水面油污染物差分偏振光谱信号预处理算法研究

采用差分偏振光谱法在3～5μm波段对水面溢油污染物进行被动遥感时,所测差分偏振光谱是含有强大气吸收光谱信号与油污染物目标弱光谱信号的混合谱,这给油污染物光谱特征识别带来了困难。另外,受环境因素以及油膜自身张力影响,水面油膜厚度分布以及油膜表面粗糙度在测量过程中发生变化,从而使得连续测量的差分偏振光谱中油污染物光谱信息含量存在不同。利用这一特点,基于固定点迭代的快速主成分分析算法FastPCA设计了水面溢油污染物差分偏振光谱信号预处理算法。实验结果表明,该算法可以有效地将水面油污染物目标光谱特征信息从具有强大气吸收的混合差分偏振光谱信号中提取出来,通过光谱重构得到油污染物光谱特征信号,可用于进一步的定性、定量分析。     

多种薄油膜光谱反射率特性外场测试方法及结果分析

水面溢油机载航测工作需要以全面的溢油模拟目标的光谱反射率特性数据作为支撑,选择合适的工作波段,并通过获得的数据对溢油情况进行分析与判断。针对汽油、柴油、润滑油、煤油与原油五种目标样本,油膜从紫外波段到近红外波段进行了反射光谱测量,并将结果与相同实验环境下的水的反射光谱对比。实验结果表明油膜的光谱反射特性与油品类型以及油膜的厚度相关。不同种类的油膜在相同厚度的情况下,光谱反射率曲线的差异很大,而同一种类的油膜,随着油膜厚度的改变,光谱反射率曲线亦随之发生改变,因而就单一油膜而论,可以通过反射率曲线区分不同的油膜厚度。以相同的油膜厚度而论,柴油,煤油,润滑油在380 nm附近存在反射率峰值,与水的反射率差异明显,原油在大于340 nm波长的反射率远小于水,所得到的反射光谱能够在一定程度上区分不同类型油膜。实验涉及主要溢油油种,数据全面覆盖探测常用的光谱波段,定量化描述了油膜光谱反射率特性,为机载水面溢油探测工作的波段选择与水面溢油的早期发现与分析提供了全面的理论与数据支持。     

目标表面发射率对红外辐射偏振特性的影响分析

偏振探测不仅可以获得目标的光谱、强度、偏振态以及空间几何形状等参数,还可以获得更丰富的目标信息,有利于改善对目标的探测和识别能力。红外辐射偏振成像是近年来发展起来的一种新的红外探测技术,主要通过目标与场景的红外辐射偏振特性差异进行目标探测与识别。但由于红外辐射偏振信息在传输过程中,其偏振态会受到传输介质的影响,而通常基于实验分析总结目标红外偏振特性的方法难以对偏振传输过程中的影响因素进行估计,也不能定量描述各相关参数对于红外偏振信息的影响。通过微面元理论的双向反射分布函数模型,建立了基于偏振双向反射分布函数的红外辐射偏振传输方程, 推导分析了目标表面发射率对红外辐射偏振度的影响,结果表明：目标表面发射率对目标红外偏振度影响可以忽略;在理论分析基础上,有针对性的开展红外光谱偏振探测试验,试验数据分析与理论推导结论吻合。这表明：材料表面发射率的变化不影响目标表面的红外辐射偏振度。该研究成果有利于提高红外伪装探测的目标识别效率,可为进一步提高红外偏振成像系统的伪装目标探测提供新的途径和方法,如在伪装目标探测识别中,通过探测其表面的红外辐射偏振特性的改变实现伪装目标识别探测。     

海面油膜热红外发射率光谱特征研究（英文）

利用热红外遥感技术探测海面溢油存在能够全天时探测、更好地探测海表及油膜辐射特征和对油膜厚度的识别潜力较大等优势。而热红外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,在常温范围内,物体的发射率光谱与温度无关,仅与材质属性及波长相关。基于这一假设,以山东省东营市胜利油田孤岛采油厂获取的原油样品与渤海湾海水为材料,利用102F傅里叶变换热红外光谱辐射仪设计海面油膜发射率光谱实验,系统的测量分析了海面油膜随厚度连续变化过程中海面油膜发射率的变化特征与产生机理。结果表明,海表油膜的热红外发射率在甚薄阶段(20~120μm)变化较大,利用热红外发射率光谱能够较好的探测海表甚薄油膜;在8~10μm和在13.2~14μm波段范围内,海水与厚度为20μm的甚薄油膜存在较为稳定的发射率差异,利用该光谱范围内的油膜发射率可以用来探测20μm的甚薄油膜;在11.7~14μm波段范围内,油膜发射率与其厚度相关性小,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;在11.72,12.2,12.55,13.48和13.8μm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,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。     

