油膜熱紅外發(fā)射率光譜特征演示課件

1、1海面油膜熱紅外發(fā)射率光譜特征研究2匯報主要內(nèi)容匯報主要內(nèi)容 引言引言 海面油膜熱紅外光譜特征實驗海面油膜熱紅外光譜特征實驗 實驗結(jié)果及分析實驗結(jié)果及分析34研究意義研究意義 海海上上溢油溢油對海洋生態(tài)環(huán)境的影響具有對海洋生態(tài)環(huán)境的影響具有危危害大害大、范圍廣范圍廣和和頻率高頻率高的特點。的特點。同時，同時，溢溢油事故油事故容易導致大范圍容易導致大范圍火災火災，對來往船舶，對來往船舶海上設施具有巨大的威脅。海上設施具有巨大的威脅。 因此，開展快速有效的海上溢油監(jiān)測對因此，開展快速有效的海上溢油監(jiān)測對污染處理污染處理以及以及海洋生態(tài)環(huán)境恢復海洋生態(tài)環(huán)境恢復都有重要都有重要的意義的意義5國內(nèi)外研究

2、現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀研究人員研究內(nèi)容taylor（1992）對原油光譜進行了實驗室和現(xiàn)場觀測與研究，并取得良好的實驗結(jié)果。salisbury（1993）利用遙感手段研究了海上原油油膜的熱紅外波段監(jiān)測敏感性。solberg（2004）對sar半自動和自動監(jiān)測海洋溢油進行了深入的研究。foudan等（2005）利用高光譜數(shù)據(jù)，使用光譜角分類方法對圣巴巴拉海岸帶海面油膜進行研究，結(jié)果表明分散的石油在580nm、700nm具有反射峰。adado（2006）結(jié)合modis、meris數(shù)據(jù)監(jiān)測溢油并且對其漂移速度進行估計。6國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀研究人員研究內(nèi)容李四海（2004）海上溢油在可見光、紅外

3、、紫外光學遙感器、微波輻射計、雷達、激光熒光器和油層厚度探測器等幾種溢油遙感探測器的探測原理、能力及應用狀況。陳輝等（2009）分析利用多光譜信息分析研究溢油在各個波段的特征，為可見光近紅外波段遙感監(jiān)測溢油提供參考。曲海超（2010）采用圖像的紋理特征，結(jié)合支持向量機分類算法提取海上溢油信息。張煜洲等（2013）介紹遙感監(jiān)測海上溢油范圍發(fā)展，介紹利用遙感監(jiān)測溢油量與溢油類型的流程。 綜上，綜上，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，海面溢油海面溢油污染監(jiān)測在污染監(jiān)測在可見光和近紅外可見光和近紅外，多多/高光譜高光譜，微波雷達微波雷達等諸多遙感技術(shù)取得了許多可喜的成果，但對海面油膜等諸多遙感技

4、術(shù)取得了許多可喜的成果，但對海面油膜熱紅外熱紅外光譜特征研究光譜特征研究甚少甚少。此外，早期的研究針對此外，早期的研究針對厚油膜厚油膜的研究較多的研究較多，厚油膜對入射光具有較強吸收、低厚油膜對入射光具有較強吸收、低穿透性、低反射性等特點，因而其反射率光譜形態(tài)單一，光譜特征比較穩(wěn)定。隨著對穿透性、低反射性等特點，因而其反射率光譜形態(tài)單一，光譜特征比較穩(wěn)定。隨著對海面油膜認知的深入研究，需要分析海面油膜認知的深入研究，需要分析海面油膜厚度變化的光譜特征海面油膜厚度變化的光譜特征，為海面薄油膜的，為海面薄油膜的識別識別，正確識別，正確識別溢油范圍溢油范圍，估算，估算溢油量溢油量提供技術(shù)支持。提供技

