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1、海面油膜热红外发射率光谱特征研究,汇报主要内容,引言 海面油膜热红外光谱特征实验 实验结果及分析,研究意义,海上溢油对海洋生态环境的影响具有危害大、范围广和频率高的特点。同时，溢油事故容易导致大范围火灾，对来往船舶海上设施具有巨大的威胁。 因此，开展快速有效的海上溢油监测对污染处理以及海洋生态环境恢复都有重要的意义,国内外研究现状,国内外研究现状,综上，随着遥感技术的发展，海面溢油污染监测在可见光和近红外，多/高光谱，微波雷达等诸多遥感技术取得了许多可喜的成果，但对海面油膜热红外光谱特征研究甚少。此外，早期的研究针对厚油膜的研究较多，厚油膜对入射光具有较强吸收、低穿透性、低反射性等特点，因而其
2、反射率光谱形态单一，光谱特征比较稳定。随着对海面油膜认知的深入研究，需要分析海面油膜厚度变化的光谱特征，为海面薄油膜的识别，正确识别溢油范围，估算溢油量提供技术支持。,热红外探测海面溢油优势,晴空天气条件下，热红外可以进行全天时探测，时间适用性要优于可见光光谱探测； 海表温度的热辐射峰值位于热红外谱段，较中波红外（3-5m），热红外（8-14m）能更好地探测海表及油膜的辐射特征； 微波雷达技术较适用于探测溢油范围和面积，对溢油油膜厚度的识别难度较大，而包括热红外在内的光学遥感技术在油膜厚度探测方面具有较大潜力。,发射率是物体在指定温度时的辐射能与同温度黑体辐射能的比值。 假设在常温范围内（26
3、0K320K），物体的发射率与温度无关，仅与材质属性及波长相关。 基于此假设，本研究设计了海面油膜热红外光谱特征实验，分析海面油膜厚度变化的热红外光谱特征。,海面油膜热红外光谱特征实验,实验材料及场地 实验仪器 实验过程 实验原理,实验材料及场地,实验材料： 选用的是胜利油田孤岛采油厂获取的原油样品与渤海湾海水； 实验辅助材料包括大烧杯(容积2000mL，高度15.5cm)、小烧杯(容积50mL)、滴管、玻璃注射器及针头等。 实验场地： 东营渤海湾河口附近（北纬372808.216，东经1185610.037）海边,实验仪器,102F 型便捷式傅里叶变换红外光谱仪,系统主要由一个微型迈克尔逊干
4、涉仪、输入光学件和红外探测器、驱动和采样电子线路，嵌入式微型计算机、附件（三脚架、黑体、漫发射金板（发射率为0.04）、液氮罐、充电电源、热电偶温度计）等部分组成。仪器的内附微型计算机软件系统采用在 windows 2000运行方式，光谱范围 2-16m，光谱分辨力4cm-1，噪声等效温差0.01K, 在8-14m波谱范围发射率测量精度小于0.02。,实验过程,1）利用玻璃注射器滴入原油样品，滴入高度为2030cm； 2）每次滴入体积约0.25ml，形成油膜厚度约20m； 3）待油膜扩散静止后，测量容器中海水表面形成的油膜表面发射率； 4）用手动普朗克拟合方式对所测得的发射率曲线进行拟合，输入
5、通过辐亮度拟合得到的样品温度，拟合后得到油膜的发射率曲线。 不断重复以上操作，共20次,热红外发射率光谱测量原理,在814m热红外光谱范围内，假定地表为朗伯表面，大气下行热辐射各向同性，红外光谱仪传感器所接收到的光谱辐射主要包括三部分： 第一部分为地物目标发射的热辐射，其大小由物体表面温度和发射率及目标与传感器之间的大气透过率决定； 第二部分为地物目标对大气下行辐射、环境背景辐射和太阳入射中的热辐射部分的总辐射量的反射辐射, 通常情况下太阳入射中的热辐射部分忽略不计； 第三部分为地物目标与传感器之间的大气上行辐射, 它与大气中吸收气体的含量和物理状态有关。,利用102F红外光谱仪进行目标测定时
6、，传感器在温度为Ts 时接收到的总的辐射亮度可以表达为：,依据MODTRAN模式的模拟结果，对上式进一步简化： 通过双温黑体法消除仪器响应和自身噪声，经进一步化简、近似，得到可得地物光谱比辐射率：,光谱平滑迭代法,基本思想：对于高光谱数据地物的发射率光谱要比大气的下行辐射平滑得多，精确的地表温度能够很好地消除地表发射率光谱中的“噪声”，得到一个较为平滑的地表发射率光谱。 过程：是首先给定一个地表温度初值，以初值为基础，以一定的温差间隔产生一个温度分布范围，计算每一个温度对应的地表发射率曲线的平滑度指数S。 寻找使得平滑度指数S为最小时地物发射率曲线对应的温度，将该温度作为地表的最佳估计温度Ts
7、 。,油膜厚度变化的发射率光谱原理,实验结果及分析,本底海水发射率光谱特征 油膜厚度变化的发射率光谱特征,本底海水发射率光谱特征,上图为本次实验测量的本底海水发射率光谱曲线，从图中可以看出在811.6m范围内，本底海水发射率波动不大，比较平缓，基本在0.94上下浮动，在11.614m区间，发射率波动很大，呈现出不对称双峰特征，整体趋势下降。,油膜厚度变化的发射率光谱特征,发射率光谱特征分析,（1）8m10m范围内，海水与厚度为20m的甚薄油膜存在较为稳定的发射率差异（约0.05左右）； （2）10m13.5m范围内，海水的发射率与厚度在100m以上的油膜存在较大的发射率差异（最大可达到0.1以
