基于图像分割的油膜厚度计算及其光谱相关性分析*

王娟，单春芝，宋文鹏，孙乐成，刘旭东(1.国家海洋局北海环境监测中心 青岛 266033; 2. 国家海洋局海洋溢油鉴别与损害评估技术重点实验室 青岛 266033)



基于图像分割的油膜厚度计算及其光谱相关性分析*

王娟1，2，单春芝1，2，宋文鹏1，2，孙乐成1，2，刘旭东1，2
(1.国家海洋局北海环境监测中心 青岛 266033; 2. 国家海洋局海洋溢油鉴别与损害评估技术重点实验室 青岛 266033)

以渤海原油为油样，利用ASD地物光谱仪开展油膜光谱测量，针对油膜光谱实验过程中油膜厚度难以控制的问题，改进布设油膜的方式，利用定量滴定和图像分割方法完成油膜厚度计算，并开展油膜光谱特性及其与油膜厚度的相关性分析。研究表明，油膜厚度计算方法可信度较高，能够较真实地计算出油膜厚度；油膜光谱在350～900 nm范围内较为平滑，油膜厚度及其光谱在可见光波段具有较高的相关性，900 nm之前具有较好的相关性且为正相关，在600～800 nm之间相关性达到最高，波长在900 nm之后油膜厚度与其光谱无明显相关性；油膜光谱在761 nm处有峰值存在，此处可以作为判断油膜存在以及油膜厚度反演的敏感波段；利用645 nm以及761 nm波段建立油膜厚度与反射光谱的相关模型，能够清晰地显示油膜厚度与其光谱在可见光波段具有较强的相关性，分析结果能够为后续遥感方法溢油量反演提供可信的参考。

油膜；光谱；相关性；图像分割

1 引言

通过分析油膜的地物光谱特征，可以识别、监测海上溢油的发生、发展状况，甚至可以根据典型相关谱段与油膜厚度的相关性开展溢油量反演，国内外已有大量相关研究，Palmer等[1]分析1993年Shetlands群岛的溢油事件时，指出海洋中分散原油随浓度不同在700 nm、740 nm、800 nm处反射率也不同，440～900nm可用来进行溢油油膜信息提取的有效谱段。Foudan[2]的研究表明，扩散开的油膜在580 nm、700 nm具有强的反射峰，600～900 nm范围光谱反射具有最大的油膜遥感探测可能性。Valborg[3]在其博士论文中分析不同油类、不同厚度的油膜在400～850 nm光谱通道的表现。赵冬至等[4]总结了柴油、润滑油、原油等3种油膜随厚度变化的光谱特征，指出736 nm和774 nm对不同的油类具有相同的吸收特征，揭示了油膜随厚度变化的光谱特征、油水反差规律及吸收特征参数等。在可见光波段，随原油油膜厚度的增加，反射率呈现出下降的趋势。张永宁等[5]分析了海洋溢油波谱特征，指出500～580 nm是不同油膜最高反射率的所在位置；此外近红外光谱可用来鉴别不同的溢油种类，提出利用TM和AVHRR数据监测煤油、轻柴油、润滑油、重柴油和原油的最佳波段组合。付玉慧等[6]通过原油、重柴油、轻柴油、润滑油和煤油溢油波谱特征测试分析，绘制各油种不同厚度时光谱特征曲线图，筛选出各种油膜不同厚度时的最佳卫星通道组合与增强处理模式。陆应诚等[7]结合海面甚薄油膜光谱响应特征分析，指出海面甚薄油膜存在平行多光束干涉现象，入射到薄膜内的光由于多次反射和折射导致了海面可见光/近红外光谱反射率的增加，为海面甚薄油膜遥感探测提供了理论依据。李颖等[8]通过测量海水、碎冰、整冰等不同背景条件下轻柴油和原油油膜的可见光一近红外光谱反射率曲线，并与洁净的海水、碎冰和平整冰光谱曲线进行比较，得到能有效识别冰区溢油的波段。

由于油膜厚度在实验过程难以精确控制，本文通过改进实验方法，利用定量滴定和图像分割的方法，计算实验过程中的油膜厚度，通过油膜各波段的相关性分析，提取最相关谱段，开展油膜厚度与其光谱相关模型的研究。

2 油膜实验

2.1 油样数据

通过国家海洋局海洋溢油鉴别与损害评估技术重点实验室的油指纹库获得原油油样，样品按照实验室规定利用棕色瓶，封装冷藏保存。样品为重质油，分析其气相色谱图得知，正构烷烃已被严重降解。

2.2 实验设备

ASD(350～2 500 nm)光谱仪，笔记本电脑1台，1 mL注射器多支，相机，探头支架，灰板，黑色棉布，不沾油桶5个，水桶1个(图1)。

图1 油膜光谱采集实验设备

2.3 实验方案

本课题中油膜光谱实验在自然光照条件下进行，天气要求晴朗无云、无风、干燥，场地要求开阔、无遮挡物、无强反射体。

针对油膜重复滴入无法扩散的问题，改进实验方法，每次测量5组厚度油膜，利用注射器控制每次滴入桶内的油量，保证每次都是一次滴入，使油膜扩散后能形成较为连续且均匀的油膜。待静置一段时间后，基本无扩散处于稳定状态时，每5 min同时采集光谱和油膜分布图像，直至油膜完全处于均匀分布状态。采集完后，清洗不沾油桶，重复以上步骤，完成不同厚度油膜光谱数据采集。此实验过程能充分保证油膜的均匀连续性，且与滴入油量形成一一对应关系，通过图像处理完成油膜面积及厚度精确计算。