5、術(shù)支持。7熱紅外探測海面溢油熱紅外探測海面溢油優(yōu)勢優(yōu)勢 晴空天氣條件下，晴空天氣條件下，熱紅外熱紅外可以進行可以進行全天時全天時探測，時間適用性要優(yōu)于探測，時間適用性要優(yōu)于可見光可見光光譜探測光譜探測； 海表溫度海表溫度的的熱輻射峰值熱輻射峰值位于位于熱紅外熱紅外譜段，譜段，較較中波紅外中波紅外（3-5m），熱紅外（），熱紅外（8-14m）能更好地探測海表及油膜的輻射特征能更好地探測海表及油膜的輻射特征； 微波雷達微波雷達技術(shù)較適用于探測溢油技術(shù)較適用于探測溢油范圍范圍和和面面積積，對溢油，對溢油油膜厚度油膜厚度的識別難度較大，而的識別難度較大，而包括熱紅外在內(nèi)的光學遙感技術(shù)在油膜厚包括熱紅外

6、在內(nèi)的光學遙感技術(shù)在油膜厚度探測方面具有較大潛力度探測方面具有較大潛力。8 發(fā)射率發(fā)射率是物體在是物體在指定溫度指定溫度時的時的輻射能輻射能與與同溫度同溫度黑體輻射能黑體輻射能的的比值比值。 假設在常溫范圍內(nèi)（假設在常溫范圍內(nèi)（260k320k），物），物體的發(fā)射率與溫度無關(guān)，僅與材質(zhì)屬性及體的發(fā)射率與溫度無關(guān)，僅與材質(zhì)屬性及波長相關(guān)。波長相關(guān)。 基于此假設，本研究設計了基于此假設，本研究設計了海海面油膜熱紅外光譜特征實驗面油膜熱紅外光譜特征實驗，分析海面油，分析海面油膜厚度變化的熱紅外光譜特征。膜厚度變化的熱紅外光譜特征。9海面油膜熱紅外光譜特征實驗海面油膜熱紅外光譜特征實驗 實驗材料及場地

7、實驗材料及場地 實驗儀器實驗儀器 實驗實驗過程過程 實驗實驗原理原理10實驗材料及場地實驗材料及場地 實驗材料：實驗材料： 選用的是選用的是勝利油田孤島勝利油田孤島采油廠獲取的原油樣品與采油廠獲取的原油樣品與渤海渤海灣海水灣海水； 實驗實驗輔助材料輔助材料包括大燒杯包括大燒杯(容積容積2000ml，高度，高度15.5cm)、小燒杯小燒杯(容積容積50ml)、滴管、玻璃注射器及針頭等。、滴管、玻璃注射器及針頭等。 實驗場地：實驗場地： 東營東營渤海灣河口附近渤海灣河口附近（北緯（北緯372808.216，東經(jīng)，東經(jīng)1185610.037）海邊）海邊11實驗儀器實驗儀器102f 型便捷式傅里葉變換

8、紅外光譜儀型便捷式傅里葉變換紅外光譜儀 系統(tǒng)主要由一個微型系統(tǒng)主要由一個微型邁克爾遜干涉儀、輸入光邁克爾遜干涉儀、輸入光學件和紅外探測器、驅(qū)動學件和紅外探測器、驅(qū)動和采樣電子線路，嵌入式和采樣電子線路，嵌入式微型計算機、附件（三腳微型計算機、附件（三腳架、黑體、漫發(fā)射金板架、黑體、漫發(fā)射金板（發(fā)射率為（發(fā)射率為0.04）、液氮罐、）、液氮罐、充電電源、熱電偶溫度計）充電電源、熱電偶溫度計）等部分組成。儀器的內(nèi)附等部分組成。儀器的內(nèi)附微型計算機軟件系統(tǒng)采用微型計算機軟件系統(tǒng)采用在在 windows 2000運行方式，運行方式，光譜范圍光譜范圍 2-16m，光譜分，光譜分辨力辨力4cm-1，噪聲等

9、效溫差，噪聲等效溫差0.01k, 在在8-14m波譜范圍波譜范圍發(fā)射率測量精度小于發(fā)射率測量精度小于0.02。12實驗實驗過程過程 1）利用玻璃注射器）利用玻璃注射器滴入原油滴入原油樣品，滴入高樣品，滴入高度為度為2030cm； 2）每次每次滴入體積約滴入體積約0.25ml，形成油膜厚度，形成油膜厚度約約20m； 3）待）待油膜擴散油膜擴散靜止后，靜止后，測量測量容器中海水表容器中海水表面形成的油膜表面發(fā)射率；面形成的油膜表面發(fā)射率； 4）用）用手動普朗克擬合方式手動普朗克擬合方式對所測得的發(fā)射對所測得的發(fā)射率曲線進行擬合，輸入通過率曲線進行擬合，輸入通過輻亮度擬合得輻亮度擬合得到的樣品溫度到