8、上），并且这种差异的程度随波长变化产生明显波动； （3）8m11.72m范围，油膜的发射率随着厚度的增加变化不大，在11.72m14m波段范围，发射率随油膜厚度变化较大。在油膜厚度超过120m后，油膜的发射率曲线形状基本维持稳定，随厚度产生的变化微小。在11.72m、12.2m、12.55m、13.48m和13.8m这几个波长附近，油膜发射率随着油膜厚度的增加呈现出递增或递减，并且幅度较大的变化。,（4）不考虑空间分辨率及探测器本身性能等因素的影响，仅从通道特性的角度来分析当前典型热红外航天遥感载荷对不同厚度油膜的识别能力，计算各传感器通道范围内的等效发射率值：,计算了HJ-1B IRS，AS
9、TER，AVHRR 17，MODIS，Landsat5 TM和Landsat7 ETM+等6个遥感器共12个不同热红外通道和海水的等效发射率，结果表明：对于不同的传感器不同热红外通道，其等效发射率与海水通道等效发射率的差值相差较大。,原油油膜厚度与发射率光谱的相关性分析,（5）油膜厚度与油膜发射率在814m范围内的相关分析表明， 在8m11.7m波段范围具有高相关性，其中11.04m附近的相关系数达到-0.879，在11.7m14m波段范围内，与其厚度的相关性变化较大，相关系数变化范围从0.3 到0.3之间，相关性较弱，但油膜的发射率明显低于本底海水的发射率。,结 论,（1）海表油膜的热红外发
10、射率在甚薄阶段（20m120m）变化较大，在油膜厚度超过120m后，油膜的发射率曲线形状基本维持稳定，随厚度产生的变化微小，表明利用热红外发射率能够较好的探测海表甚薄油膜。 （2）8m10m和在13.2m14m波段范围内，海水与厚度为20m的甚薄油膜存在较为稳定的发射率差异，海水发射率低于20m厚度油膜发射率，利用该光谱范围内的油膜发射率可以用来探测20m的甚薄油膜；,（3）在11.7m14m波段范围内，油膜发射率与其厚度的相关性波动大，相关性较弱，但油膜的发射率明显低于本底海水的发射率，利用该光谱范围内的油膜发射率可以用来探测较薄油膜的有无。 （4）在11.72m、12.2m、12.55m、
11、13.48m和13.8m这几个波长附近，油膜发射率随着油膜厚度的增加呈现出递增或递减，且变化幅度较大。油膜光谱发射率均与油膜厚度呈很强的相关关系，利用这几个波长附近谱段的发射率可以用来探测较薄油膜的发射率光谱响应。,展望,本实验为一种室内实验，未考虑到风、波浪等外界环境因素的影响，为一种理想化的模型，但可为油膜厚度的监测提供参考。今后在研究中需加入外界环境因素。 正确识别溢油范围，估算油膜厚度，计算溢油量是当今利用溢油监测的难点问题，需要结合多种手段（如SAR、高光谱等）进行监测。,参考文献,1张煜洲, 陈志莉, 胡潭高, 等. 遥感技术监测海上溢油现状及趋势 J. 杭州师范大学学报(自然科学
12、版), 2013,12(1): 81-88. 2陆应诚, 陈君颖, 包颖, 等. 基于 HJ-1 星 CCD 数据的溢油遥感特性分析与信息提取J. 中国科学: 信息科学, 2011. 3袁越明, 熊伟, 方勇华, 等. 差分偏振FTIR光谱法探测水面溢油污染 J. 光谱学与光谱分析, 2010, 30(8): 2129-2132. 4张煜洲, 陈志莉, 胡潭高, 等. 遥感技术监测海上溢油现状及趋势 J. 杭州师范大学学报(自然科学版), 2013,12(1): 81-88. 5袁越明, 熊伟, 方勇华, 等. 差分偏振FTIR光谱法探测水面溢油污染 J. 光谱学与光谱分析, 2010, 30
13、(8): 2129-2132. 6 Lu Y C, Tian Q J, Li X. The remote sensing inversion theory of offshore oil slick thickness based on a two-beam interference modelJ. Science China Earth Sciences, 2011, 54(5): 678-685. 7 Lu Y, Tian Q, Wang X, et al. Determining oil slick thickness using hyperspectral remote sensing in the Bohai Sea of China J. International Journal of Digital Earth, 2013, 6(1): 76-93.,谢谢! 请老师和同学们批评指正,