受石油污染的农田土和湿地土的偏振光谱特征对比

遥感技术依据传感器所接收到的探测目标所反射或主动向外发射的电磁波特征进行地表物体的识别和研究,是一种重要的对地观测手段,其中光学遥感和热红外遥感是常用的遥感技术手段。偏振是一种常见的光学现象,在商业和科技领域有着广泛应用。经过数十年的发展,偏振光遥感已成为近年来受到广泛关注和应用的对地观测手段。传统的光学遥感依赖光强信息对地物进行探测和识别,所得的地物识别和信息提取结果往往不够全面,而利用偏振光信息可以弥补传统光学遥感方法的不足之处,人们可以从地物的偏振信息中得到其更重要的性质和特征。土壤是一种复杂的自然地理综合体,在生态系统中发挥着重要作用,因此土壤遥感能够在环境监测和污染治理方面发挥重要作用。在实验室条件下,洁净干燥土壤本身的光谱反射率没有明显的吸收谷和反射峰,而在自然条件下土壤的光谱特性与含水量、表面粗糙程度和有机质含量等因素有关。近年来许多研究发现,石油对土壤偏振光谱特性的影响十分显著,尤其在可见光-近红外波段,石油的偏振光谱响应十分明显,因此可以利用该现象并运用遥感技术大范围多时相地探测地表被石油污染的情况。许多研究发现石油的浓度和种类等因素能够影响土壤的偏振光谱特征,进一步...     

大气传输中红外偏振探测误差机理及校正

在红外偏振遥感探测系统中,目标的红外偏振特性受到大气环境因素的影响,其反演场景偏振参量会出现误差,因此,提出基于红外偏振传输理论的红外光谱偏振参量校正算法模型。通过分析大气辐射和传输特性,建立了大气有效透射率模型,研究了不同波段范围、大气环境、传输路径、温度等因素对有效透射率的影响,依据大气有效透射率模型校正偏振参量。实验分析表明,该校正算法模型有效抑制了大气传输对探测目标的红外偏振参量测量的影响,使得偏振参量能更准确地反映场景偏振特性,提高了红外遥感偏振的探测识别能力。     

水面原位多角度偏振反射率光谱特性分析与离水辐射提取

偏振被定义为光的振动方向对于传播方向的不对称性。偏振信息是遥感数据空间、辐射、光谱信息之外的又一重要信息。对于光学遥感数据来说,偏振信息是对光谱信息的又一种补充。偏振遥感在水体应用中具有巨大潜力,其中一个非常重要的应用就是校正天空光水面镜面反射,从而得到包含水中物质信息的离水辐射信号。太阳入射光会在水面发生反射或者与水体中颗粒物发生散射作用,使得离开水面被遥感器接收的信号具有很强的偏振特性。目前开展的水体偏振遥感实验要么面向室外自然光条件下的清洁海洋水体,要么面向室内人造光源条件下的模拟水体,鲜有面向自然光条件下的浑浊内陆水体。本文通过组合地物光谱仪和汤姆森偏振棱镜,实现了自然光条件下内陆水体水面原位偏振反射率光谱测量。利用获取的典型内陆水体水面多角度偏振反射率光谱,定量分析了多角度观测条件下水体偏振光谱特性,以及从水面偏振信号中消除天空光水面镜面反射从而得到离水辐射信号的效果。当观测方位角为135°、观测天顶角为53°时,采用偏振测量剥离水表天空反射光的剥离效率较好,推荐采用该观测几何进行水面偏振光谱观测。相比于传统的非偏振水面光谱测量方法,水面偏振光谱测量方法受气象条件变化影响小,能够更精确的提取离水辐射。     