10、的樣品溫度，擬合后得到，擬合后得到油膜的發(fā)射率油膜的發(fā)射率曲線曲線。 不斷重復以上操作，共不斷重復以上操作，共20次次13熱紅外發(fā)射率光譜測量原理熱紅外發(fā)射率光譜測量原理 在在814m熱紅外光譜范圍內(nèi)，假定地熱紅外光譜范圍內(nèi)，假定地表為朗伯表面，大氣下行熱輻射各向同性，表為朗伯表面，大氣下行熱輻射各向同性，紅外光譜儀傳感器所接收到的光譜輻射紅外光譜儀傳感器所接收到的光譜輻射主主要包括三部分：要包括三部分： 第一部分為第一部分為地物目標發(fā)射的熱輻射地物目標發(fā)射的熱輻射，其，其大小由物體表面溫度和發(fā)射率及目標與傳大小由物體表面溫度和發(fā)射率及目標與傳感器之間的大氣透過率決定；感器之間的大氣透過率決定

11、； 第二部分為地物目標對大氣下行輻射、第二部分為地物目標對大氣下行輻射、環(huán)境背景輻射和太陽入射中的熱輻射部分環(huán)境背景輻射和太陽入射中的熱輻射部分的的總輻射量的反射輻射總輻射量的反射輻射, 通常情況下太陽入通常情況下太陽入射中的熱輻射部分忽略不計；射中的熱輻射部分忽略不計； 第三部分為地物目標與傳感器之間的第三部分為地物目標與傳感器之間的大大氣上行輻射氣上行輻射, 它與大氣中吸收氣體的含量和它與大氣中吸收氣體的含量和物理狀態(tài)有關(guān)。物理狀態(tài)有關(guān)。14 利用利用102f紅外光譜儀進行目標測定時，傳感器在溫度紅外光譜儀進行目標測定時，傳感器在溫度為為ts 時接收到的時接收到的總的輻射亮度總的輻射亮度可

12、以表達為：可以表達為： 15 依據(jù)依據(jù)modtran模式的模擬結(jié)果模式的模擬結(jié)果，對上式，對上式進一步進一步簡化簡化： 通過通過雙溫黑體法雙溫黑體法消除儀器響應和自身噪消除儀器響應和自身噪聲，聲，經(jīng)進一步化簡、近似，得到經(jīng)進一步化簡、近似，得到可得可得地物地物光譜比輻射率光譜比輻射率：16光譜平滑迭代法光譜平滑迭代法 基本思想：對于高光譜數(shù)據(jù)基本思想：對于高光譜數(shù)據(jù)地物的發(fā)射率光譜地物的發(fā)射率光譜要比要比大大氣的下行輻射氣的下行輻射平滑得多，精確的平滑得多，精確的地表溫度地表溫度能夠很好地消除能夠很好地消除地表發(fā)射率光譜中的地表發(fā)射率光譜中的“噪聲噪聲”，得到一個較為平滑的地表，得到一個較為平

13、滑的地表發(fā)發(fā)射率光譜射率光譜。 過程：是首先過程：是首先給定一個地表溫度給定一個地表溫度初值初值，以初值為基礎，以初值為基礎，以一定的以一定的溫差間隔溫差間隔產(chǎn)生一個溫度分布范圍，計算每一個溫產(chǎn)生一個溫度分布范圍，計算每一個溫度對應的地表發(fā)射率曲線的度對應的地表發(fā)射率曲線的平滑度指數(shù)平滑度指數(shù)s。 尋找使得尋找使得平滑度指數(shù)平滑度指數(shù)s為最小為最小時地物發(fā)射率曲線對應時地物發(fā)射率曲線對應的溫度，將該溫度作為地表的的溫度，將該溫度作為地表的最佳估計溫度最佳估計溫度ts 。 17油膜厚度變化的發(fā)射率光譜原理油膜厚度變化的發(fā)射率光譜原理1819實驗結(jié)果及分析實驗結(jié)果及分析 本底海水發(fā)射率光譜特征本底

