基于星载SAR影像的海面溢油业务化监测系统

丁 一，曹丛华，王 萍，王瑞富，徐江玲，黄 蕊，徐茂景，宋耀鑫

(1.国家海洋局北海预报中心，山东青岛 266061；2.山东省海洋生态环境与防灾减灾实验室，山东青岛 266061；3山东科技大学，山东青岛 266000)

基于星载SAR影像的海面溢油业务化监测系统

丁 一1，2，曹丛华1，2，王 萍3，王瑞富3，徐江玲1，2，黄 蕊1，2，徐茂景3，宋耀鑫3

(1.国家海洋局北海预报中心，山东青岛 266061；2.山东省海洋生态环境与防灾减灾实验室，山东青岛 266061；3山东科技大学，山东青岛 266000)

为提高溢油业务化监测精度和效率，基于海面油膜成像机理和检测难点，设计了海洋溢油业务化监测流程。研发了溢油SAR卫星遥感业务化监测系统，系统集成了SAR图像处理算法和暗区特征打分法，实现了SAR影像处理、溢油信息提取和溢油监测报告制作等功能。系统已应用到业务化监测中，可为溢油应急处置提供决策支持。

海洋溢油；SAR；监测系统

0 引言

随着经济快速发展，我国加快了对近海石油的开发和进口，海洋突发性溢油事故时有发生。2011年蓬莱19－3油田溢油事故给海洋生态环境带来了巨大灾难[1]。溢油事故发生后，迅速开展溢油监测，及时掌握油膜位置和分布状况，是制定科学溢油处置方案和降低溢油灾害损失的基础。

溢油SAR卫星遥感监测具有全天时、全天候、大范围同步的优势，在溢油应急监测中发挥越来越大的作用。国外20世纪90年代初期利用统计分类[2]、神经网络[3]等方法开展SAR卫星影像溢油检测研究。其中挪威、加拿大、法国等国家都研发了溢油SAR卫星遥感监测系统[4－5]。本世纪初国内学者开始SAR影像溢油检测研究，如梁小祎，邹亚荣等利用纹理分析[6－7]，原君娜、韩吉衢等利用多特征参数[8－9]等方法开展SAR卫星影像溢油检测研究，研究成果大都没有应用到业务化监测中。仅国家卫星海洋应用中心研发的溢油遥感监测业务化系统于2007年投入运行。系统可处理欧洲太空局Envisat ASAR影像和加拿大Radarsat－1卫星SAR图像资料，辅助开展溢油信息提取，形成溢油监测报告[5]。

本文以北海区溢油SAR卫星遥感监测工作需求出发，利用RS和GIS等技术，设计研发能处理多源SAR卫星影像的溢油监测系统，系统导入风、流等海洋环境信息，辅助溢油信息检测，能有效区分油膜和类油膜，从而提高溢油信息解译准确度。可支持 Envisat、Radarsat－2、Cosmo-Skymed、TerraSAR四种星源SAR影像，具有海洋环境信息导入、SAR卫星影像处理、油膜识别、溢油监测快报制作等功能。通过系统研发，集成溢油SAR卫星遥感业务化监测流程，以期提高溢油监测的准确性和效率，为溢油事故应急处置提供更好的技术支持。

1 溢油检测系统设计

1.1 监测流程

SAR卫星遥感利用海面油膜改变海水表面的散射特性来监测溢油。海面油膜可改变海面粗糙度，阻尼海水的短表面波对入射电磁波的Bragg散射作用，使其在SAR图像上呈暗色调[10]。通常在3～10m/s中等风速条件下，SAR可以检测到海面油膜。除海面油膜外，海洋中还存在着一些抑制短表面波产生暗区的现象，通常称为“类油膜”，对溢油检测造成很大干扰，如低风区、油脂状海冰、大雨区、海洋内波、锋面、船舶尾迹等等[11]。

为减少“类油膜”干扰，综合风场流场海洋环境信息和平台、航道、管线、岸线等基础地理信息开展油膜识别。流程包括三个步骤(见图1):第一，SAR影像预处理和暗区提取，该操作的主要目的是把图像中的所有暗区都提取出来，暗区包括油膜和类油膜。第二，溢油信息提取，综合利用环境信息和基础地理信息开展区分油膜和类油膜，并判断溢油来源。第三，制作溢油监测成果，包括影像图、解译图和监测快报制作。

图1 溢油业务化监测流程图Fig.1 Flowchartofoilspilloperational monitoringsystem

1.2 关键技术

1.2.1 暗区提取

溢油信息提取技术包括SAR影像处理和溢油信息提取。SAR影像处理是油膜的面积和位置精确提取的保证，包括SAR卫星影像辐射校正、影像滤波、几何纠正、影像分割等功能，基于GDAL1.8和C＋＋实现。GDAL1.8组件实现SAR卫星数据及其元数据读取，C＋＋实现影像处理功能。其中，影像分割采用固定阈值和自适应阈值两种分割方法。固定阈值分割方法是根据油膜后向散射值经验范围进行分割。自适应阈值方法采用最大类间方差法，同时因整景影像范围大导致不同区域暗区后向散射差别较大，系统中采用影像分块自动阈值分割，默认分块为2×2，也可按照影像范围大小设置分块大小n×n，以保证准确地分割出所需暗区。

