多角度偏振遥感在水体油污染监测中的优势分析

罗杨洁，朱 俊

多角度偏振遥感在水体油污染监测中的优势分析

罗杨洁1，朱 俊2

(1.内江师范学院地理与资源科学学院，内江 641112;2.内江师范学院化学化工学院，内江 641112)

为了更好地进行水体油污染监测，首先简要介绍了多角度偏振探测技术，然后着重分析了水体油污染目标的偏振特性，同时从目标地物反射光谱的偏振探测机理出发，讨论了它们偏振光谱的空间特征，并总结出3条普适规律。结果显示:偏振光谱信息与强度辐射光谱信息相比，目标地物间反射光谱的微小差异得到了增强，且在大角度入射时，增强效果更为明显。可见，多角度偏振遥感在水环境监测和地物识别中具有广阔的应用前景。

偏振;多角度;油污染;地物识别

0 引言

虽然海洋幅员辽阔，有很强的自净能力，但它的纳污能力也是有限的。油轮油泄漏、沿海及河口石油矿藏的开发、炼油厂工业废水的排放等，会使水体受油的污染，尤其是河口海域和近海水域，油污染十分突出。水体油污染的来源主要是工业排放与城市排放占37%，船舶操作占33%，其他来源有油轮意外、大气沉降、自然来源、油气勘探与生产活动产生等。油在水面形成油膜后，会影响氧气进入水体，当油膜厚度大于10－4cm时，就会严重阻止氧气进入水体，从而使水中溶解氧减少，少到一定限度后就会使水变臭，进而造成水中生物的死亡。另外，油污染还对全球海平面变化和长期气候变化造成潜在影响。因此，对水体油污染进行监测是十分重要的。

国外学者由20世纪80年代开展的可见光和红外遥感研究转向20世纪90年代利用微波遥感监测海洋溢油灾害。我国自“六五”计划以来，相继开展了一些水面溢油航空检测方法研究，取得了许多可喜的成果，但就总体而言，研究程度仍局限在常规的垂直收集目标信息上。为此，需要进一步探讨各类油品泄漏到水体后的漂移、扩散、溶解、蒸发后的各个过程的多角度偏振光谱响应特性，为识别溢油范围，正确划分油膜厚度，进而为正确估计泄漏油量提供技术支持［1］。

1 探测机理

遥感探测油污染，主要是依据在不同入射条件下油膜具有不同的反射、散射、吸收和偏振特性，通过选择适当的入射条件和探测方位来监测溢油，并设法增强油膜与其背景水面之间的反差，以达到确定油膜参数的目的。怎样增强油膜与其背景水面反射光谱的反差呢?怎样才能更精确地监测水面油膜呢?这也是人们为什么要发展多角度偏振探测的原因。

传统的单一观测方向遥感只能得到地面目标一个方向的投影，由于缺乏足够的信息来同时推断一个像元的主要材料的波谱和空间结构，从而使定量遥感非常困难。与单一观测方向遥感相比，多角度对地观测是通过对地面固定目标进行多个方向的观测，使得对目标的观测信息得以丰富，因而有希望从中提取较单一方向的观测更为详实可靠的地面目标三维空间结构参数，以便为开展定量遥感提供新的途径。

偏振是各种矢量波的一种基本性质，是指用一矢量波来描述空间某一固定点所观测到的矢量波随时间变化的特征。偏振特性能在特殊背景和条件下提高目标的识别率，特别是对反射辐射强度对比度低的表面和人为模拟制造的伪装目标具有独特的区分能力［2－4］。偏振信息在遥感领域的重要性已得到美国国家航空和宇航局(NASA)的认可［5］。法国的POLDER传感器［6］是目前将多角度遥感与偏振特性结合得最好的例子之一。目前人们对偏振遥感图像特性的研究越来越重视，并且展开了系列研究［7］，赵云升等人对液体表面的偏振反射特征进行了初步探讨［8，9］。在以往研究的基础上，本文从偏振反射光谱分析的角度验证了多角度偏振遥感在油污染监测中的优势。