14、海水發(fā)射率光譜特征 油膜厚度變化的發(fā)射率光譜特征油膜厚度變化的發(fā)射率光譜特征20本底海水發(fā)射率光譜特征本底海水發(fā)射率光譜特征 上圖上圖為本次實驗測量的本底海水為本次實驗測量的本底海水發(fā)發(fā)射率光譜曲線射率光譜曲線，從圖中可以看出在，從圖中可以看出在811.6m范圍內(nèi)，本底海水發(fā)射率波動不范圍內(nèi)，本底海水發(fā)射率波動不大，比較平緩，基本在大，比較平緩，基本在0.94上下浮動，在上下浮動，在11.614m區(qū)間，發(fā)射率波動很大，呈現(xiàn)區(qū)間，發(fā)射率波動很大，呈現(xiàn)出不對稱雙峰特征，整體趨勢下降。出不對稱雙峰特征，整體趨勢下降。21油膜厚度變化的發(fā)射率光譜特征油膜厚度變化的發(fā)射率光譜特征88.28.48.68.

15、899.29.49.69.81010.2 10.4 10.6 10.81111.2 11.4 11.6 11.81212.2 12.4 12.6 12.81313.2 13.4 13.6 13.8140.60.620.640.660.680.70.720.740.760.780.80.820.840.860.880.90.920.940.960.981wavelength/memissivity sea wateroil 20moil 40moil 60moil 80moil 100moil 120moil 140moil 160moil 180moil 200moil 220moil 240

16、moil 260moil 280moil 300moil 320moil 340moil 360moil 380m12.55m12.2m11.72m13.48m13.8m22發(fā)射率光譜特征發(fā)射率光譜特征分析分析 （1）8m10m范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，海水海水與厚度為與厚度為20m的甚薄油膜的甚薄油膜存在較為存在較為穩(wěn)定的穩(wěn)定的發(fā)射率差發(fā)射率差異（約異（約0.05左右左右）； （2）10m13.5m范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，海水海水的發(fā)射率的發(fā)射率與與厚度在厚度在100m以上的油膜以上的油膜存在存在較大的較大的發(fā)發(fā)射率差異（最大可達到射率差異（最大可達到0.1以上），并且這以上），并且這種差異的程度隨波長變化產(chǎn)

17、生明顯波動；種差異的程度隨波長變化產(chǎn)生明顯波動； （3）8m11.72m范圍，油膜的發(fā)射率隨范圍，油膜的發(fā)射率隨著厚度的增加變化不大，在著厚度的增加變化不大，在11.72m14m波段范圍，發(fā)射率隨油膜厚度變化較大。波段范圍，發(fā)射率隨油膜厚度變化較大。在油膜厚度超過在油膜厚度超過120m后，油膜的發(fā)射率后，油膜的發(fā)射率曲線形狀基本維持穩(wěn)定，隨厚度產(chǎn)生的變曲線形狀基本維持穩(wěn)定，隨厚度產(chǎn)生的變化微小。在化微小。在11.72m、12.2m、12.55m、13.48m和和13.8m這幾個波長附近，油膜發(fā)這幾個波長附近，油膜發(fā)射率隨著油膜厚度的增加呈現(xiàn)出遞增或遞射率隨著油膜厚度的增加呈現(xiàn)出遞增或遞減，并且

18、幅度較大的變化。減，并且幅度較大的變化。23 （4）不考慮空間分辨率及探測器本身性能）不考慮空間分辨率及探測器本身性能等因素的影響，僅從等因素的影響，僅從通道特性通道特性的角度來分的角度來分析當前析當前典型熱紅外航天遙感載荷典型熱紅外航天遙感載荷對不同厚對不同厚度油膜的識別能力，計算各傳感器通道范度油膜的識別能力，計算各傳感器通道范圍內(nèi)的圍內(nèi)的等效發(fā)射率值等效發(fā)射率值： 24計算了計算了hj-1b irs，aster，avhrr 17，modis，landsat5 tm和和landsat7 etm+等等6個遙感器共個遙感器共12個不同熱紅外通道和海水的等效發(fā)射個不同熱紅外通道和海水的等效發(fā)射率

