CN106767454A - 一种基于光谱反射率特征的水面油膜厚度测量系统及方法 - Google Patents

一种基于光谱反射率特征的水面油膜厚度测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光谱反射率特征的水面油膜厚度测量系统及方法，包括：预先采集光谱样本数据并实时采集光谱测量数据的光谱数据获取单元；对光谱样本数据或光谱测量数据进行预处理的光谱数据预处理单元；基于光谱特征阈值对光谱样本数据、光谱测量数据进行反射光谱特征提取的光谱特征提取单元；创建第一油膜厚度测量数据样本曲线，并基于所述曲线确定出第一油膜厚度测量结果的反射高度曲线拟合单元；创建第二油膜厚度测量数据样本曲线，并基于所述曲线确定出第二油膜厚度测量结果的吸收深度曲线拟合单元；能够计算油膜厚度并显示的联合运算与结果显示单元。本发明能够准确获得溢油的油膜厚度的信息，为海洋溢油事故中评估溢油量提供技术支撑。

Description

一种基于光谱反射率特征的水面油膜厚度测量系统及方法
技术领域
本发明属于水面油膜测量技术领域，涉及一种基于光谱反射率特征的水面油膜厚度测量方法。
背景技术
海上溢油油膜厚度测量对于估算溢油事故中溢油量有重要的意义，常规的测量方法主要有目测法、热红外成像法、激光三角法、微波辐射法等。目测法是最简单的估测海洋溢油油膜厚度的方法，但是其受到目测人员的影响较大，并且受到光照、背景等因素的影响，测量结果具有很大误差。热红外成像法可以根据不同油膜厚度的辐射不同来判断溢油厚度的大小，但是无法准确测量溢油油膜厚度。激光三角法利用几何光学原理，能够较为准确的测量油膜厚度，但是其装置复杂，不能够满足大范围快速测量的要求。微波辐射法可以根据海水与溢油不同的辐射信号来辨别溢油，但还不能够实现溢油油膜厚度的测量。
随着光学遥感技术的发展，以其丰富的数据、高分辨率和直观的表现形式，在海洋环境监测相关方面得到了普遍应用。并且随着光谱分辨率的提升，将光谱特征的分析应用于海洋溢油的探测和监测是一种较为普遍的方法。但是在溢油领域现有的光学遥感研究中，往往集中在通过分析光谱特征来实现海上目标的识别问题，对于海洋溢油事故中不同油膜厚度的光谱数据的研究相对较少，并且缺乏从光谱数据中反演不同油膜厚度的研究。所以，建立一种基于光谱反射率特征的水面溢油油膜厚度测量模型和方法，对于海洋溢油事故的应对处置具有重要意义。
发明内容
鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种基于光谱反射率特征的水面油膜厚度测量系统，该系统能够通过对光谱反射率数据的特征分析，实现水面溢油油膜厚度的反演，以准确获得溢油的油膜厚度的信息，并能够及时显示溢油油膜厚度的数值，为海洋溢油事故中评估溢油量提供技术支撑，加强海洋溢油事故的应急应对能力。
为了实现上述目的，本发明的技术方案：
一种基于光谱反射率特征的水面油膜厚度测量系统，其特征在于，包括：
光谱数据获取单元，其能够预先采集不同油膜厚度的溢油数据所对应的光谱数据作为光谱样本数据，同时在测量过程中实时采集当前溢油位置处所对应的光谱测量数据并将采集到的光谱样本数据及光谱测量数据传输给光谱数据预处理单元；
与所述光谱数据获取单元连接的光谱数据预处理单元，其能够对接收到的所述光谱样本数据或者光谱测量数据进行预处理，并将处理后的数据传输给光谱特征提取单元；
与所述光谱数据预处理单元连接的光谱特征提取单元，其能够基于所确定的光谱特征阈值对所述光谱样本数据进行反射光谱特征提取，以获得相应的光谱反射高度样本数据及光谱吸收深度样本数据，同时能够基于所述光谱特征阈值对光谱测量数据进行反射光谱特征提取，以获得相应的光谱反射高度测量数据及光谱吸收深度测量数据；
与所述光谱特征提取单元连接的反射高度曲线拟合单元，其能够基于所提取的光谱反射高度样本数据创建第一油膜厚度测量数据样本曲线，并基于所创建的第一油膜厚度测量数据样本曲线确定当前的光谱反射高度测量数据所对应的第一油膜厚度测量结果；
与所述光谱特征提取单元连接的吸收深度曲线拟合单元，其能够基于所提取的光谱吸收深度样本数据创建第二油膜厚度测量数据样本曲线，并基于所创建的第二油膜厚度测量数据样本曲线确定当前的光谱吸收深度测量数据所对应的第二油膜厚度测量结果；