当α=0°时，上式可简化为

图1 n=1.333时水的光谱反射率Fig.1 Reflectivity of water when n=1.333

图2 n=1.5时油的光谱反射率Fig.2 Reflectivity of oil when n=1.5

2 液体三维偏振光谱测量的实验条件

被测的试验样品有以下两种:①水，为采自长春市居民饮用的自来水，水质清澈透明，无污染;②汽油，由东北师范大学车队提供的常用商品油，浅橙黄色，流动性与水接近。

为了获得液体样品的偏振光谱反射数据，利用了地物偏振光谱二向性反射比测量装置来进行测量［10］，该仪器由计算机控制，可对被测定样品的偏振光谱反射数据进行自动采集与处理。为了叙述方便，把偏振片透光轴的方向规定为0°方向，而把其正交方向规定为90°方向，以后简称为0°偏振和90°偏振，其间标有45°偏振刻度。传感器波段为630～690 nm，探测架上有7个探测头，天顶角从0°～60°，每隔10°固定一个探测头;7个光源位置的设置与探测头设置相同;方位角为0°～350°，每隔10°采集一个数据。测试时，让探测拱架绕被测物和白板(标准朗伯体)运行一周，就获得了方位角0°～350°半球内、不同探测角位置上的2π空间的三维分布偏振反射比(即被测物与白板偏振反射光谱的比值)数据。如果加了偏振片，即文中所说的0°偏、45°偏和90°偏，就是偏振反射比;如果不加偏振片，即文中所说无偏，则为二向性反射比，本文统称其为反射比。

3 液体三维偏振曲线特性研究

为了方便表示，特作以下说明:图3～图7中，图表标题命名格式为“偏振角代码－p－入射角代码”，如“0－p－6”的意义为液体在光线入射角60°，0°偏振状态下的反射曲线(即“wu”代表无偏，后面“6”代表入射角60°，前面“0”代表 0°偏振，余类推，“*”表示该代码位置上所有可选择的类型。)

3.1 液体三维偏振光谱与探测方位角、探测角的关系

图3是汽油在光线入射角为60°，0°偏振状态下，探测方位角为0°～350°，探测角为 0°～60°时的偏振反射比曲线;图4是水在光线入射角40°，无偏状态下，探测方位角为0°～350°，探测角为0°～60°时的偏振反射比曲线。

图3 汽油在0－p－6时的偏振反射比曲线Fig.3 Polarized reflectance curve of gasoline 0－p －6

图4 水在wu－p－4时的二向性反射比曲线Fig.4 Bidirectional reflectance curve of water wu－p－4

由图3可见，液体的偏振反射比曲线在2π空间存在着明显差异，表现出强烈的非朗伯体特性。其值与探测角有很大的关系，当探测角小于60°时，其曲线特征基本不随方位角的变化而变化，近似于一条直线;当探测角为60°时，探测角与入射角相等，在入射光所决定的主平面内(即探测方位角为180°)将出现强烈的峰值，此时的反射比为偏振反射比。这表明当探测角与入射角相等时，油膜呈现明显的镜面反射现象。同样，由图4可见，在入射角为40°，探测角为40°，探测方位角为180°时水的反射比达到峰值，此时的反射比为二向性反射比。由此可见，不论是二向性反射比或者是偏振反射比，反射比峰值都会出现在入射角等于探测角，探测方位角为180°处，即探测角与入射角相等且两者位于同一平面时反射比最大，此为规律一。这也说明物体的反射比不但与探测器的高度有关，还与它的探测方向有关。

3.2 液体三维偏振反射比曲线与偏振角的关系

图5是在光线入射角为50°，偏振角分别为0°、45°、90°和无偏状态下，探测角为 0°～60°，探测方位角为120°～240°时水的偏振反射比曲线或二向性反射比曲线。

