SAR及MODIS数据海面溢油监测方法研究

论文摘要

海洋溢油发生后,准确及时的监测溢油对于海洋环境保护具有重要意义。随着卫星遥感技术的高速发展,遥感已经成为监测溢油的最重要和最有效手段之一。本论文以海面溢油为研究对象,讨论了利用SAR和MODIS监测海面溢油的方法,重点在SAR图像中溢油现象识别、MODIS监测海面油膜厚度、基于GIS的遥感溢油监测系统和中国海溢油分布等方面进行研究。本文的主要研究结果归纳如下:1.系统介绍了SAR图像中识别溢油现象和疑似现象的全过程,主要包括图像预处理(辐射校正和斑点噪声滤除)、图像分割、特征提取、特征筛选和神经网络识别。在SAR图像预处理方面,比较了10种滤波方法,最后选择了窗口为3×3的增强Lee滤波对SAR图像进行滤除斑点噪声的处理。在SAR图像中油膜区域分割方面,将水平集方法与多尺度小波方法相结合,提高了计算效率,降低了算法的复杂度,同时对SAR图像中油膜区域的模糊边缘进行了有效监测。在识别溢油和疑似溢油方面,除灰度特征量外,引入图像纹理特征参量,并利用方差分析从计算的31个特征参量筛选出16个作为神经网络的输入,建立了区别溢油现象和疑似溢油现象的神经网络模型。研究结果表明,该模型识别精度达到83%,可以较好地识别溢油现象;纹理特征作为特征参量提高了溢油现象的识别精度;基于方差分析的特征参量筛选不仅简化了神经网络结构,而且提高了模型的识别精度。2.将模糊聚类方法FCM与图像纹理分析相结合用于对250m分辨率的MODIS图像中的溢油区域分割;将这种方法应用到2005年4月3日发生在大连海域“阿提哥”事件的MODIS图像中,较好的区分了溢油区域,并在此基础上,利用多时相的MODIS数据计算了油膜的漂移,结果与风场和潮汐数据一致。建立了一个简单的海面油膜的光学模型,并在此基础上对海面油膜的可见光波段的光学性质进行了定性分析:油膜与海水的反差主要依赖于油膜对海水向上辐亮度的吸收,离水辐亮度差异在海水光谱反射峰的波段油水反差最大,随着油膜厚度的增加,油膜的离水辐亮度减少。在传感器接收的大气顶辐亮度的图像中,油膜与海水的反差依赖于镜面反射和下表面向上辐亮度传输的平衡:当镜面反射的差异大于下表面向上辐亮度的差异时,油膜海水反差为正,反之为负。基于此,根据两次溢油事故的MODIS数据定性给出了油膜厚度的分布。3.设计了基于WebGIS和卫星数据的海面油污染监测系统,该系统是一个融合了Apache web服务器、Oracle数据库管理系统、Mapserver、PHP和卫星遥感数据处理系统的网络地理信息系统(WebGIS),主要包括环境信息收集模块、溢油信息提取模块和油膜扩散预测模块。基于这个系统和2002～2005年的SAR数据对东中国海的溢油事件进行了统计分析,污染比较严重的四个海区包括:黄海中部,纬度范围在32°～37°N;渤海海峡东部;长江口周围海域;纬度范围在28°～32°N的东海海域及台湾海峡。溢油主要是由船舶非法排污引起的,分布在主要航线的海区,另外还包括渔船作业产生的油膜、河口排放的工业污染形成的油膜。4.将WebGIS系统与FCM方法相结合建立了一个帮助农民用户产生定量施肥图的专家系统。基于此系统,进一步研究利用陆地卫星Landsat数据制定定量施肥图的可能性;系统输出结果通过产量或现场土壤属性的测量进行评价,研究表明可以利用作物生长茂盛时期(NDVI均值最高)的卫星NIR波段数据产生变量施肥图。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 研究意义
• 1.2 遥感监测海面溢油研究进展
• 1.2.1 光学传感器
• 1.2.2 微波辐射计
• 1.2.3 合成孔径雷达
• 1.3 我国遥感监测溢油的研究进展
• 1.4 现有遥感溢油监测系统
• 1.5 存在问题
• 1.6 本章小结与论文框架
• 2 SAR监测溢油原理
• 2.1 SAR工作原理
• 2.2 SAR海面成像原理
• 2.3 SAR海洋表面油膜探测机理
• 2.4 SAR图像解译
• 2.5 本章小结
• 3 SAR图像中溢油与疑似现象的识别
• 3.1 SAR图像预处理
• 3.1.1 辐射校正
• 3.1.2 斑点噪声滤波
• 3.2 SAR图像中油膜区域的分割
• 3.2.1 图像分割常用方法
• 3.2.2 基于水平集与多尺度方法的图像分割
• 3.3 溢油与疑似现象判别
• 3.3.1 样本数据
• 3.3.2 特征提取
• 3.3.3 特征筛选
• 3.3.4 人工神经网络区别溢油与疑似现象
• 3.3.5 实验结果与分析
• 3.4 本章小结
• 4 基于MODIS数据的海面溢油检测
• 4.1 基于FCM方法与纹理分析相结合的海面溢油区域分割
• 4.1.1 模糊聚类方法（FCM）
• 4.1.2 基于FCM法与纹理分析的区域分割方法
• 4.1.3 实验数据
• 4.1.4 实验结果
• 4.2 海面溢油的厚度分布
• 4.2.1 海面油膜光传输模型
• 4.2.2 实例分析
• 4.3 本章小结
• 5 基于GIS的海面溢油监测系统
• 5.1 系统构架
• 5.2 东中国海海面溢油统计分析
• 5.3 本章小结
• 6 基于WebGIS的遥感数据系统在精准农业方面的应用
• 6.1 系统的简要介绍
• 6.2 变量施肥图制定方法综述
• 6.3 卫星数据用于制定变量施肥图案例分析
• 6.4 本章小结
• 7 论文总结与展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的主要论文
• 致谢