海洋溢油模拟目标的紫外反射特性研究

海洋溢油是一种破坏性极大的海洋污染物,对它的监测一直是海洋遥感的重要内容之一, 通过反射率强弱来区分溢油区域和未污染海面即为常用的方法。文章针对海洋溢油的紫外反射特性展开研究,并建立了相应的光谱测量实验系统,选择合适的实验条件和环境后对海洋溢油的4种模拟目标(汽油、煤油、柴油、润滑油)的紫外波段反射光谱进行了测试。通过对实验数据的处理和分析,得到这4种模拟目标在紫外波段的反射特性,并和同样实验环境下测得的水反射特性进行了对比。实验结果表明,油膜在紫外波段的反射率和水存在较为明显的差异,差异值主要由油种和油膜厚度所决定。该实验方法同样适用于真实溢油目标,这为今后利用紫外波段对海洋溢油进行遥感监测积累了一定的理论和实验基础。     

傅里叶变换红外光谱法被动遥测大气中VOC

采用傅里叶变换红外光谱法(FTIR)对大气中挥发性有机物(VOC)进行了被动遥测实验,提出了在复杂背景下定量遥测污染气体光谱的算法,讨论了被动FTIR的探测极限。这种测量技术和数据分析方法可在不预先测量背景光谱的情况下得到目标气体柱数密度和目标气体等效辐射温度。     

海洋油膜偏振反射特性仿真与测试

为了海洋溢油的检测与识别,在偏振特性建模中综合考虑天空的偏振辐射、油膜表面的动态反射、接收探测器的姿态和性能,进行全数字仿真,开展外场动态水面的实测,进行油膜偏振半实物仿真,最后对海洋溢油进行了偏振测试与分析。试验结果表明：在区分油品方面,汽油和水的强度差值为29.33%,线偏振度差值为0.97%,二者结合可较好的分辨溢油。     

水中油对水体上行辐亮度光谱的影响

目前,学者主要关注利用遥感技术探测海面油膜。然而,经海洋物理过程或人为喷洒化学分散剂处理形成的水中油对海洋生境也具有危害作用。水体上行辐亮度是水色传感器的重要信号源,通过分析含油水体的上行辐亮度光谱特征,探索快速有效地遥测水中油的方法对保护海洋生境具有重要意义。基于大连港海域现场实测数据及Hydrolight模拟含油水体水下光场,通过分析上行辐亮度随波长、水深及太阳天顶角的变化特征,剖析水中油对上行辐亮度光谱的影响及水中油的敏感光谱特性。结果表明水中油的主要波谱响应区间位于可见光波段（380~760 nm）。随着水中油浓度的增加,上行辐亮度光谱峰值有逐渐向长波方向移动及蓝光波段辐亮度量值逐渐降低的趋势,这些变化处于水色遥感的探测光谱范畴,为利用水色遥感技术探测水中油提供了光谱依据。其次,上行辐亮度随水深逐级递减,并在接近水体下界面前不降反升的现象说明刚好在水面之上的上行辐亮度由各深度水体组分的后向散射及下界面的反射共同贡献,再经水汽界面上行透射而得,属于水体辐射传输的核心机理。这与水面油膜通过油类物质改变海表反射率而产生与自然海表不同反射光谱的探测机理具有本质上的差别。再者,与含水中油水体后向散射产生的上行辐亮度相比,海表对太阳光的反射属于强信号,会掩盖水体组分信息。水色卫星搭载的水色传感器具有一定的侧摆能力,能避开太阳辐射反射信号并接收到含水中油水体的上行辐亮度;水色卫星的当地过境时间一般为10至14点,且水色传感器具有高信噪比特征,满足含水中油水体的暗像元探测要求。该研究揭示了水色遥感探测含水中油水体的光谱和机理依据,表明可以视水中油为一种新的水体组分,基于光在水体中的辐射传输过程,开展含水中油水体的水色遥感反演研究。     

Radiometric Methods of Remote Sensing of Oil Spills on Water Surfaces

We present a comparative analysis of radiometric methods of remote sensing aimed at detecting and monitoring the parameters of oil spills on water surfaces. We consider the method of radio-brightness polarization contrasts and present the results of measuring the oil-film thickness on water, obtained using a two-frequency polarization radiometer with operating frequencies 12.2 and 34 GHz. The radiometric methods of radio-brightness contrasts and frequency scanning applied to the problems of remote sensing of oil-spill parameters are compared.     