1.2.2 溢油信息提取

溢油信息提取分为溢油识别和溢油来源判断。系统根据暗区空间位置、几何特征两方面属性并参考风场、流场等海洋环境因素来识别油膜。几何和空间特征包括面积、面积周长比、与岸线、与平台、与船舶、与航道距离6种，按照打分规则(见表1)结合风流场信息，将暗区分为疑似油膜和非油膜。其中疑似油膜按照分数分为高、中、低三个置信等级。疑似油膜利用北海预报中心溢油溯源系统计算其先前多个时刻位置，然后结合平台、输油管线、航道等信息判断其来源。

表1 油膜特征打分规则Tab.1 TheScoringruleoftheoilfilmcharacteristics

1.3 系统架构与功能设计

1.3.1 系统架构

卫星溢油遥感监测系统采用C/S架构进行设计和开发，系统架构分为三层(见图2)，分别是数据层、功能层和用户层。数据层包括SAR卫星数据、基础地理信息、海洋风、流场数据等。功能层集成了数据管理、SAR卫星数据处理、溢油信息提取、制图和快报输出以及系统设计共5个模块。

图2 溢油卫星遥感监测系统结构Fig.2 Structureoftheoilspillsatelliteremotesensing monitoringsystem

1.3.2 系统功能设计

根据溢油信息提取业务化流程，溢油SAR卫星遥感溢油业务化监测系统设计了数据管理模块、图像处理模块、溢油信息提取模块、快报制作模块和系统设置五个功能模块(见图3)。数据管理模块包括栅格影像图、矢量、地图文档打开和另存功能，流场、风场导入和显示；图像处理模块包括辐射定标、滤波、几何校正、分割、形态学处理和栅格矢量化。在处理流程上设计两种操作方式，分步操作和一键处理。其中，一键处理方式是把上述功能集成起来，每步处理所用的参数一次性设置好，然后一步完成所有的操作。溢油信息提取模块包括溢油信息提取、油膜结果导出、油膜边界点导出和暗区透明设置；快报制作模块包括影像图、解译图和监测快报制作功能；系统设置模块能控制工具栏、图层、状态栏、编辑工具条、鹰眼等工具的显示和隐藏。工具栏包括放大、缩小、全景、回退等浏览操作；状态栏能显示当前鼠标位置的WGS84经纬度坐标和高斯投影坐标、当前视图比例尺；编辑工具包括多边形编辑、添加等功能。

图3 系统功能模块Fig.3 Functionmodulesofthesystem

2 溢油监测系统的实现

基于溢油SAR卫星影像遥感监测方法和流程，应用VS.NET3.5、ArcEngine9.3和GDAL1.8研发的溢油业务化SAR卫星遥感监测系统(如图4)。系统主要包括风场流场导入功能、SAR卫星影像处理、溢油信息提取和结果输出等操作流程。

风场流场导入，每天早6点中心高性能服务器通过ftp形式将风场流场数据自动推送到系统运行机器，系统运行机器接收完后，自动将数据转换成.shp数据，以备用户溢油信息提取时参考。

图像处理过程有一键处理和分步操作(见图6)两种方式。一键处理方式是把图像处理功能集成起来，一次性设置好输入输出影像和每步处理所用的参数，中间不需人工干预便可一步完成所有图像处理过程。

信息提取过程，打开几何纠正后图像、分割结果矢量，其上叠加显示风流场信息，岸线、平台、港口和航道等基础地理信息，参考各暗区属性，进行综合分析各暗区所代表的现象，最终识别出是溢油的暗区(见图7)。

图4 系统主界面Fig.4 Maininterfaceofthesystem

图5 风场和流场显示Fig.5 Displaysofthewindandflowfields

结果输出包括影像图、解译图和快报制作三个内容。影像图和解译图制图范围定义有三种方式:按影像图范围、手动拉框和手工输入四角坐标，用户选择一种方式确定制图范围，系统便可按照用户定义的范围，根据定义的规则添加地理网格、比例尺等制图要素，并自动获取影像数据源、成像时间，自动绘制出美观、规范的图件。快报制作按照溢油SAR卫星遥感监测快报模版，自动添加影像图、解译图、修改快报制作时间、数据源、SAR影像成像时间，信息解译人员辅助修改溢油图斑描述的相关信息、值班员和审核员(见图8)。

