海上溢油SAR遙感監(jiān)測(cè)及溢油漂移快速數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)研究.pdf

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1、第34卷第1期海洋科學(xué)進(jìn)展V01．34No．12016年1月ADVANCESINMARINESCIENCEJarluary，Z0t6海上溢油SAR遙感監(jiān)測(cè)及溢油漂移快速數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)研究宋莎莎1’2?，趙宇鵬2?，安偉2“，靳衛(wèi)衛(wèi)2?，李建偉2’3(1．中國海洋大學(xué)，山東青島266003；2．中海石油環(huán)保服務(wù)有限公司，天津塘沽3004523．海洋石油安全環(huán)保技術(shù)研發(fā)中心，山東青島266061摘要：為探討海上溢油遙感監(jiān)測(cè)與溢油漂移數(shù)值模擬技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，采用凝聚層次聚類算法從SAR遙感影像中識(shí)別油膜，采用基于風(fēng)、浪、流耦合三

2、維水動(dòng)力模型研發(fā)的中國近海溢油漂移快速預(yù)報(bào)模型，將遙感識(shí)別結(jié)果作為溢油漂移數(shù)值預(yù)報(bào)模式的初始輸入，預(yù)測(cè)油膜的漂移，然后將溢油漂移預(yù)測(cè)油膜與下一時(shí)相SAR遙感識(shí)別油膜進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)二者吻合較好，表明SAR遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，可優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，同時(shí)獲取海面油膜位置、面積和動(dòng)態(tài)漂移信息。關(guān)鍵詞：溢油；SAR；遙感監(jiān)測(cè)；數(shù)值預(yù)報(bào)中圖分類號(hào)：X55；TP752文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16716647(2016)01—0138一09doi：10．3969／i．issn．1671-6647．2016，01．014海上溢油應(yīng)急

3、管理和事故處置重在預(yù)防和早期預(yù)警。通過遙感監(jiān)測(cè)和數(shù)值預(yù)測(cè)技術(shù)，盡早發(fā)現(xiàn)溢油并做出污染預(yù)警，可以有效提高應(yīng)急處置效率，降低環(huán)境污染損害。通過近幾年的發(fā)展，建立了海上溢油衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和溢油預(yù)測(cè)系統(tǒng)，在海上溢油應(yīng)急中發(fā)揮了重要作用。SAR(合成孔徑雷達(dá))遙感技術(shù)具有大范圍海域同步監(jiān)測(cè)、全天時(shí)全天候監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，獲取的油膜信息可為現(xiàn)場(chǎng)飛機(jī)船舶勘查提供指導(dǎo)，并相互配合確認(rèn)溢油狀態(tài)；但是SAR遙感監(jiān)測(cè)受衛(wèi)星重訪周期的限制，溢油監(jiān)測(cè)時(shí)效性無法保證。而溢油漂移數(shù)值模擬技術(shù)可以在一定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)有效預(yù)報(bào)油膜在海面的漂移軌跡和行為歸宿。溢油監(jiān)測(cè)

4、和數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)綜合利用，可大大減少對(duì)地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的依賴，將油膜靜態(tài)性質(zhì)與動(dòng)態(tài)信息有效結(jié)合，為溢油應(yīng)急作業(yè)提供有效的技術(shù)支持，有利于降低應(yīng)急作業(yè)成本，減少海洋污染損害口]。為此，國內(nèi)外學(xué)者開展了溢油遙感監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)技術(shù)的綜合研究[13

5、。溢油預(yù)報(bào)需要高分辨率、高精度的海面風(fēng)、表層流的數(shù)值預(yù)報(bào)和完善的溢油漂移擴(kuò)散數(shù)值預(yù)報(bào)模式[4]。對(duì)于局部海域的溢油預(yù)測(cè)來說，更需要精細(xì)的局部海域岸線、水深、潮流等信息。Xu等比。將遙感監(jiān)測(cè)和基于GNOME模型的溢油預(yù)測(cè)結(jié)合，在渤海海域進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用。GNOME模型是美國NOAA業(yè)務(wù)化的全球環(huán)境模

6、型，采用NC()M流場(chǎng)輸入，對(duì)于我國近海海域，可基于此開展溢油漂移的初步估計(jì)，高精度預(yù)測(cè)仍需輸入局部海域的精細(xì)信息心。3j。本文將溢油SAR遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)與基于我國近海海域風(fēng)、浪、流耦合三維水動(dòng)力模型研發(fā)的數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用于渤海海域，同時(shí)提取海面油膜位置、面積和動(dòng)態(tài)漂移信息。1海上溢油SAR遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)在分析歷史溢油事故遙感影像、研究油膜和類油膜差異特征的基礎(chǔ)上，發(fā)展了基于凝聚層次聚類的溢油識(shí)別方法睜6I。油膜識(shí)別算法中，傳統(tǒng)的K均值(K—Means)、迭代自組織聚類(ISODATA)和模糊C均值算法(FCM)都是基

7、于像素判斷的分類算法，會(huì)產(chǎn)生較多的碎斑，且沒有考慮周圍像素的分布情況。而凝聚層收稿Et期：2015-03—24資助項(xiàng)目：中國海洋石油總公司科技項(xiàng)目一海上溢油衛(wèi)星自動(dòng)識(shí)別和預(yù)警業(yè)務(wù)化系統(tǒng)研發(fā)(CN(XXT-KJ125ZDXM25JABNFCY2012—01)作者簡(jiǎn)介：宋莎莎(】989)，女．山東青島人，工程師，博士研究生，主要從事海Jj溢油污染防治技術(shù)方面研究．E-maihsongshsh2@CFIOOC．com．cn(王燕編輯)l期宋莎莎，等：海上溢油SAR遙感監(jiān)測(cè)及溢油漂移快速數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)研究139次聚類方法首先將每個(gè)

8、對(duì)象作為一個(gè)類，設(shè)置一定的規(guī)則把它們合并為越來越大的類，直到某個(gè)終結(jié)條件被滿足，是面向?qū)ο蟮姆椒?，可減少碎斑現(xiàn)象。該方法已在海冰分類和海冰邊緣線提取方面得到有效應(yīng)用u{。?；谀蹖哟尉垲惖腟AR影像油膜識(shí)別算法，首先采用凝聚層次聚類方法進(jìn)行圖像分割，然后在圖像分割基礎(chǔ)上區(qū)分溢油斑塊和類油膜斑塊，從而達(dá)到識(shí)別油膜的目的。基于凝聚層次聚類方法的SAR溢油識(shí)別算法主要包含5個(gè)步驟：初始化、異質(zhì)性合并、灰度合并、碎斑合并和斑塊分類。其中前4步是圖像分割的操作，其流程見圖1；第5步溢油斑塊識(shí)別見圖2。否圖1SAR影像分割算法流程

9、圖Fig．1FlowchartofSARimagesegmentation否型類油膜分割斑塊是否暗斑＼／上是遍歷斑塊所有鄰域．計(jì)算出對(duì)比度特征量的值最大亮度差是否高于閾值是非油暗斑油膜圖2SAR影像溢油識(shí)別Fig．2DetectionofoilspillinSARimage1)初始化初始化是將圖像中所有像元看作區(qū)域，