CN111257875A - 一种基于sar的海面溢油监测方法及装置 - Google Patents

一种基于sar的海面溢油监测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种基于SAR的海面溢油监测方法，包括根据观测与模拟的NRCS确定区域是否存在溢油；采用最大类间法和最大熵法两种阈值分割方法同时对一个像素区域进行阈值对比确定溢油具体区域。本发明提供的方法及装置，利用IDL软件分析获得观测NRCS，利用地球物理模式函数通过风场数据获得模拟的NRCS，通过比较和模拟NRCS是否大于3DB判断存在溢油，如果存在溢油用阈值分割方法进行判断，基于最大类间法和最大熵法两种阈值分割方法都可以得到当前像素下存在溢油时，就能准确判定这块像素区域存在溢油，提高了基于SAR海面溢油监测的准确性，降低了分析难度，提高了分析效率，在海面溢油监测领域具有广泛的适用性。

Description

一种基于SAR的海面溢油监测方法及装置
技术领域
本发明涉及合成孔径雷达领域，特别涉及一种基于SAR的海面溢油监测领域。
背景技术
近几年，随着海洋石油资源的不断勘探和开采，石油加工业和海上运输业的快速发展，海上油气田溢油、输油管道破裂、载油船舶的突发性溢油等等重大事故也随之增多，这给海洋环境、海洋生态资源和海洋经济造成重大损害。海底油气的泄露、海洋当中石油的开采、载油船舶的泄露等都是海洋溢油污染的来源，历史上也有许多溢油事故导致财产严重损失。2002年，在欧洲一篇海域“威望”号油轮因为暴风雨导致油箱的爆裂，导致大约7.6×104m3的石油溢出到海面，油轮也在欧洲海域沉没，清理费用达到120亿美元。当然除过欧洲外，海洋里的溢油事故几乎在全世界都不少见，数据表明最近半个世纪以来石油的开采以及船只故意排放废油导致海洋生态严重破坏的事故不计少数。我国绵长的海岸线，海岸带以及周边海域也长期收到溢油污染的威胁。
此外，海面溢油监测方法也可用于海上军事侦察以及寻找失事飞机或船只。如何有效监测海面溢油，及时为后续工作获取有用的海洋表面信息，是目前各国研究的热点。
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种具有较高空间分辨率的主动式卫星微波探测器，它的出现为受制于传统观测的物理海洋学研究方向提供丰富的资料。SAR可以在其运行轨道上全天候连续获得对海洋表面大面积的图像，其功能意味着它可以成为海面溢油监测重要的手段技术之一。SAR海面溢油检测是在实现溢油监测起到很大的作用。
目前外溢油检测的主要技术手段很多，其中包括对溢油图像进行预处理去除图像上的异常值，针对溢油区域采用分割方法来分离海水和油膜基于溢油区域进行特征提取与分类来确定油膜属性。然而，无论在滤波器的选择、分割算法的改进以及分类器的设计等，仍旧存在缺陷和不足，比如航天恒星科技有限公司CN201611177475.3海上油膜识别提取方法及系统虽然提供了油膜识别方法，但是没有充分考虑海风因素，也没有确立定位方法；中国人民解放军理工大学CN201310260542.8一种机载合成孔径雷达海面风矢量反演方法虽然考虑了海风因素，但是计算方法复杂，溢油与海水背景分割难度大，整幅SAR图像内的溢油区域确定困难。
发明内容
针对现有技术中SAR提取海面资料分析难度大以及溢油监测区域定位不准确的技术问题，本发明提供了一种基于SAR的海面溢油监测方法，利用地球物理模型CMOD7算法来反演海面风场(风向、风速)，通过比较和模拟NRCS判断是否存在溢油，如果存在溢油用阈值分割方法进行判断，基于最大类间法和最大熵法两种阈值分割方法都可以得到当前像素下存在溢油时，就能准确判定这块像素区域存在溢油，在海面溢油监测领域具有广泛的适用性。
本发明提供的一种基于SAR的海面溢油监测方法，包括如下步骤：
(1)根据观测与模拟的NRCS确定区域是否存在溢油。
(2)采用最大类间法和最大熵法两种阈值分割方法同时对一个像素区域进行阈值对比。
(3)确定溢油具体区域。
本发明SAR图像上灰度变化反映的是归一化后向散射截面的变化，通过IDL语言分析图像上的NRCS数据。
本发明得到SAR图像观测数据之后经过地球物理模式函数来模拟与SAR图像相同区域的NRCS。
本发明中，地球物理模式函数为CMOD7。