本系统已经成功应用到北海区溢油业务化监测中，系统应用之前，溢油SAR卫星遥感业务化监测需要应用 ENVI、ArcGIS Desktop、Microsoft OfficeWord等多个软件，溢油信息提取依靠人工提取油膜边界，油膜面积误差较大，溢油信息提取值班耗时约1h。系统应用后，提高油膜面积提取精度，同时提高了工作效率。

图6 图像一键处理界面Fig.6 Interfaceofimageone-keyprocessing

图7 溢油信息提取和导出Fig.7 Extractionandexportofoilspillinformation

图8 溢油SAR卫星遥感监测快报Fig.8 SARsatelliteremotesensingmonitoringreportforoilspill

3 结语

本文根据溢油信息识别的难点，设计研发了溢油业务化监测系统。系统将风场、流场海洋环境数据转化为GIS识别格式，实现了风场和流场环境信息叠加到影像图上，方便了溢油信息提取时参考海洋环境信息。系统集成暗区几何形状、空间位置特征打分溢油信息识别法，能提高溢油信息识别的准确性。

系统集成整套溢油业务化监测流程，包括SAR卫星影像图像处理、溢油信息识别和来源判断以及溢油监测报告制作，使整个业务监测工作更简单高效。且图像处理部分设计了“一键”处理功能，减少人机交互，提高了效率。

系统提供的监测结果可为溢油事故管理和应急指挥部门提供及时准确的溢油位置和面积信息，为其科学组织人力、物力开展溢油回收和处置提供技术支持。若在溢油信息识别模块增加纹理、灰度、梯度等特征信息，则能进一步提高溢油识别的准确度。

[1] 中国新闻网.蓬莱19－3油田溢油事故调查处理报告发布[EB/OL].[2012－06－21].http:// www.chinanews.com/gn/2012/06－21/39804043. shtm l

[2] K. Weisteen， A. Solberg， and R. Solberg. Detection of oil spills in SAR images using a statistical classification scheme[C].in Proc.IEEE Symp.Geosci.Remote Sensing(IGARSS).Tokyo，1993:943－945.

[3] K.Topouzelis V.Karathanassi P.Pavlakis D. Rokos. Detection and discrimination between oil spills and look-alike phenomena through neural networks[J].ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing，2007，62(4):264－270.

[4] Antonio Martinez and Victoriano Moreno.An oil spill monitoring system based on SAR images[J].Spill Science and Technology Bulletin，1997，3(1):65－71.

[5] 国家卫星海洋应用中心，中国海监总队.海上溢油卫星遥感监测技术培训[Z]2009，7.

[6] 梁小祎，张杰，孟俊敏.溢油SAR图像分类中的纹理特征选择[J].海洋科学进展，2007，25(3): 346－354.

[7] 邹亚荣，林明森，马腾波，等.基于GLCM的SAR溢油纹理特征分析[J].海洋通报，2010，29(4): 455－458.

[8] 原君娜，邵芸，田维，等.利用SAR图像识别海面油膜的方法介绍[J].遥感技术与应用，2010，1:97－101.

[9] 韩吉衢，孟俊敏，赵俊生.海洋溢油合成孔径雷达图像特征提取及其关键度分析[J].海洋学报(中文版)，2013，35(1):85－93.

[10] Christopher R.Jackson John R.Apel.Heidi A. Espedal.Synthetic Aperture Radar Marine User’s Manual.Chapter 11—Oils and Surfactants[M]. Werner A lpers.2004:263－276.

[11] Espedal，H.A.Detection ofoilspilland natural film in the marine environment by spaceborne synthetic aperture radar[D].PhD thesis，Department of Physics University of Bergen and Nansen Environment and Remote Sensing Center，Norway，1998.

Sea Surface Oil Spill Operational M onitoring System Based on Spaceborne SAR im ages

Ding Yi1，2，Cao Conghua1，2，Wang Ping3，Wang Ruifu3，Xu Jiangling1，2，Huang Rui1，2，Xu Maojing3，Song Yaoxin3
(1.North China Sea Marine Forecasting Center of SOA，Qingdao 266033；2.Shandong Provincial Laboratory ofMarine Ecology and Environment＆Disaster Prevention and Mitigation，Qingdao 266033；3 Shandong university of Science and Technology，Qingdao 266000)

To improve the monitoring accuracy and efficiency for oil spill，the oil spill extraction workflow of spaceborne SAR images was designed based on the sea surface oil film imaging mechanism and the detecting difficulties.Moreover，North China Sea oil spillmonitoring system was developed，which integrated the SAR image processing and scoring rules of the dark area feature.Hence，the system includes threemain functions:SAR images processing，oil information extraction and oil monitoring result document generation.Besides，the system has been applied into the operational work，which can provide the technology support for the oil spill emergency response.

marine oil spill；SAR；monitoring system

X

:A

:1673－8047(2015)02－0055－06

2014－12－31

国家海洋局海洋溢油鉴别与损害评估技术重点实验室开放研究基金(201021)

:丁一(1979—)，男，硕士，工程师，主要从事海洋遥感研究和应用。