引 言
　　每年海洋水体都遭受着大量来自轮船排污 运油船只泄漏等污染人类生存的最后一片净土正受到威胁 因此及时获 取 海 洋 表 面 油 膜 信 息 对 保 护 海 洋环境降低打捞成本以及保护全球生态环境具有重要意义 合 成 孔 径 雷 达 由 于 其 全 天 时 全 天候覆盖面积大等优点应用于海洋表面油膜监测 利于及时发现溢 油对 保 护 海 洋 环 境 全球生态环境具有重要意义 油膜对海洋表面波具有抑制和平滑作用导致 接收到的后向散射回波减弱反 映 在图 像 上 油 膜 区 域 表 现 为 暗 色 斑 块 特 征 星 载已经广泛应用于油膜污染的信 息 获 取 如 挪 威的 成 功 地 应 用等卫星数据找到可能存在溢油的地点
　　图像油膜应用一般 包 括 油 膜 检 测油 膜 特征提取以及 油 膜 目 标 的 区 分 其 中油 膜 目 标 区分的目的是区分矿物油膜和似油膜 产生矿物油膜的来源包括船只 精炼厂油港工业工厂石油平台的排放和泄露以及海底渗漏的石油等 似油 膜 指在 图像上与矿物油膜同样表现为暗色区域 但实际不是矿物油膜造成的一些现象 如生物油膜由鱼类和一些藻类植物分泌的有机物质形成的表面油膜 低风速区等 本文的主要目的是区分矿物油膜和生物油膜 基 于 单 极 化 灰 度 图 像 的 强 度信息和暗区的形状进行油膜区分存在许多困难 而使用多极化信息进行区分则提供了较好的可能
　　年 等 进 行 了 多 波 段 多 极 化的油膜区分研究但只是得到了多波段区分油膜的结论并未 研 究 如 何 利 用 多 极 化 进 行 油 膜 区 分年 等 认 为 在 某 些 情 况 下 可 以 用 极 化 分解的方法区分矿物油膜和生物油膜 此后学者们提出基于 矩阵 基于共极化相位差 基于极化度 等方法区 分 矿 物 油 膜 和 生 物 油 膜 但 是 基 于矩阵的方 法 受 噪 声 影 响 太 大 基 于 共 极 化 相位差的方法对于已有的 油膜数据不完全适用而基于极化度的方法比较复杂
　　本 文 分 析 了 数 据 矿 物 油 膜 和 生 物 油 膜第 卷 第 期年 月遥 感 技 术 与 应 用后向散射系数的 极 化 比 提出一种基于交叉极化比的油膜区分方法 并 用 多极化数据验证了该方法的有效性 本文是第一次提出用基于极化比的方法区分油膜的 此方法是极化 在海洋的一个应用
　　基于交叉极化比的矿物油膜和生物油膜的区分方法
　　海洋 表 面 后 向 散 射 系 数 由 波和非 波 引 起 因 此总的海面后向散射系数可以表示为其中其 中 表示极化方式 或 表示 散 射 为 雷 达 入 射 角 为 波 数为依赖于入射角的系数 为海面波高的波数谱 为雷达方位向和风向的 夹 角 为 几 何系 数 为调制 波长波斜率的平方均值 非波分量 由镜面反射 和破碎波浪反射组成在海面后向散射系数表达式中 海 洋 表 面 油 膜对 具有强烈的 抑 制 作 用 系 数 和 仅 仅依赖于入射角的变 化 矿物油膜和生物油膜对长波的斜率 和非 波分量的 镜 面 反 射 以 及 破碎波浪反射 影 响 很 小在 这 里 可 以 忽 略 从 而 海洋表面油膜对后向散射 系 数 的 影 响 体 现 为 对波分量 的抑制 海洋 表 面 油 膜 抑 制 后 向 散射的 波 分 量 而 非 波 分 量 保 持 不 变 以及矿物油膜和生物油膜的 波分量的抑制大小不同由此分析 极化和 极化海洋表面油膜对海洋表面后向散 射 系 数 的 影 响找到区分矿物油膜和生物油膜的特征量定义油膜对海面的衰减为其中 表示极 化 方 式 为 油 膜矿 物 油 膜 或 生 物油膜区 域 的 海 面 后 向 散 射 系 数 为 无 油 膜 区域的海面后向散射系数定义 对 的极化比为定义基于交叉极化比 的 特 征 量 油 膜 区 域 的极化比和 无油膜区域的极化比 为则本 节列举了 幅 油膜图像图和图 对和 进行分析其中图 和 中的暗色区域是矿物油膜图 和 中的暗色区域是油醇膜 其为油醇所形成的单分子表面膜可以模拟生物油膜 这些油膜数据的详细信息如表 所示表 给出了 幅矿物油膜和 幅油醇膜图像和 的值从油膜区域和非油膜区域各选择一块数据进行 计 算 其 中矿 物 油 膜 均 值 分 别 为和 均值分别为 和 油醇膜 均值分 别为 和 均值分别为 和 通过比较得出矿物 油 膜 和 油 醇 膜 和 差 的 绝 对值 相差较大表 因而可以通过比较 和 区分矿物油膜和生物油膜图 矿 物 油 膜 的 极 化 图 像图 油 醇 膜 的 极 化 图 像遥 感 技 术 与 应 用 第 卷表 波 段 数 据 表文 中 编 号 编 号 时 间 波 段 地 区 油 膜 类 型 均 值 均 值图 波 段 阿 尔 及 利 亚 矿 物 油 膜图 波 段 英 吉 利 海 