MODIS时间序列溢油检测算法

论文摘要

当前,石油泄漏事故已成为海洋环境污染的最主要原因之一,极其严重地危害海洋生态环境。随着世界经济交流日益频繁,海上运输工具数量急剧地增加,海洋环境也开始受到各种人类活动带来的日益严重的破坏。随着空间信息技术的高速发展,利用卫星遥感获取海洋表面信息的数据量也高速增长,并具有较高空间和时间分辨率,精度大大地满足了当前海洋溢油监测的需求,卫星遥感可以进行大区域海洋溢油检测,弥补了航空遥感检测的不足,因此,溢油监测领域呈现以卫星遥感为主,结合航空遥感为辅的主要监测趋势。利用卫星遥感海洋溢油识别方法主要有直接判定法、对比分析法、逻辑推理法等。然而这些方法都需要基于经验丰富的专家知识,已知溢油事故发生信息,都是基于空间要素来识别溢油信息。当今海上溢油事故爆发频繁,实时海监飞机不可能捕获到每一次溢油发生时间油事故,特别是在恶劣天气情况下飞机不能飞行时。本文就基于上述溢油监测识别方法的研究背景,以溢油高发海域渤海曹妃甸港作为实验区,利用MODIS L1B遥感影像数据组成具有一定长度的时间序列,利用溢油区油膜覆盖海面在近红外波,即MODIS 2波段,与洁净海域反射率存在差值最大的特征,利用这一反射率异常特征,采用统计学高斯分布原理,均值和标准差的组合作为阈值分割出溢油影信息的分布,在未知的前提下,对溢油事故进行快速的时间和空间上的定位。通过将该方法应用于多次溢油事故,获得最佳分割临界阈值为μ-1.756。并在此结果的基础上轻度溢油事故或者薄油膜覆盖区域出现的细微异常部分利用小波分析独特的在信号高频或者低频处细化放大的作用,扩大油水放射率的差值,充分的识别轻度油膜覆盖区,从而进一步提取出更加准确和完善的提取出溢油分布空间信息。并且根据溢油信息在不同实相上的分布分析溢油区域的动态演变过程。将两种方法提取结果同雷达影像溢油识别信息相比较,结果高度吻合,说明本方法的有效性。通过本文的实验论述得出这样结论：（1）利用高斯分布阈值分割方法提取溢油信息,在最佳阈值取值为μ-1.75σ,能够快速高效定位溢油发生的时间以及溢油区域。提取结果同ENVISAT雷达影像识别信息高度一致。利用MODIS高时间分辨率,免费的优势,降低了溢油检测的成本；（2）小波分析对时间序列遥感影像数据信号可以在低频（低反射率）或者高频（高反射率）进行细化,从而扩大了原数据的差异,更加容易识别异常信息,如检测轻度溢油,或者薄油膜覆盖污染区域。二者结合使用将使溢油信息提取更加完善,并且提高了溢油检测手段的智能化应用。本论文的创新之处在于对溢油信息提取方法提出从时间序列上对溢油事故进行快速智能化的定位,并且充分利用MODIS影像免费,快速方便获取的优势,快速机器智能化监测溢油事故发生时间和空间信息,降低了溢油监测的成本。本论文的研究思想正符合当前地理信息科学（Geographical Information Science）从传统的以静态的方式完成对地理空间“时空状态”描述的发展过程。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• Abstract
• 1. 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 目的和意义
• 2 海洋溢油遥感监测
• 2.1 海洋溢油遥感监测
• 2.1.1 海洋溢油航空遥感监测
• 2.1.2 海洋溢油航天遥感监测
• 2.2 国内外海洋溢油遥感监测的发展
• 2.2.1 国外海洋溢油遥感监测的发展
• 2.2.2 国内海洋溢油遥感监测的发展
• 3 时间序列溢油信息提取
• 3.1 时间序列
• 3.2 时间序列在遥感中的应用
• 3.3 时间序列异常检测
• 3.4 时间序列高斯分布检测溢油
• 3.4.1 高斯分布
• 3.4.2 溢油检测原理
• 4 MODIS时间序列高斯分布标准差溢油信息提取
• 4.1 MODIS数据介绍
• 4.1.1 MODIS传感器及数据介绍
• 4.1.2 MODIS 1B数据介绍
• 4.2 MODIS数据处理
• 4.2.1 消除蝴蝶结效应
• 4.2.2 几何校正
• 4.2.3 大气校正
• 4.3 溢油信息提取
• 4.3.1 试验实例介绍
• 4.3.2 试验MODIS数据集
• 4.3.3 数据处理流程
• 4.3.4 溢油信息提取
• 4.3.5 溢油提取结果
• 4.4 结果分析
• 5 小波分析海面溢油信息提取
• 5.1 小波分析
• 5.1.1 小波分析概念
• 5.1.2 小波分析的原理
• 5.2 小波分析在遥感领域中的应用
• 5.3 基于小波分析的溢油提取案例
• 5.3.1 实例数据集介绍
• 5.3.2 数据处理流程
• 5.3.3 小波分析溢油信息提取
• 5.3.4 溢油信息提取结果及与高斯分布标准差方法的比较
• 5.5 结果分析
• 6 结论和展望
• 6.1 论文结论
• 6.2 创新之处
• 6.3 论文展望
• 参考文献
• 致谢