3 油膜厚度计算

为实现油膜实验厚度控制方法的优化，本研究在控制滴入油量的前提下，利用相机完成现场油膜扩散状态的记录，同步开展此状态下的光谱测量。筛选油膜停止扩散，处于稳定状态时的图像和同步光谱作为均匀厚度的可用实验数据。根据油膜与水体灰度阈值的不同，利用图像分割方法，实现油膜面积的相对准确计算，进而可求算出油膜厚度，根据油膜厚度对应的光谱数据分析光谱随厚度的变化情况。

以油样0.1 mL时测量结果为例，图2为相机原始记录相片，根据多幅照片比对，此时油膜已静置较长时间，基本不再扩散，处于稳定状态，油膜分布较为均匀，但并未覆盖整个桶口。

图2 油膜原始照片

对图像进行预处理得到图3所示结果，去除桶口外其他因素的影响，只留下桶口内图像。

图3 照片初次处理后结果

油膜直方图分布如图4所示，可看出，同口内灰度分布成像双峰的特点，油膜像元占有较大比例，故油膜灰度处在后峰值处，前峰值为水体本底灰度分布区域，设置阈值为130，利用单阈值分割方法实现油膜提取，得到分割结果见图5。

图4 油膜直方图

图5 油膜照片分割后结果

由(2)步骤中可以获得油膜与桶口像素的比例关系k，直桶口直径为d，根据每次滴入桶内油滴的体积v可以计算出光谱测量是桶内油膜的厚度h为S桶=π(d/2)2；S油膜=kS桶；h=v/S油膜

利用以上方法计算19次滴入油量所对应的厚度(如表1)，由于实验用不沾油桶口面积固定，油膜厚度与滴入油量呈现较强的线性关系，如图6所示，分析油量与厚度的相关性可知，其复相关系数R2=0.908 7，可以认为利用图像分割的方法能较真实地计算油膜扩散后的厚度。

表1 油膜厚度计算结果

序号桶口像素/个油膜像素/个分割阈值比值桶口实际面积/cm2油量/mL油膜厚度/μm1218236619030161050.87165.130.053.472241090420933931150.87165.130.106.973285321623951401250.84165.130.107.214266952721566151150.81165.130.107.50

续表

图6 滴入油量与油膜厚度相关性分析

4 油膜厚度与光谱相关性分析

4.1 光谱特征

处理后的油样光谱曲线如图7所示，从图中可看出，油膜光谱在350～900 nm范围内较为平滑，数据质量较好，在1 000 nm以后的波长范围内光谱由于受到大气、水汽等影响，油膜光谱数据质量较差，在1 400～1 500 nm以及1 800～2 000 nm处受水汽影响，整个光谱出现较大波动，此处为典型的水汽吸收波段。在可见光波段内，由于受本底水体光谱的影响，油膜反射率呈随波长增加逐渐减小趋势。各厚度油膜光谱在761 nm处发现有异常峰值存在，实验发现水体光谱并不存在此突起，表明此处可以作为判断油膜存在以及油膜厚度反演的敏感波段。

图7 实验油样不同厚度油膜光谱分布

4.2 相关性分析

图8为油膜厚度与各波段光谱之间的相关系数，900 nm之前具有较好的相关性且为正相关，在600～800 nm之间相关性达到最高。波长在900 nm 之后油膜厚度与其光谱无明显相关性。

图8 实验油样各油膜厚度与光谱相关性

选择油样光谱中的红光中心波段645 nm处以及红光与近红外交界处761 nm波段完成模型建立，如图9和图10所示。利用2次、3次多项式可以较好地拟合这2个波段光谱与油膜厚度的相互关系，复相关系数R2=0.830 2(645 nm)和R2=0.812 1(761 nm)。

图9 645 nm波长光谱与油膜厚度相关性模型

图10 761 nm波长光谱与油膜厚度相关性模型

5 结论

改进油膜光谱实验中的布油方式，利用定量滴定和图像分割的方法，能够有效地解决油膜厚度难以精确控制的问题，分析可知，其可信度较高。基于此方法分析实验原油油膜厚度与其光谱相关性可知，此油样在可见光波段具有较高的相关性，利用相关性较好的645 nm以及761 nm波段建立油膜厚度与反射光谱的相关模型，能够清晰地显示油膜厚度与光谱之间的相互关系，为后续遥感方法溢油量反演提供可信的参考。

[1] PALMER D， BOASTED G A.BOXALL S R. The second thematic conference on remote sensing for marine and coastal environments：needs solutions and applications[J]. ERIM Conferences，Ann Arbor，1994：546-558．

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[4] 赵冬至，从丕福.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.

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[6] 付玉慧，李栖筠，张宝茹.海洋溢油光谱分析与卫星信息提取[J].遥感学报，12(6)：1010-1016．

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国家海洋局北海分局科技项目“海面油膜厚度与其光谱特征的相关性分析(2013A01)”；海洋工程和海上溢油生态补偿/赔偿关键技术研究示范项目(201105006)；国家海洋局海洋公益性行业科研专项经费资助项目“海洋溢油污染风险评估及应急响应关键技术集成及示范应用”(201205012).

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1005-9857(2015)07-0107-04