峡 矿 物 油 膜图 波 段 太 平 洋 日 本 油 醇 膜图 波 段 太 平 洋 日 本 油 醇 膜根 据 表 的 分 析 结 果 当 表 示 矿 物 油 膜 时的 值 接 近 当 表 示 油 醇 膜时 的值 高 于 因 此给 出 矿 物 油 膜与生物油膜的区分方法当 值为 时判定为矿物油膜 为常数此时可利用已有数据求出 值定义判定准则如式 所示当 时 取值为 当时 取值为 值的选取准则为使得式 的值最小把表 中相应的 和 的值代入式 得到随 值的变化如图 所示当 值最小时 值大约为 因此式 中 取为图 给出了油膜检测的流程图其 中 油 膜 检 测算法和油膜特征提取在文献 中已有详细的介绍这里不再赘述实验验证在本节中选取另外 幅 多 极 化 数 据 包括 幅矿物油膜和 幅 数据对本文提出的油膜区分方法进行验证分析 实验结果如表 所示图 值 随 变 化 曲 线图 油膜检测流程图表 方法验证数据表编 号 时 间 类 型 和 波 段 油 膜 类 型 均 值 均 值 区 分 结 果波 段 矿 物 油 膜 矿 物 油 膜波 段 矿 物 油 膜 矿 物 油 膜波 段 油 醇 膜 生 物 油 膜波 段 油 醇 膜 生 物 油 膜矿物油膜实验实验 中 数据获取的时间为 年 月日 编 号 地 点 为 德 国北海风速 为 低 到 中 等 如 图 所 示可 以 看 到极化图中存 在 块 油 膜分 别 在 每 块 油 膜 的 左方存在一个亮点 这 个亮点即为排放废油的船只用图 的 多 极 化 数 据 进 行 式 所 示 的 油 膜 区分计算得到 和 的均值并对整幅图进行极化比的处理 结 果 如 图 所 示 对 比 发现已经无法分辨出油膜与周围海面的差别即 油 膜第 期 段 冰等基于交叉极化比的 图像矿物油膜与生物油膜的区分方法区域 的值直接计算得到的平均值为 对 整幅图进行处理后的平均灰度值为 接 近 周 围海面无油膜区域 的 值直 接 计 算 得 到 的 平 均 值为 对整幅图进行处理后的平均灰度值为此时 所 以 判 定 为 矿 物 油膜 图 白色矩形框中的舰船在此处理结果图像中表现为暗色 其值要低于周围海面图 矿物油膜和计算结果图像实验 中 数 据 获 取 的 时 间 为 年月 日 编 号 地 点 为 德国 北 海当 时 风 速 为 低 到 中 等 风 速 如 图 所示在 的 极化图中可以清楚地看到一块油膜 对图 的多极 化 数 据 进 行 油 膜 区 分得 到结果如图 所 示与 实 验 处 理 方 法 一 致 可以看到处理结 果 与 图 相 同即 油 膜 区 域 的值平均灰度值为 接 近 周 围 海 面 的 值平均灰度值为 此 时 所 以 判定为矿物油膜图 矿物油膜和计算结果图像生物油膜实验实验 中 数据获取的时间为 年 月日 编 号 地 点 为 日 本附 近海域风速为 如图 所示在的 极 化 图 中 可 以 看 到 一 块 暗 色 区 域油醇膜 对图 的 多 极 化 数 据 进 行 油 膜 区 分得到结果如图 所 示与 实 验 处 理 方 法 一 致可以看到 处 理 结 果 与 矿 物 油 膜 的 两 个 结 果 都 不 相同在 区域 的值平均灰度值为 明显 高 于 周 围 海 面 的 值平 均 灰 度 值 为此时 所以 判定为生物油膜图 油醇膜和计算结果图像实验 中 数据获取的时间为 年 月日 编 号 地 点 为 日 本附 近海域风速为 如图 所示在的 极化图中可以看到一块暗色区域对图 的多极化数据 进 行 油 膜 区 分得 到 结 果 如图 所 示与 实 验 处 理 方 法 一 致 可 以 看 到在 区 域 的 值平 均 灰 度 值 为 明 显高于周围 海 面 的 值平 均 灰 度 值 为 此时 所以 判定为生物油膜图 油醇膜和计算结果图像
　　结 语
　　海洋表面矿物油膜 生物油膜都会导致 图像上出现暗区利 用 后 向 散 射 系 数 的 差 异 可 以 检 测暗区但是仅仅用 单 极 化 灰 度 图 像 的 强 度 信 息 和 暗区的形状无法分辨其是油膜还是似油膜 本文提出一种基于交叉极化比的区分矿物油膜和生物油膜的遥 感 技 术 与 应 用 第 卷方法并用 多 极 化 数 据 验 证 所 提 出 的方法能够应用于区分油膜和生物油膜 基于极化比区分油膜的方法是极化 在海洋中的一个应用与已有的区分方法相比本文方法简单有效 由于数据集的限制本文只 验 证 了 该 方 法 对 波 段数据的 有 效 性 未 来 将 基 于 其 他 数 据 源 如和 的 全 极 化 数 据 验 证 此 方 法 的 有 效性以及进一步区分矿物油膜和低风速区
    参 考 文 献薛浩洁种劲松 图像海洋表面油膜检测方法 遥感技术与应用第 期 段 冰等基于交叉极化比的 图像矿物油膜与生物油膜的区分方法