基于偏振信息的遥感图像大气散射校正

大气散射严重影响了航空遥感图像的质量。为了提高航空遥感图像的识别能力,提出一种基于偏振信息的航空遥感图像大气散射校正方法。大气散射具有显著的偏振特性,而对于垂直探测的地物辐射信号偏振度非常低,该方法正是利用大气散射偏振特性与地物目标偏振特性的差别,从图像中提取地物目标辐射信息,从而提高遥感图像的质量。通过机载多波段偏振CCD相机获取航空偏振遥感图像数据,并采用一组443 nm波段的航空偏振图像数据进行图像大气散射校正实验,实验结果表明该方法能有效地进行航空遥感图像的大气散射校正,从而提高了航空遥感图像的识别能力。     

水体悬浮泥沙的偏振光谱特性研究

基于离水辐射的湖泊水体遥感通过反演与光谱关系密切的悬浮泥沙、浮游植物和黄色物质等要素的浓度来实现对水质状况的评估,然而由于湖泊水体的复杂性以及不同要素间的相互干扰,现有的基于反射率光谱的分析方法难以准确反演这些要素。从悬浮泥沙水体离水辐射的反射率、偏振光谱特性出发,给出敏感波段处悬浮泥沙浓度与反射率、偏振度之间的关系,比对了基于反射率以及基于偏振度的两种反演方法在实验室水体、巢湖水体中的应用效果。研究结果表明,在湖泊复杂水体条件下,水体的偏振信息具有比反射率更加良好的抗干扰能力,显示偏振度信息在湖泊水质遥感上存在着重要的应用潜力。     

雪的热辐射多角度偏振特性研究

针对现今遥感对地面目标自身热辐射偏振特性研究的需要,对雪的热辐射多角度偏振特性进行测量,分析探测天顶角、探测方位角、波段、偏振角四个因子对雪的热辐射特性的影响。结果表明：雪的辐射亮度和亮度温度均随探测天顶角的增大而增大,当探测天顶角＞30°时,增长速度加快,且探测天顶角对雪的亮度温度的影响较辐射亮度更为显著;探测方位角的变化对雪的辐射亮度和亮度温度有一定的影响,且对雪的亮度温度的影响较辐射亮度更为显著;波段的变化对雪的辐射亮度和亮度温度均有显著影响,相比而言,其对辐射亮度的影响更为显著;偏振角的变化对雪的辐射亮度和亮度温度有一定的影响,且对亮度温度的影响较辐射亮度较为显著。该研究成果为应用遥感技术开展雪的热红外定量研究提供了新的思路与方法,具有重要的理论意义和广阔的应用前景。     

海洋遥感偏振特性分布与偏振误差补偿方法

为了提高海洋水色卫星遥感的定量参数反演精度,确定入瞳处的偏振信号对传感器响应的影响逐渐受到重视。以Aqua-MODIS为例,分析了海洋卫星传感器大视场范围内的偏振特性分布,发现无论是大气程辐射还是考虑海表贡献的入瞳光,视场内偏振特性的变化与观测几何的变化密切相关。相比海表的偏振贡献而言,大气是偏振光的主要来源。在此基础上,研究了遥感器在不同偏振灵敏度条件下对入瞳处的偏振信号的响应以及由此引起的系统误差,发现只有当偏振灵敏度不超过2%时可以满足反演离水辐射产品的需要。提出了补偿大气偏振测量误差的方案,能够较好地提高卫星数据的利用率和遥感器的辐射测量精度。     

