一、引 言

水面溢油的種類識(shí)別和定量分析是環(huán)保領(lǐng)域備受關(guān)注的課題，其主要任務(wù)是在湖泊或近海區(qū)域表面發(fā)生船舶或油田事故后，監(jiān)測(cè)是否有危害水體生態(tài)環(huán)境的石油類污染物溢出，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)溢油災(zāi)害的動(dòng)態(tài)發(fā)展和防治有著深遠(yuǎn)的意義。在水面上有溢油災(zāi)害發(fā)生時(shí)，油膜會(huì)均勻覆蓋于水面，不同種類的油品或者同一油品不同厚度的油膜對(duì)射向其的光束的反射或者吸收響應(yīng)特征亦有所差異，光譜技術(shù)就是對(duì)溢油目標(biāo)對(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)特征定量化分析。在光譜分析常用的可見光、近紅外波段內(nèi)，太陽(yáng)光照射在覆蓋有油膜的水面時(shí)存在反射、折射和吸收三種物理現(xiàn)象，而光譜探測(cè)傳感器所接收的數(shù)據(jù)主要來(lái)自油膜表面的反射，不同類別的石油類產(chǎn)品在水面形成油膜后對(duì)光線的反射率具有差異性，反映在傳感器接受的數(shù)據(jù)里就是不同的油膜目標(biāo)的反射率有所差異，據(jù)此可對(duì)水面油膜進(jìn)行光譜維度的分析研究。

本文圍繞水面溢油監(jiān)測(cè)，用地物光譜儀進(jìn)行了野外環(huán)境下的南湖光譜采集實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)后獲得了多個(gè)厚度下的水面油膜反射率數(shù)據(jù)。通過(guò)軟件擬合獲得了不同厚度下的油膜和反射率函數(shù)關(guān)系，通過(guò)代表擬合程度的相關(guān)系數(shù)證明了通過(guò)反射率厚度擬合判斷油膜厚度的可行性。

二、光譜形成方式

當(dāng)水面有諸如石油類液體污染物覆蓋時(shí)，電磁波在覆蓋有油膜的水面發(fā)生光學(xué)反射現(xiàn)象。反射的光透過(guò)大氣進(jìn)入地物光譜儀的采集視野，依次經(jīng)過(guò)掃描鏡和物鏡后進(jìn)入地物光譜儀的光學(xué)模塊，入射狹縫的存在使得進(jìn)入物鏡的光能夠做到有選擇性的僅掃描水面的待測(cè)目標(biāo)，而避免了能降低光譜數(shù)據(jù)采集精度的其它干擾目標(biāo)反射光進(jìn)入采集系統(tǒng)。油膜目標(biāo)反射光經(jīng)入射狹縫進(jìn)入具有色散功能的棱鏡模塊上，將會(huì)在輸出端按照光譜完成色散，之后再經(jīng)會(huì)聚鏡頭把色散的像投在光譜形成的焦平面上。最后由焦平面處安置的線陣或者面陣探測(cè)元器件接受并完成油膜反射出的光學(xué)信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)變過(guò)程。

數(shù)據(jù)處理與分析

3.1輻射矯正

光譜儀在采集光譜數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)受像地形、大氣環(huán)境、采集方法和采集位置等諸多因素影響，所以會(huì)造成獲得的原始水上油膜光譜和實(shí)際的有些許差別之處，使得無(wú)法從光譜數(shù)據(jù)分析中獲得符合實(shí)際的油膜厚度和反射率的數(shù)學(xué)函數(shù)規(guī)律。所以需要對(duì)原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即進(jìn)行油膜光譜數(shù)據(jù)的重建，這一過(guò)程體現(xiàn)在把光譜儀傳感器測(cè)得的原始油膜輻照亮度值轉(zhuǎn)化為油膜光譜的反射率值。

光譜儀光譜數(shù)據(jù)被采集之前以電磁波的形式按照?qǐng)D2-1中路徑傳播。

圖2-1傳播路徑

油膜光譜數(shù)據(jù)重建過(guò)程如下圖2-2所示。

圖2-2重建過(guò)程

野外水面油膜光譜測(cè)量與數(shù)據(jù)反演

4.1輻射矯正

水面潤(rùn)滑油油膜光譜測(cè)量過(guò)程中每次添加的油量以5ml為單位，利用容量為10ml注射器向水面均勻逐滴加入實(shí)驗(yàn)用油，每次滴完后靜止10min，以保證油膜完全散開均勻覆蓋于水面。油膜光譜測(cè)量之前對(duì)地物光譜儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置為自動(dòng)進(jìn)行暗電流校正，測(cè)量過(guò)程之中每次向水面添加油時(shí)，再進(jìn)行一次校正優(yōu)化；油膜光譜測(cè)量時(shí)，保持地物光譜儀的光譜采集探頭距觀測(cè)水面20cm向下。地物光譜儀的光纖擺放位置如圖4-1所示。

圖4-1光譜儀光纖探頭擺放位置

圖4-1中地物光譜儀的觀測(cè)平面和太陽(yáng)入射平面夾角設(shè)置為90°的原因是此角度下的天空光分布最為均勻。避免了太陽(yáng)光光線直射時(shí)，輻照亮度值過(guò)高的問(wèn)題，保證測(cè)量的油膜光譜反射率數(shù)值與實(shí)際值基本保持一致。實(shí)驗(yàn)共測(cè)量9組厚度數(shù)據(jù)，分別為清水，5ml油量、10ml油量、15ml油量、20ml油量、25ml油量、30ml油量，35ml油量，40ml油量，每組重復(fù)測(cè)量5次。測(cè)量完成后，將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中，用軟件剔除異常曲線，求取每組正常光譜數(shù)據(jù)的平均值，并進(jìn)行不同油量下的反射率曲線的繪制。