以及分别与反射高度曲线拟合单元和吸收深度曲线拟合单元连接的联合运算与结果显示单元，其能够对所确定的第一油膜厚度测量结果、第二油膜厚度测量结果进行取平均值运算，最终计算出当前溢油位置处所对应的油膜厚度并显示相应的测量结果。
进一步的，作为本发明的优选方案
所述特征阈值即为进行反射光谱特征提取所对应的光谱特征波段，其包括处于771nm波段的光谱反射高度特征值以及处于529-631nm波段的光谱吸收深度特征值。
进一步的，作为本发明的优选方案
所述光谱数据获取单元采用地物光谱仪。
本发明的另一目的是要提供一种基于光谱反射率特征的水面油膜厚度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、预先采集不同油膜厚度的溢油数据所对应的光谱数据作为光谱样本数据；
步骤2、对接收到的所述光谱样本数据进行预处理；
步骤3、基于所确定的光谱特征阈值对所述光谱样本数据进行反射光谱特征提取，以获得相应的光谱反射高度样本数据及光谱吸收深度样本数据；
步骤4、基于所提取的光谱反射高度样本数据创建第一油膜厚度测量数据样本曲线并基于所提取的光谱吸收深度样本数据创建第二油膜厚度测量数据样本曲线；
步骤5、实时采集当前溢油位置处所对应的光谱测量数据；
步骤6、重复步骤2-3，以获得所述光谱测量数据所对应的光谱反射高度测量数据及光谱吸收深度测量数据；
步骤7、基于所创建的第一油膜厚度测量数据样本曲线确定当前的光谱反射高度测量数据所对应的第一油膜厚度测量结果；并基于所创建的第二油膜厚度测量数据样本曲线确定当前的光谱吸收深度测量数据所对应的第二油膜厚度测量结果；
步骤8、对所确定的第一油膜厚度测量结果、第二油膜厚度测量结果进行取平均值运算，最终计算出当前溢油位置处所对应的油膜厚度并显示相应的测量结果。
进一步的，作为本发明的优选方案
所述特征阈值即为进行反射光谱特征提取所对应的光谱特征波段，其包括处于771nm波段的光谱反射高度特征值以及处于529-631nm波段的光谱吸收深度特征值。
本发明的工作原理如下：
A、本发明所述基于光谱反射率特征的水面油膜厚度测量方法，其首先需要获取不同油膜厚度溢油的光谱样本数据，并对所采集到的原始光谱样本数据进行预处理，以去除噪声干扰；同时在实际测量过程中，采集当前位置处的光谱测量数据并同样进行预处理，以去除噪声干扰。
B、其次分别对光谱样本数据、光谱测量数据进行光谱特征提取，以通过对不同油膜厚度在光谱反射率样本数据中的特征波段的提取处理来确定光谱测量数据其所对应的油膜厚度；具体的，由于不同物质的分子组成和原子结构的不同，其在电磁波的作用下会具有特有的吸收和反射特征，即海水与溢油油膜存在明显的光谱特征差异，利用这一特性分别获取水面无油状态下的光谱数据与水面存在不同厚度油膜的光谱数据并通过得设定一定特征阈值进行分析，超过阈值后将其确定为特征波段，如在建立不同油膜厚度的光谱反射率曲线时，发现不同厚度油膜在波长为771nm处，其均会呈现一个小反射峰，并且反射峰高度随油膜厚度增加而增大，因此其可作为判别油膜存在及油膜厚度的特征波段；同时在建立不同油膜厚度与水体光谱反射率差异曲线时，油膜与水体光谱反射率差异随油膜厚度变化明显，尤其是在529-613nm范围内，光谱吸收深度随油膜厚度增加有逐渐变大的趋势，因此该吸收深度亦可作为油膜厚度估算的光谱特征之一。
C、再次建立油膜厚度与光谱吸收深度、光谱反射高度的相关性，即分别建立油膜厚度在771nm处反射高度、529-613nm吸收深度拟合函数，以构建测量油膜厚度的测量模型。
D、将反射高度数据所对应的厚度测量结果与吸收深度数据所对应的厚度测量结果拟合以实现不同油膜厚度的快速测量，并通过网络信息通讯技术将测量结果显示在不同的平台上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出一种基于光谱反射率特征的油膜厚度测量系统及方法，其根据油膜与水体的光谱反射率差异曲线的光谱反射高度和吸收深度表征不同厚度油膜反射光谱特征，即建立了光谱特征中反射高度和吸收深度的油膜厚度测量拟合曲线来实现水面油膜厚度的快速测量的方法；由于其不区分具体油膜种类，因此具有较强的普适性，为油膜厚度测量提供了一种应用性强的方法；同时当发生溢油事故时，根据本发明提供的油膜厚度的快速测量，能够为评估溢油事故中溢油量提供强有力的信息支持和可靠保障。