本发明中，CMOD定量表示了SAR后向散射系数与风向相对于雷达视向的相对风向、海面10m高度处风速和入射角之间的关系，形式如下：
Figure BDA0002374556020000031
式子中，为VV极化之后的后向散射系数，Ф表示为风向相对于雷达视向的相对风向，A(u，θ)、B(u，θ)和C(u，θ)为相应的系数，它们是海面10m高度处风速，入射角的函数，CMOD7是基于相互校准的ERS和ASCATC波段散射计开发的。
本发明中，地球物理模式函数风向数据采用ECMWF风场数据。
本发明中，将在同一个区域下模拟以及观测到的NRCS做一个比较，比较的差值数值大于3dB这个区域存在海面溢油，相反当模拟以及观测到的数据相差小于3dB这个区域不存在海面溢油。
本发明提供的一种基于SAR的海面溢油监测装置，包括SAR图像接收模块、图像分析模块、模拟NRCS计算模块、比较分析模块和阈值分割与比对模块，SAR图像接收模块和图像分析模块通讯连接，图像分析模块、模拟NRCS计算模块分别和比较分析模块通讯连接，比较分析模块与阈值分割与比对模块通讯连接。
本发明中，SAR图像接收模块为无线接收模块，模拟NRCS计算模块包括地球物理模式函数模块和ECMWF风场数据模块。
本发明中，图像分析模块采用含有IDL软件的计算机模块。
海水表面存在油膜覆盖的时候，会影响短波的分布，卫星雷达接收的后向散射系数会受到一定的减弱效果，短波越短情况下布拉格(Bragg)散射波受油膜的阻尼作用会越强。海水表面油膜的厚度会影响海水的表面张力。油膜越厚的海水表面，它的表面张力衰减越强，导致后向散射系数越弱；反过来海水表面张力衰减越弱，其后向散射系数越强。油膜的厚度以及风速等因素会影响到雷达的后向散射系数。
在一般的情况下，SAR图像上关于海洋溢油区域的成像机制是，覆盖在海水表面的油膜对海面波产生了阻尼作用，抑制了海洋表面风的短重力毛细波，雷达的后向散射回波信号强度减弱，在SAR图像上具体表现为相对周边背景较暗的区域，在形状上主要是以比较暗或者黑色的斑块状和条带形式出现，还会出现条带状的油膜比较纤细的情况，但是一般不会出现分支，在图像上的油膜附近可以看到亮点。
另外，SAR对海洋水表面油膜的监测能力与海面风速密切相关。海洋水表面存在一定粗糙度的情况下，海洋水表面油膜对海洋表面波的抑制作用才会表现出来。因为风速过低时，海洋表面不能形成短重力毛细波，在SAR图像上呈现暗黑色，无法监测到海洋水表面油膜；风速过大时，一方面海洋表面短波获得足够能量使得表面油膜的抑制不起作用，另一方面海洋上层的湍流作用使部分油膜破碎或下沉到海洋表面下层使得表面油膜没有办法被监测到。研究表明，SAR影像监测海表油膜比较理想的条件是在3～6m s-1的风速下，上限为10～14m s-1。因此，在一般研究中需结合风场数据分析溢油的发生与扩散。
本发明的有益效果:
本发明提供的一种基于SAR的海面溢油监测方法及装置，利用IDL软件分析获得观测NRCS，利用地球物理模式函数通过ECMWF风场数据获得模拟的NRCS，通过比较和模拟NRCS是否大于3DB判断存在溢油，如果存在溢油用阈值分割方法进行判断，基于最大类间法和最大熵法两种阈值分割方法都可以得到当前像素下存在溢油时，就能准确判定这块像素区域存在溢油，提高了基于SAR海面溢油监测的准确性，降低了分析难度，提高了分析效率，在海面溢油监测领域具有广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明一种基于SAR的海面溢油监测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图1和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，但本发明的方法不限于下述实施例。
实施例一：本发明基于SAR的海面溢油监测方法
如附图1所述，本发明提供的一种基于SAR的海面溢油监测方法，包括如下步骤：
(1)根据观测与模拟的NRCS确定区域是否存在溢油。
(2)采用最大类间法和最大熵法两种阈值分割方法同时对一个像素区域进行阈值对比。
(3)确定溢油具体区域。
本发明中，将在同一个区域下模拟以及观测到的NRCS做一个比较，比较的差值数值大于3dB这个区域存在海面溢油，相反当模拟以及观测到的数据相差小于3dB这个区域不存在海面溢油。
实施例二：基于SAR的海面溢油监测方法
