图像数据的环境噪声等效反射率ΝΕ Λ RE ;利用获得 的NE △ ^对滤波后的实测光谱反射率数据进行归一化操作；通过分析不同厚度原油油膜的 滤波后光谱曲线，获得Hyperion数据对不同厚度油膜的敏感性，选择利于不同厚度原油油 膜探测的通道。
[0029] 如图 2 所示，获取厚度为 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谱反射率数据。
[0030] 如图3所示，利用Hyperion传感器的光谱响应函数对图2中油膜及海水的光谱反 射率数据进行滤波，得到滤波后的不同厚度油膜及海水的光谱反射率曲线。
[0031] 由图4所示，利用ΝΕ Λ RE对图3中数据进行归一化后得到归一化的不同厚度油 膜和海水光谱反射率曲线。通过分析发现，10 μ m和50 μ m油膜和海水的ΝΕ Λ RE差异在 427-875nm间均超过1，即在此波段范围内Hyperion数据能够区分薄油膜和海水的差异，从 而识别海上薄油膜；在498-579nm和620-854nm范围内，1500 μ m和2000 μ m油膜和海水的 ΝΕ Λ RE的差异也均超过1，因此在该波长范围内利用Hyperion数据进行厚油膜的识别更加 有效。对于300 μ m和1000 μ m的油膜，在427-590nm范围内与海水的ΝΕ Λ RE的差异并不是 很大，并且在610- 885nm范围内与海水的ΝΕ Λ RE差异均大于1。理论上通过Hyperion传 感器能够比较好的识别海上原油油膜，薄油膜和厚油膜的ΝΕ Λ RE差异主要体现在508nm- 610nm范围内，并且能够区分薄油膜和厚油膜。
[0032] 由波长所对应Hyperion传感器通道可知，对于较10 μ m和50 μ m油膜，Hyperion 传感器的第8波段至第52波段能够有效的识别；对300 μ m和1000 μ m的油膜，Hyperion 传感器的探测通道为第26-53波段；对于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波段数据探测性能较好。
[0033] 以上所述，仅为本发明的最佳实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何 熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明 构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种海面不同厚度原油油膜高光谱探测通道选择方法，其特征在于：包括以下步 骤： A.获取实测海水及不同厚度原油油膜的光谱反射率数据 不同厚度原油油膜的光谱反射率数据测量时间选择在天气晴朗无云、风速较小的 11:00?12:30进行，为了减少外界反射太阳光对结果造成干扰，测量人员着深色服装；光 谱测量设备为ASD FieldSpec?3地物光谱仪，光谱范围为350?2500nm ;数据采集前， ASD FieldSpec?3地物光谱仪自动进行暗电流校正；在测量海水和油膜前分别测量参考板 的反射率光谱数据，参考板采用与ASD FieldSpec?3配套的漫反射标准参考板；测量时探 头距参考板、水面和油膜20-50cm且垂直向下，视场角3° -25° ;测量过程中每隔3?5分 钟测量一下参考板的反射率光谱数据；对同一测量目标重复测量10次，剔除离群数据后， 计算每组数据的平均值，得到海水、油膜的光谱反射率数据R m; Β·对Hyperion数据进行预处理 Hyperion是地球观测一号星E0-1上搭载的推扫式高光谱成像光谱仪，其光谱范围 为356-2577nm，共有242个波段，光谱分辨率约为10nm ;经过辐射定标处理的波段数为 198个，其中VNIR56、57波段与SWIR77、78波段重叠，实际可用波段为196个；考虑到水 体在大于l〇〇〇nm后对光的强吸收作用，选择波长小于lOOOnm的Hyperion波段进行分 析；Hyperion数据在成像过程中受到大气中水汽和臭氧的影响，为了消除大气的影响，将 Hyperion原始数据转换为地球表面的反射率数据，需要进行大气校正；大气校正使用的工 具是软件ENVI4. 5的FLAASH模块，使用该软件同时获取Hyperion数据的光谱响应函数； C. 对实测光谱数据光谱进行滤波 利用步骤B获取的Hyperion数据的光谱响应函数作为滤波器，对步骤A获取的实测海 水和不同厚度油膜的光谱反射率数据Γ进行滤波；即按照Hyperion传感器的中心波长和 波段数设置，对实测光谱数据进行滤波，得到模拟Hyperion通道数据矿； D. 对Hyperion数据环境噪声进行等效反射比计算 对传感器-大气-目标系统噪声的准确估计，能够提高环境信息提取的准确性，为评估 遥感系统提取环境变量的准确性和精确性，需要对遥感图像的环境噪声等效反射比ΝΕ Λ Re 进行计算； ΝΕ Δ RE = σ (R) 〇 (R)是Hyperion数据上一个覆盖内部尽量均匀、光学深度很大水域的窗口内各波段 反射率标准差，通过调整窗口大小，使〇 (R)达到收敛；采用Wettle等人提出的自动局部收 敛定位算法进行窗口位置选择； E. 对模拟Hyperion通道数据进行归一化 将步骤C得到的模拟Hyperion通道数据F归一化至步骤D得到的ΝΕ Λ RE光谱，得到 归一化后光谱S ; S = Rr/NE Δ Re F. 对Hyperion数据油膜厚度进行敏感性评价与通道选择 步骤E的归一化光谱S揭示了 Hyperion数据在区分油膜厚度方面的理论极限值； 以ΝΕ Λ RE为单位进行度量，若两个地物在某波长位置的ΝΕ Λ RE差值绝对值大于1，则在 Hyperion传感器所获取的图像数据上，二者在该波长范围内能够有比较明显的区别，即传 感器在该波长位置所获取的数据能够区别这两个地物；即，将包含该波长位置的通道选为 进行不同厚度油膜探测的通道。
【文档编号】G01N21/55GK104122233SQ201410366554
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】刘丙新, 李颖, 张至达 申请人:大连海事大学