一种基于参数查找表的海洋溢油油膜厚度高光谱遥感估算方法

摘要

本发明涉及一种基于参数查找表的海洋溢油油膜厚度高光谱遥感估算方法，属于海洋环境监测的研究领域。其具体步骤为：通过设计模拟实验，获取标准油膜厚度连续变化高光谱数据并进行预处理；海洋溢油卫星遥感数据的获取与预处理；基于卫星传感器性能指标的标准油膜光谱重采样；光谱反射率归一化；油膜厚度光学计算模型；衰减系数参数查找表；卫星数据的反射率归一化与掩膜处理；卫星数据的最优波段及其相关参数查询建立；利用参数查找表及光学模型计算卫星数据中的油膜厚度。本发明与传统观测手段相比，野外工作量小，能量化溢油油膜的厚度，无需直接进入海洋溢油污染区就能计算溢油区油膜的厚度，能满足海洋溢油应急监测与评估的需求。

主权项

一种基于参数查找表的海洋溢油油膜厚度高光谱遥感估算方法，至少基于美国ASD公司生产的FieldSpec 3Hr便携式地物光谱仪1台、50瓦卤素灯2盏和25°视场的探测镜头1个等设备开展实验模拟，其特征在于包括以下步骤：(1)首先利用地物光谱仪，通过油膜厚度连续变化模拟实验，获取标准油膜厚度变化的光谱反射率数据，其中包含了油膜厚度指标、反射率大小和范围等参数，根据标准油膜厚度变化光谱，分析溢油油膜厚度估算的可用波段和油膜厚度的有效探测范围；海面溢油油膜厚度估计依靠对背景反射率的大小，考虑水体的光学辐射特性，选定油膜厚度参数表与计算模型的可用光谱区间为380nm‑760nm，油膜的最大探测厚度为54μm。(2)根据卫星传感器的性能指标与参数，进行模拟数据的光谱重采样；地物光谱仪所测量的可用光谱数据范围为380nm‑760nm，光谱分辨率为1nm；根据星载高光谱传感器的性能指标，可用探测范围为426.8nm‑762.6nm，光谱分辨率约为10nm，将实验模拟数据转换成星载传感器的模拟光谱数据。(3)模拟光谱数据的归一化处理，消除水色背景差异，得到归一化反射率值NR＝（Roil‑Rmin)/(Rseawater‑Rmin)，其中Roil为某一个波段油膜反射率值、Rmin为可探测最厚油膜该波段最小油膜反射率值、Rseawater为该波段海水背景反射率值，归一化反射率值的变化区间为0到1。(4)油膜厚度估算模型，根据Beer定律，光强随着穿透介质长度的增加而逐步的衰减，因此油膜厚度光谱反射率与油膜的厚度具有负指数变化的关系，根据这一理论基础，可以建立油膜厚度与油膜归一化反射率的关系为：NR＝e(‑a*d)，则根据步骤3中的归一化反射率公式，可以将该模型描述为：(Roil‑Rmin)/(Rseawater‑Rmin)＝e(‑a*d)，d为油膜厚度，Roil为所测量的标准油膜反射光谱，可以根据这些参数估算各波段衰减系数a。(5)海洋溢油高光谱卫星数据获取与处理，获取某次海洋溢油事故发生地的卫星高光谱影像数据，该数据经过大气校正、辐射校正等预处理后，得到卫星遥感反射率数据；对该数据进行取样分析，此过程为人工过程，需要均匀选择清洁海水样点、海洋溢油样点与海面其它目标样点，分析这些样点的光谱特征，可以发现反射率的大小排列为海水反射率＞溢油油膜反射率，对这些目标取平均，并结合影像统计，获取平均海水背景反射率值Rseawater、油膜最低反射率值等信息Rmin；根据海水背景的反射率大小，选择背景海水反射率最高值所在波段为最优监测波段。(6)对该影像反射率数据进行归一化处理，处理方法为NR＝(Roil‑Rmin)/(Rseawater‑Rmin)，考虑到卫星数据量较大，只需要一个波段进行计算即可，因此选取其中一个最佳波段进行影像数据反射率归一化处理，其中Roil为该波段油膜反射率值、Rmin为最小油膜反射率值、Rseawater为该波段海水背景反射率值，这些数据可采用图像统计的方法获得，计算得到该波段的归一化 反射率影像。(7)溢油区掩膜处理与油膜厚度计算，经过归一化处理后的反射率影像，其归一化值的范围为从0到D，其中D＞1，因此先对归一化反射率影像中归一化反射率值小于1的区域做掩膜处理，保留溢油区信息，利用D＝(‑1/a548.9)*LN(NR548.9)公式计算溢油区油膜厚度，其中NR548.9为掩膜处理后的卫星影像数据548.9nm波段的归一化反射率，a548.9为步骤3中计算得到的548.9nm波段衰减系数，可以计算得到该次溢油事故中溢油油膜厚度及其分布情况。