附图说明
本发明共有附图6张，其中：
图1是本发明所述系统结构框图；
图2是本发明所述系统或方法的核心步骤框图；
图3是不同油膜厚度的光谱反射率曲线实例图；
图4是不同油膜厚度与水体光谱反射率差异曲线实例图；
图5是771nm处光谱反射峰高度与油膜厚度的拟合曲线实例图；
图6是油膜在529-613nm范围内的光谱吸收深度与油膜厚度的拟合曲线实例图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明设计原理：
当油膜厚度小于50μm时，由于底层水体反射能量穿过油膜进入光谱探测传感器，导致该厚度范围油膜的光谱反射率曲线与水体非常相似；当油膜厚度增大至100μm及更厚时，光线无法穿过油膜，因此进入上述传感器的能量基本只有油膜本身的反射能量，且光谱形态与水体反射曲线差异较大；同时进行反复试验过程中发现，在波长为771nm处，不同厚度的油膜均会呈现一个小反射峰，并且反射峰高度随油膜厚度增加而增大，如图3；其可作为判别油膜存在及油膜厚度的光谱特征之一；同时油膜与水体光谱反射率差异随油膜厚度变化明显，尤其是在529-613nm范围内，且光谱吸收深度随油膜厚度增加有逐渐变大的趋势，如图4，因此该吸收深度亦可作为油膜厚度估算的光谱特征之一。
基于上述原理，如图1所示，本发明所述的基于光谱反射率特征的水面油膜厚度测量系统，其特征在于，包括：光谱数据获取单元，其能够预先采集不同油膜厚度的溢油数据所对应的光谱数据作为光谱样本数据，同时在测量过程中实时采集当前溢油位置处所对应的光谱测量数据并将采集到的光谱样本数据及光谱测量数据传输给光谱数据预处理单元；与所述光谱数据获取单元连接的光谱数据预处理单元，其能够对接收到的所述光谱样本数据或者光谱测量数据进行预处理，并将处理后的数据传输给光谱特征提取单元；与所述光谱数据预处理单元连接的光谱特征提取单元，其能够基于所确定的光谱特征阈值对所述光谱样本数据进行反射光谱特征提取，以获得相应的光谱反射高度样本数据及光谱吸收深度样本数据，同时能够基于所述光谱特征阈值对光谱测量数据进行反射光谱特征提取，以获得相应的光谱反射高度测量数据及光谱吸收深度测量数据；与所述光谱特征提取单元连接的反射高度曲线拟合单元，其能够基于所提取的光谱反射高度样本数据创建第一油膜厚度测量数据样本曲线，并基于所创建的第一油膜厚度测量数据样本曲线确定当前的光谱反射高度测量数据所对应的第一油膜厚度测量结果；与所述光谱特征提取单元连接的吸收深度曲线拟合单元，其能够基于所提取的光谱吸收深度样本数据创建第二油膜厚度测量数据样本曲线，并基于所创建的第二油膜厚度测量数据样本曲线确定当前的光谱吸收深度测量数据所对应的第二油膜厚度测量结果；以及分别与反射高度曲线拟合单元和吸收深度曲线拟合单元连接的联合运算与结果显示单元，其能够对所确定的第一油膜厚度测量结果、第二油膜厚度测量结果进行取平均值运算，最终计算出当前溢油位置处所对应的油膜厚度并显示相应的测量结果。
进一步的，作为本发明的优选方案
所述光谱数据获取单元采用地物光谱仪；优选的，所述地物光谱仪采用美国ASD公司FieldSpec地物光谱仪。
进一步的，作为本发明的优选方案
所述的光谱数据预处理单元用于原始的光谱数据进行预处理；其对接收到的光谱样本数据或者光谱测量数据进行预处理是指对接收到光谱样本数据或者光谱测量数据进行辐射校正、大气校正以及掩膜处理，以滤除噪声干扰。
进一步的，作为本发明的优选方案
所述光谱特征提取单元基于所设定的光谱特征阈值对预处理后的光谱样本数据进行反射光谱特征提取，以获得相应的光谱反射高度样本数据及光谱吸收深度样本数据，用以通过所获得的各光谱反射高度样本数据及光谱吸收深度样本数据分别建立不同油膜厚度的光谱反射率曲线和不同油膜厚度与水体光谱反射率差异曲线如图3-4所示，；同时能够基于所述光谱特征阈值对光谱测量数据进行反射光谱特征提取，以获得相应的光谱反射高度测量数据及光谱吸收深度测量数据；所述特征阈值即为进行反射光谱特征提取所对应的光谱特征波段，其包括处于771nm波段的光谱反射高度特征值以及处于529-631nm波段的光谱吸收深度特征值。