图5 水在* －p－5时的偏振反射比曲线Fig.5 Polarized reflectance curve of water* －p－5

由图3、图4可见，不同液体的偏振反射比曲线或二向性反射比曲线是不同的。方位角在0°～120°，240°～350°两个区间各种液体的偏振反射比曲线平直，且差异很小，具有漫反射特征;而方位角在140°～220°区间，各种液体的偏振反射特征差异显著，并且各种液体的偏振反射比曲线峰值都出现在方位角180°处。在改变入射角的情况下，同样可以得到以上结论。因此，在方位角120°～240°以外处，地物的偏振反射比差异很小，对目标识别以及辐射角度纠正意义都不大，本文在此处分析中，主要把目标方位角定位在120°～240°。

图5显示，无偏反射比曲线峰值和45°偏振反射比曲线反射比峰值是位于0°偏振反射比曲线峰值和90°偏振反射比曲线峰值之间的，且两者值接近于0°偏振反射比曲线峰值和90°偏振反射比曲线峰值的算术平均值。这种规律在其他类似的偏振反射比曲线比较中也可以观察到。因此可以认为这是一条液体偏振反射的普适规律，此为规律二。

3.3 液体偏振反射比曲线与光线入射角的关系

图6是汽油在0°偏振时不同光线入射角的偏振反射比曲线，图7是汽油在90°偏振时，不同光线入射角的偏振反射比曲线，两图的探测角均为0°～60°，探测方位角均为 0°～350°。

图6 汽油在0－p－*时的偏振反射比曲线Fig.6 Polarized reflectance curve of gasoline 0－p－*

图7 汽油在90－p－*时的偏振反射比曲线Fig.7 Polarized reflectance curve of gasoline 90－p－*

图6 、图7显示，汽油的偏振反射比除了遵循规律一外，还可以看出，随着光线入射角的改变，汽油的偏振反射比峰值随之改变，并且存在明显规律。图6显示，0°偏振时，随着光线入射角的增大，汽油的偏振反射比峰值先减小后迅速增大;图7显示，90°偏振时，随着光线入射角的增大，汽油的偏振反射比峰值呈逐渐增大之势，这与菲涅耳公式是相吻合的，此为规律三。

3.4 偏振反射遥感在油污染监测中的优势分析

表1是汽油和水的偏振反射比差值列表，这里本文分别将汽油和水的0°偏振反射比峰值与无偏时反射比峰值相比较，得出它们的差值。图8是汽油和水的偏振反射比差值比较图。

表1 汽油和水的偏振反射比差值Tab.1 Polarizing reflectance difference value of gasoline and water

图8 汽油和水的偏振反射比差值比较Fig.8 Comparative chart of polarizing reflectance difference value of gasoline and water

由偏振片的特征可知，入射光通过偏振片后，其光强已经被削弱了一半，这样就减少了传感器达到饱和状况的可能。这就是多角度偏振遥感的优势之一。另外，由图8还可见，同样测试条件下，汽油的偏振反射比差值比水的大，且随着入射角的增加，在布儒斯特角附近，差值越来越大，这与本文开头的理论分析是相符的。这也说明，较之传统的辐射强度探测来说，偏振遥感探测能扩大物体间的细节差异。因此在水体的油污染监测中，运用偏振遥感在光线大角度入射时，更能体现偏振遥感的优越性，更利于界定水体油面污染的范围和程度。此为多角度偏振遥感的优势之二。

4 结论

本文虽然是以汽油和水作为代表样本进行实验分析的，但自然界各种液体的偏振反射比具有相同的规律，因此可以得出以下结论:

(1)各种液体的偏振反射特征是不同的，这与它们各自的表面特征、物质组成和光滑程度有密切关系;

(2)各种液体的偏振反射比在光线入射角等于探测角，且在两者构成的主平面上出现峰值;

(3)各种液体偏振反射曲线中，无偏反射比曲线峰值和45°偏振反射比曲线峰值位于0°偏振反射比曲线峰值和90°偏振反射比曲线峰值之间，且两者值接近于0°偏振反射比曲线峰值和90°偏振反射比曲线峰值的算术平均值;