4.2油膜光譜采集結(jié)果與數(shù)據(jù)反演

在340~1000nm范圍內(nèi)，不同油量下的光譜反射率曲線如圖4-2至4-10所示

由不同油量下的光譜反射率曲線圖可以看出光譜反射率特征主要集中在可見光和近紅外電磁波波段范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)油膜厚度與反射率較強(qiáng)的函數(shù)關(guān)系。所以論文的油膜反射率分析主要在340~1000nm光譜范圍內(nèi)進(jìn)行。

根據(jù)滴入油的體積計(jì)算油膜所形成的厚度，計(jì)算公式如下：

計(jì)算所得每組實(shí)驗(yàn)所加油量和油膜厚度對(duì)應(yīng)如下表4-1所示。

表4-1不同油量對(duì)應(yīng)的油膜厚度

前7組反射率曲線對(duì)比如圖4-11所示。

圖4-11前七組不同厚度下的油膜光譜曲線對(duì)比

從圖4-11可知，在340~1000nm波段范圍內(nèi)油膜反射率的曲線形狀大體與水體反射率曲線相似，但反射率值相比無(wú)油膜的水體在綠光波段和紅光波段較高，隨著油膜厚度的遞增，反射率亦逐漸增大。與無(wú)油膜的水面相比，含油膜的水面在560nm附近的反射峰較大。如圖4-12所示，當(dāng)厚度增加到238.73μm后，再繼續(xù)增加油膜厚度，反射率就開始下降，但是值仍舊高于水體反射率。

圖4-12后三組不同厚度下的油膜光譜曲線對(duì)比

由圖4-11可知，隨著油膜厚度的增加但還沒(méi)增加到238.73μm時(shí)，藍(lán)光、綠光波段范圍內(nèi)的反射率值是逐漸遞增的，為了獲得遞增的規(guī)律，選擇藍(lán)光波段的480nm和綠光波段的550nm兩處反射率數(shù)值作為著重研究分析的對(duì)象。提取的相關(guān)反射率數(shù)據(jù)如下表4-2所示：

表4-2反射率數(shù)值

用軟件進(jìn)行擬合過(guò)程，最后得到的480nm和550nm處的反射率‐厚度擬合曲線如圖4-13和圖4-14所示。

圖4-13480nm處油膜厚度-反射率擬合曲線

圖4-14550nm處油膜厚度-反射率擬合曲線

由圖中的曲線可知在480nm和550nm的兩個(gè)典型波長(zhǎng)處，實(shí)驗(yàn)中油膜的反射率與其厚度有較強(qiáng)的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，通過(guò)擬合得知指數(shù)函數(shù)關(guān)系分別為：

480nm處：

550nm處：

表明擬合相符程度的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2分別為:0.9802（480nm處）和0.9921（550nm處）。反射率—厚度曲線擬合表明：在以480nm為中心的藍(lán)光波段內(nèi)具有較高的曲線擬合精度，在以550nm為中心的綠光波段內(nèi)具有非常高的曲線擬合精度。擬合結(jié)果證明了在藍(lán)光波段和綠光波段內(nèi)，由水面潤(rùn)滑油油膜的厚度造成的反射率數(shù)值差異性表現(xiàn)明顯。由于在可見光波段內(nèi)，水面上油膜對(duì)入射光線的反射能力較強(qiáng)，結(jié)合本章函數(shù)擬合的結(jié)果，藍(lán)光波段和綠光波段可選做為水面較薄溢油油膜的厚度研究分析的特征波段，并且可以得出用光譜反射率數(shù)據(jù)反演分析水面溢油油膜厚度的方法是可行的。

五、結(jié)論

本文主要研究了水面溢油監(jiān)測(cè)中水面油膜厚度識(shí)別的問(wèn)題。

本文圍繞水面溢油監(jiān)測(cè)，用地物光譜儀在野外環(huán)境下的南湖光譜做采集實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)后獲得了多個(gè)厚度下的水面油膜反射率數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)了野外水面油膜光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)，獲得了反射率變化趨勢(shì)的“分水嶺”，即反射率從增加趨勢(shì)改變?yōu)榻档挖厔?shì)的油膜厚度值，在油膜小于238.73μm時(shí)，反射率數(shù)值隨厚度增加而增大，在此厚度之后，反射率朝相反的趨勢(shì)變化，用軟件擬合后，獲得了符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的油膜厚度-反射率函數(shù)關(guān)系。

把函數(shù)數(shù)值擬合的方法引入光譜數(shù)據(jù)反演分析之中，構(gòu)成了新的水面溢油油膜的監(jiān)測(cè)方法，該方法克服了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法中受光譜分辨率影響較大、需事先了解測(cè)量地點(diǎn)的氣象參數(shù)、易受假目標(biāo)干擾，大大節(jié)省了水面溢油油膜光譜分析的處理步驟，有效提高了水面溢油監(jiān)測(cè)的精度和效率。

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審核編輯 黃宇