进一步的，作为本发明的优选方案
所述反射高度曲线拟合单元，其能够基于所提取的光谱反射高度样本数据创建基于油膜厚度与光谱反射高度的相关性的第一油膜厚度测量数据样本曲线即771nm处光谱反射峰高度与不同油膜厚度的光谱反射率拟合曲线，并基于所创建的第一油膜厚度测量数据样本曲线确定当前的光谱反射高度测量数据所对应的第一油膜厚度测量结果；所述拟合曲线或者拟合函数为
T＝-26.263+225624.02R-1.851*10-8R2+4.617*10-10R3
其中，R代表反射高度，T代表油膜厚度，实例如图5。
进一步的，作为本发明的优选方案
所述吸收深度曲线拟合单元，其能够基于所提取的光谱吸收深度样本数据创建基于油膜厚度与光谱吸收深度的相关性的第二油膜厚度测量数据样本曲线即在529-613nm处的光谱吸收深度数据与不同油膜厚度的水体光谱反射率差异曲线，并基于所创建的第二油膜厚度测量数据样本曲线确定当前的光谱吸收深度测量数据所对应的第二油膜厚度测量结果；所述拟合曲线或者拟合函数为
T＝24.843*e658.373A
其中，本拟合函数为指数函数，A表示吸收深度，实例如图6。
进一步的，作为本发明的优选方案
所述联合运算与结果显示单元，通过结合反射高度曲线拟合单元和吸收深度曲线拟合单元所得的油膜厚度测量结果，进行均值运算，最终得出油膜厚度并显示测量结果。
本发明的另一目的是要提供一种基于光谱反射率特征的水面油膜厚度测量方法，其特征在于，如图2，包括如下步骤：
步骤1、预先采集不同油膜厚度的溢油数据所对应的光谱数据作为光谱样本数据；
步骤2、对接收到的所述光谱样本数据进行预处理；
步骤3、基于所确定的光谱特征阈值对所述光谱样本数据进行反射光谱特征提取，以获得相应的光谱反射高度样本数据及光谱吸收深度样本数据；
步骤4、基于所提取的光谱反射高度样本数据创建第一油膜厚度测量数据样本曲线并基于所提取的光谱吸收深度样本数据创建第二油膜厚度测量数据样本曲线；
步骤5、实时采集当前溢油位置处所对应的光谱测量数据；
步骤6、重复步骤2-3，以获得所述光谱测量数据所对应的光谱反射高度测量数据及光谱吸收深度测量数据；
步骤7、基于所创建的第一油膜厚度测量数据样本曲线确定当前的光谱反射高度测量数据所对应的第一油膜厚度测量结果；并基于所创建的第二油膜厚度测量数据样本曲线确定当前的光谱吸收深度测量数据所对应的第二油膜厚度测量结果；
步骤8、对所确定的第一油膜厚度测量结果、第二油膜厚度测量结果进行取平均值运算，最终计算出当前溢油位置处所对应的油膜厚度并显示相应的测量结果。
进一步的，作为本发明的优选方案
所述特征阈值即为进行反射光谱特征提取所对应的光谱特征波段，其包括处于771nm波段的光谱反射高度特征值以及处于529-631nm波段的光谱吸收深度特征值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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。

Claims (9)

1.一种基于光谱反射率特征的水面油膜厚度测量系统，其特征在于，包括：
光谱数据获取单元，其能够预先采集不同油膜厚度的溢油数据所对应的光谱数据作为光谱样本数据，同时在测量过程中实时采集当前溢油位置处所对应的光谱测量数据并将采集到的光谱样本数据及光谱测量数据传输给光谱数据预处理单元；
与所述光谱数据获取单元连接的光谱数据预处理单元，其能够对接收到的所述光谱样本数据或者光谱测量数据进行预处理，并将处理后的数据传输给光谱特征提取单元；
与所述光谱数据预处理单元连接的光谱特征提取单元，其能够基于所确定的光谱特征阈值对所述光谱样本数据进行反射光谱特征提取，以获得相应的光谱反射高度样本数据及光谱吸收深度样本数据，同时能够基于所述光谱特征阈值对光谱测量数据进行反射光谱特征提取，以获得相应的光谱反射高度测量数据及光谱吸收深度测量数据；