(4)0°偏振时，各种液体随着光线入射角的增大偏振反射比峰值先减小，后迅速增大;90°偏振时，其偏振反射比峰值随着入射角的增加逐渐增大;

(5)从无偏反射比曲线峰值与0°偏振反射比曲线峰值的差值比较来看，汽油的偏振反射光谱反射比差值比水的大，且随着光线入射角的增加，到布儒斯特角，差值越来越大。

总之，在水体油污染监测中，较之传统的垂直辐射遥感而言，多角度偏振遥感具有明显的优势，其既可以避免传感器的部分饱和状态，又可以更有效地区分污染情况。因此多角度偏振遥感在水环境监测和地物识别中具有广阔的应用前景，并将得到进一步的研究和发展。当然，水体油污染不仅与折射率有关，还与油膜厚度、水面粗糙度等以及探测仪器的波谱范围有关，本文只是对水和汽油的偏振反射进行了探测，没有进行实际的油污染遥感探测，关于海洋油污染的检测，还有待进一步研究。

［1］ 赵冬至，丛丕福.海面溢油的可见光波段地物光谱特征研究［J］.遥感技术与应用，2000，15(3):160 －164.

［2］ 孙晓兵，乔延利，洪 津，等.人工目标偏振特征实验研究［J］.高技术通讯，2003，13(8):23 －27.

［3］ 孙 玮，刘政凯，单 列.利用偏振技术识别人造目标［J］.光学技术，2004，30(3):267 －269.

［4］ 乔延利，杨世植，罗睿智，等.对地遥感中的光谱偏振探测方法研究［J］.高技术通讯，2001，11(7):36 －39.

［5］ Curran P J.Polarized Visible Light as an Aid to Vegetation Classification［J］.Remote Sensing of Environment，1982，12:491－499.

［6］ Roger M，Seeleuthner P，Baptiste D.Determination of the Elastic Constants of a Glass/Epoxy Composite［C］//Hogg J P，et al.Proceedings of the European Conference on Composites Testing and Standardisation，Amsterdam，Holland:EACM，1992:277 －286.

［7］ 曹汉军，乔延利，杨伟锋，等.偏振遥感图像特性表征及分析［J］.量子电子学报，2002，19(4):373 －378.

［8］ 赵云升，金 伦，宋开山，等.液体表面偏振反射特征研究［J］.东北师大学报(自然科学版)，2000，32(4):103 －106.

［9］ 罗杨洁，赵云升，吴太夏，等.水体镜面反射的多角度偏振特性研究及应用［J］.中国科学(D 辑:地球科学)，2007，37(3):411－416.

［10］金锡峰，乔德林，周素香.地物偏振二向性反射比测量装置:中国，96239489.0［P］.1998 －03 －04.

A Superiority Analysis of the Multi－angle Polarization Remote Sensing in Water－body Oil Pollution Monitoring

LUO Yang－jie1，ZHU Jun2
(1.School of Geography and Resources Science，Neijiang Normal University，Neijiang 641112，China;2.College of Chemistry ＆ Chemical Engineering，Neijiang Normal University，Neijiang 641112，China)

The technique of multi － angle polarization detection is described briefly in this paper.Based on experiments，the authors analyzed in detail polarized characteristics of the oil pollution object.The spatial characteristics of the spectrum of polarized light are discussed from the mechanism of polarization detection，and three universal laws are summarized.In comparison with intensity spectrum，small discrepancy of the object is enhanced，especially in the case of polarized light incidence at a large angle.Multi－angle polarization remote sensing has wide application vista in water environment monitoring and object identification.

Polarization;Multi－angle;Oil pollution monitoring;Object identification

TP 79:X 832

A

1001－070X(2011)03－0032－05

2010－11－12;

2011－01－22

四川省教育厅青年基金项目(编号:07ZB046，2006B077)及四川省科技厅应用基础研究项目(编号:2008JY0121)共同资助。

罗杨洁(1979－)，女，地图学与地理信息系统专业硕士研究生，讲师，从事偏振遥感理论和地理信息系统应用研究。

(责任编辑:丁 群)