高光谱遥感分区混合端元提取计算海洋溢油覆盖度

溢油覆盖度的估测是海洋溢油探测与灾害评估的重要内容,受航空航天传感器地面分辨率的限制,准确探测溢油覆盖度比较困难。在海洋风浪及破碎波作用下,溢油往往呈条带状分布。获取的高光谱数据中存在大量的油、水混合像元;传统图像分割方式计算溢油面积存在偏差,且受传感器角度、高度等影响,光谱变异明显,传统端元提取方法很难找到纯像元光谱。提出了一种通过分区混合端元计算海洋溢油覆盖度的探测方法。首先对影像进行分区并使用N-FINDR算法进行端元预选;然后再利用独立分量分析（ICA）方法进行端元精选,按照负熵最大输出得到候选端元,并将地面同步参考光谱作为约束引入相似性溢油端元识别;最后基于非负矩阵分解方法(NMF)求取端元丰度,通过太阳耀斑区的修正,得到真实的溢油覆盖度。分区混合端元的提取较好的解决了全局端元变异及环境适应性差的问题,使精选后的端元具有更好的环境鲁棒性。为更好地衡量该算法精度,采用仿真数据与真实高光谱影像数据相结合进行实验验证。仿真实验中,人工设定溢油丰度,使用均方根误差（RMSE）和丰度估计误差对比评估估计丰度与设定丰度之间的差别,并设计了算法适应性和抗噪实验。结果表明采用MNF和ICA两种高光谱压缩方法,丰度估计误差均低于3%,重构图像的最小均方根误差RMSE最高为0.030 6,且具有较好的抗噪能力,验证了该算法的有效性。真实实验中,使用2011年山东长岛溢油8景机载高光谱影像数据为真实测试数据,由于真实遥感数据往往缺失地面同步丰度数据,导致对算法精度进行评价比较困难,使用仿真数据交互验证与目视解译数据相结合的方法进行精度评价,通过耀斑区修正后估测的机载高光谱成像总的溢油覆盖面积为1.17 km2,溢油覆盖度为22.85%,与现场人工估测面积偏差为2.15%,明显高于传统方法。受海洋破碎波、光谱变异性影响,和航空航天遥感器地面分辨率的限制,海洋溢油遥感中单个像元进行丰度解析是一个难题。基于亚像元丰度分解思想,讨论了海洋溢油覆盖度的问题,提出一种较为完善的海洋溢油覆盖度的计算办法,通过仿真数据和实际的高光谱溢油数据进行了方法的验证,实现了较为客观的自动化溢油覆盖度（丰度）探测方法,可以较为准确的估测海洋溢油的覆盖度,对溢油遥感面积的业务化探测具有积极意义。     

椭偏测量法的油膜紫外可见-近红外光谱光谱偏振特性研究

为实现水面溢油目标的偏振遥感,选择合适的波段和观测角度,需要油膜的光谱偏振特性数据作支撑。在实验室采用椭偏测量的方法,针对不同厚度机油油膜和纯净水作为背景样本,测量了不同观测角度下从紫外到近红外波段（270~900 nm）的镜面反射光谱偏振参数：辅助角ψ和相位差Δ,并对在相同条件下油和水的测量结果作对比。分析表明除布儒斯特角附近位置外,不同厚度的油膜与水的起偏特性在各观测角都存在差异。通过在45°入射角所测的ψ和Δ,得到水/油样本的光谱折射率和消光系数,水折射率经过偏移修正后,与Schiebener水折射率模型的标准差为3×10-5。根据之前得到的油/水参数,对油膜在水背景的物理现象作薄油膜理想介质层建模,用菲涅耳定律仿真自然光的镜面反射,发现在全观测波段相同入射光条件下油膜的反射光存在明显的偏振度（DOP）或偏振角（AOP）光谱偏振可观测性。模型与实际测量结果对比发现：在300~350 nm仿真结果和实际测量相符,油膜的反射光偏振性质趋近于油样本;在350~550 nm,油膜模型仿真结果比实验的干涉效应更明显,油膜实验数据表明其光谱起偏性质依然与油保持一致;在大于550 nm直到近红外波段,实验干涉效应开始显著。说明油膜比油有更强的散射或吸收特性,辨识参数得到油膜的消光系数存在不同于油的随波长先变小后变大的性质。总之,利用光谱椭偏测量方法,通过多波段、多角度测量,分析液体样本的光谱偏振特性和折射率等性质;偏振观测的恰当角度与油/水的布儒斯特角有关,在布鲁斯特角之外的位置观测,油膜的光谱椭偏角相较水都存在分辨能力;对小于200 μm的薄油膜近红外波段可重复性较差,而紫外和可见蓝紫波段相比之下有很好的可重复性和区分性,更适合于对甚薄油膜表面种类的遥感观测。该实验涉及的方法可以用于其他油种油膜的偏振光谱测量,实验数据为偏振遥感工作的波段选择与观测角度提供提供参考。