与所述光谱特征提取单元连接的反射高度曲线拟合单元，其能够基于所提取的光谱反射高度样本数据创建第一油膜厚度测量数据样本曲线，并基于所创建的第一油膜厚度测量数据样本曲线确定当前的光谱反射高度测量数据所对应的第一油膜厚度测量结果；
与所述光谱特征提取单元连接的吸收深度曲线拟合单元，其能够基于所提取的光谱吸收深度样本数据创建第二油膜厚度测量数据样本曲线，并基于所创建的第二油膜厚度测量数据样本曲线确定当前的光谱吸收深度测量数据所对应的第二油膜厚度测量结果；
以及分别与反射高度曲线拟合单元和吸收深度曲线拟合单元连接的联合运算与结果显示单元，其能够对所确定的第一油膜厚度测量结果、第二油膜厚度测量结果进行取平均值运算，最终计算出当前溢油位置处所对应的油膜厚度并显示相应的测量结果。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述特征阈值即为进行反射光谱特征提取所对应的光谱特征波段，其包括处于771nm波段的光谱反射高度特征值以及处于529-631nm波段的光谱吸收深度特征值。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述光谱数据获取单元采用地物光谱仪。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述第一油膜厚度测量数据样本曲线所对应的拟合函数为
T＝-26.263+225624.02R-1.851*10-8R2+4.617*10-10R3
其中，R代表反射高度，T代表油膜厚度。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述第二油膜厚度测量数据样本曲线所对应的拟合函数为
T＝24.843*eσ58.373A
其中，该拟合函数为指数函数，A表示吸收深度。
6.一种基于光谱反射率特征的水面油膜厚度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、预先采集不同油膜厚度的溢油数据所对应的光谱数据作为光谱样本数据；
步骤2、对接收到的所述光谱样本数据进行预处理；
步骤3、基于所确定的光谱特征阈值对所述光谱样本数据进行反射光谱特征提取，以获得相应的光谱反射高度样本数据及光谱吸收深度样本数据；
步骤4、基于所提取的光谱反射高度样本数据创建第一油膜厚度测量数据样本曲线并基于所提取的光谱吸收深度样本数据创建第二油膜厚度测量数据样本曲线；
步骤5、实时采集当前溢油位置处所对应的光谱测量数据；
步骤6、重复步骤2-3，以获得所述光谱测量数据所对应的光谱反射高度测量数据及光谱吸收深度测量数据；
步骤7、基于所创建的第一油膜厚度测量数据样本曲线确定当前的光谱反射高度测量数据所对应的第一油膜厚度测量结果；并基于所创建的第二油膜厚度测量数据样本曲线确定当前的光谱吸收深度测量数据所对应的第二油膜厚度测量结果；
步骤8、对所确定的第一油膜厚度测量结果、第二油膜厚度测量结果进行取平均值运算，最终计算出当前溢油位置处所对应的油膜厚度并显示相应的测量结果。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：
所述特征阈值即为进行反射光谱特征提取所对应的光谱特征波段，其包括处于771nm波段的光谱反射高度特征值以及处于529-631nm波段的光谱吸收深度特征值。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：
所述第一油膜厚度测量数据样本曲线所对应的拟合函数为
T＝-26.263+225624.02R-1.851*10-8R2+4.617*10-10R3
其中，R代表反射高度，T代表油膜厚度。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：
所述第二油膜厚度测量数据样本曲线所对应的拟合函数为
T＝24.843*eσ58.373A
其中，该拟合函数为指数函数，A表示吸收深度。
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