由于SAR图像上灰度变化反映的是归一化后向散射截面(Normalized RadarCross Seotion,NRCS)的变化。同时通过IDL(Interactive Date Language)语言分析图像上的NRCS数据。IDL是多维数据可视化表现、分析以及应用开发的软件工具，1982年NASA的火星飞越航空器的开发就是使用了IDL软件。
得到SAR图像观测数据之后，经过一种地球物理模式函数(CMOD7)来模拟与SAR图像相同区域的NRCS。
CMOD7是目前被广泛应用于反演C波段SAR海面风速的主要模式CMOD(C-bandmodels)系列其中之一。CMOD定量表示了SAR后向散射系数与风向相对于雷达视向的相对风向、海面10m高度处风速和入射角之间的关系，形式如下：
Figure BDA0002374556020000061
式子中，
Figure BDA0002374556020000062
为VV极化之后的后向散射系数，Ф表示为风向相对于雷达视向的相对风向，A(u，θ)、B(u，θ)和C(u，θ)为相应的系数，它们是海面10m高度处风速，入射角的函数，而CMOD7是基于相互校准的ERS和ASCATC波段散射计开发的。
其中使用到的数据包括ECMWF(European Centre for Medium-range WeatherForecast)风场数据。这个数据是ECMWF从1979年发布至今的全球气象在分析数据。将在同一个区域下模拟以及观测到的NRCS做一个比较，其数值大于3dB认为这个区域存在海面溢油。相反当模拟以及观测到的数据相差小于3dB认为这个区域不存在海面溢油。
在对应图像区域存在溢油的情况下，进一步对溢油的具体溢油区域进行寻找。这个时候使用阈值分割的方法。阈值分割方法是为了把溢油与海水背景分割开来，为了提取到溢油和海水背景参数特征更加清楚和完善。
其中阈值分割方法中有两种适合检测溢油的方法:最大类间方差法和最大熵法。
最大类间方差法(又称作是Otsu算法)是由日本学者提出的。它的基本思想是对像素进行分类。当物体目标和背景灰度差比较明显时候，使用这个方法是最为简单以及有效的。而且该方法假设只存在目标以及背景两个区域。通过分类使得类与类之间的方差达到最大，而本类内的像素的方差最小，因此来确定分割两类物质合适的阈值。假设有一幅原始的图像，它的灰度级总数为M，像素总数为N，灰度级为i的像素点的个数为ni。则各个灰度出现的概率为：
Figure BDA0002374556020000071
设置分割的阈值为t，将图像按照灰度值去分类，一共分为两类：A类是取值范围在0～t之间；B类是取值范围在(t+1)～(M-1)之间。那么A类和B类出现的概率为
Figure BDA0002374556020000072
它们的平均灰度为：
Figure BDA0002374556020000073
Figure BDA0002374556020000074
则全图平均灰度为
Figure BDA0002374556020000075
此时类间方差为：
Figure BDA0002374556020000076
由此可以推断出，当灰度为t时类间方差值最大，所以用这个办法来进行阈值分割是可以取得比较好的结果。
图像的像素可以分割为256*256。从星载SAR获得的图像图幅一般较大，常用分开处理的方法，即将大图幅的图像先进行区域分割，再对其进行处理。
最大熵法：
熵是克劳修斯在1865年提出并将其应用于热力学的态函数，之后被应用于统计物理学。当熵的应用领域更加广泛时，信息熵的概念就随之而来。
Figure BDA0002374556020000077
式中，pi是信息源中第i种信号出现的频率；lgpi是它所携带的信息量多少；H表示这信息量的大小，它是一个系统状态不确定的量度，也就是说一个随机事件不确定程度的量度。
一幅SAR图像中的信息熵反映了图像的总体概貌。发现了SAR图像当中存在溢油的情况下，那就可以在溢油与周围海水背景可以分割的交界处信息熵取得最大值。用F＝[f(x，y)]N×N表示一幅N×N大小,L灰度级的数字图像，其定义为方向θ，间隔为d的灰度共生矩阵为(这里只考虑θ＝0°，d＝1)
Figure BDA0002374556020000081
等号的右边具有某种空间关系、灰度值分别是g1和g2的像素对个数，分母#S为像素对的总个数(代表数量)，这样得到的P是归一化的。在这个时候，该图像的熵是：
Figure BDA0002374556020000082
所以，灰度共生矩阵所利用最大熵法选取SAR图像最佳分割阈值的具体思路如下：假设A为出现在SAR图像当中有待识别的油膜，B是其背景。计算出此图像的灰度共生矩阵P，矩阵P大小为256×256，那么PA和PB为A和B出现的概率；在归一化之后，计算出A和B的熵分别为HA,HB；把油膜目标和背景的局部熵相加所得到二阶局部熵为：HT＝HA+HB；经过了该图像的所有灰度级，当HT为最大时候，得到的灰度值t就是实现图像分割的最佳阈值。
图像的信息熵反映了图像的总体面貌。如果一幅SAR图像当中存在溢油，那么在溢油与周围海水背景可分割的交界处信息熵取得最大值。
当基于两种阈值分割方法都可以得到当前像素下存在溢油时，判定这块像素区域存在溢油。经过256×256每一块像素下的阈值分割方法判定，从而将一整幅SAR图像内的溢油区域确定下来。
实施例三：本发明基于SAR的海面溢油监测装置
本发明提供的一种基于SAR的海面溢油监测装置，包括SAR图像接收模块、图像分析模块、模拟NRCS计算模块、比较分析模块和阈值分割与比对模块，SAR图像接收模块和图像分析模块通讯连接，图像分析模块、模拟NRCS计算模块分别和比较分析模块通讯连接，比较分析模块与阈值分割与比对模块通讯连接。
本发明中，SAR图像接收模块为无线接收模块，模拟NRCS计算模块包括地球物理模式函数模块和ECMWF风场数据模块。
本发明中，图像分析模块采用含有IDL软件的计算机模块。
如上所述，即可较好地实现本发明，上述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于SAR的海面溢油监测方法，其特征在于，所述监测方法包括如下步骤：
(1)根据观测与模拟的NRCS确定区域是否存在溢油；
(2)采用最大类间法和最大熵法两种阈值分割方法同时对一个像素区域进行阈值对比；
(3)确定溢油具体区域。
2.如权利要求1所述的基于SAR的海面溢油监测方法，其特征在于，SAR图像上灰度变化反映的是归一化后向散射截面的变化，通过IDL语言分析图像上的NRCS数据。
3.如权利要求1所述的基于SAR的海面溢油监测方法，其特征在于，得到SAR图像观测数据之后经过地球物理模式函数来模拟与SAR图像相同区域的NRCS。
4.如权利要求3所述的基于SAR的海面溢油监测方法，其特征在于，所述地球物理模式函数为CMOD7。
5.如权利要求4所述的基于SAR的海面溢油监测方法，其特征在于，所述CMOD定量表示了SAR后向散射系数与风向相对于雷达视向的相对风向、海面10m高度处风速和入射角之间的关系，形式如下：
Figure FDA0002374556010000011
式子中，为VV极化之后的后向散射系数，Ф表示为风向相对于雷达视向的相对风向，A(u，θ)、B(u，θ)和C(u，θ)为相应的系数，它们是海面10m高度处风速，入射角的函数，CMOD7是基于相互校准的ERS和ASCAT C波段散射计开发的。
6.如权利要求4所述的基于SAR的海面溢油监测方法，其特征在于，所述地球物理模式函数风向数据采用ECMWF风场数据。
7.如权利要求1所述的基于SAR的海面溢油监测方法，其特征在于，所述将在同一个区域下模拟以及观测到的NRCS做一个比较，比较的差值数值大于3dB这个区域存在海面溢油，相反当模拟以及观测到的数据相差小于3dB这个区域不存在海面溢油。
8.一种基于SAR的海面溢油监测装置，其特征在于，所述装置包括SAR图像接收模块、图像分析模块、模拟NRCS计算模块、比较分析模块和阈值分割与比对模块，SAR图像接收模块和图像分析模块通讯连接，图像分析模块、模拟NRCS计算模块分别和比较分析模块通讯连接，比较分析模块与阈值分割与比对模块通讯连接。
9.如权利要求8所述的基于SAR的海面溢油监测装置，其特征在于，所述SAR图像接收模块为无线接收模块，模拟NRCS计算模块包括地球物理模式函数模块和ECMWF风场数据模块。
10.如权利要求8所述的海上溢油漂移轨迹溯源可视化系统，其特征在于，所述图像分析模块采用含有IDL软件的计算机模块。
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