19、，結(jié)果表明：對于率，結(jié)果表明：對于不同的傳感器不同的傳感器不同熱紅外通道，其不同熱紅外通道，其等效發(fā)射率等效發(fā)射率與與海水通道等效發(fā)射率海水通道等效發(fā)射率的差值的差值相差較大相差較大。20406080100120140160180200220240260280300320340360380-0.12-0.11-0.1-0.09-0.08-0.07-0.06-0.05-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.030.040.050.060.07oil film thickness /mcontrast hj-1b irs4(10.512.5m)aster band 10(8.

20、1258.475m)aster band 11(8.4758.825m)aster band 12(8.9259.275m)aster band 13(10.2510.95m)aster band 14(10.9511.65m)avhrr 17 band 4(10.511.3m)avhrr 17 band 5(11.512.5m)modis band 31(10.7811.28m)modis band 32(11.7712.27m)landsat5 tm band 6(10.412.5m)landsat7 etm+ band 6(10.412.5m)25 原油油膜厚度與發(fā)射率光譜的相關(guān)性分析原

21、油油膜厚度與發(fā)射率光譜的相關(guān)性分析 88.28.48.68.899.29.49.69.81010.2 10.4 10.6 10.81111.2 11.4 11.6 11.81212.2 12.4 12.6 12.81313.2 13.4 13.6 13.814-1-0.8-0.5-0.300.3wavelength/mcorrelation coefficient 26 （5）油膜厚度與油膜發(fā)射率在）油膜厚度與油膜發(fā)射率在814m范圍內(nèi)的相關(guān)分析范圍內(nèi)的相關(guān)分析表明，表明， 在在8m11.7m波段范圍具有波段范圍具有高相關(guān)高相關(guān)性，其中性，其中11.04m附近的相關(guān)系數(shù)達到附近的相關(guān)系數(shù)達到-

22、0.879，在，在11.7m14m波波段范圍內(nèi)，與其厚度的段范圍內(nèi)，與其厚度的相關(guān)性變化較大相關(guān)性變化較大，相關(guān)系數(shù)變化范，相關(guān)系數(shù)變化范圍從圍從0.3 到到0.3之間，相關(guān)性較弱，但油膜的發(fā)射率明顯之間，相關(guān)性較弱，但油膜的發(fā)射率明顯低于本底海水的發(fā)射率。低于本底海水的發(fā)射率。27結(jié)結(jié) 論論 （1）海表油膜的）海表油膜的熱紅外發(fā)射率熱紅外發(fā)射率在在甚薄階甚薄階段段（20m120m）變化較大，在油膜厚度超）變化較大，在油膜厚度超過過120m后后，油膜的發(fā)射率，油膜的發(fā)射率曲線形狀基本曲線形狀基本維持穩(wěn)定維持穩(wěn)定，隨厚度產(chǎn)生的變化微小，表明，隨厚度產(chǎn)生的變化微小，表明利用利用熱紅外發(fā)射率能夠較好

23、的探測海表甚熱紅外發(fā)射率能夠較好的探測海表甚薄油膜薄油膜。 （2）8m10m和在和在13.2m14m波段范波段范圍內(nèi)，海水與厚度為圍內(nèi)，海水與厚度為20m的甚薄油膜存在的甚薄油膜存在較為穩(wěn)定的發(fā)射率差異，海水發(fā)射率低于較為穩(wěn)定的發(fā)射率差異，海水發(fā)射率低于20m厚度油膜發(fā)射率，利用厚度油膜發(fā)射率，利用該光譜范圍該光譜范圍內(nèi)內(nèi)的油膜發(fā)射率可以用來的油膜發(fā)射率可以用來探測探測20m的甚薄油的甚薄油膜膜；28 （3）在）在11.7m14m波段波段范圍內(nèi)，油膜發(fā)范圍內(nèi)，油膜發(fā)射率與其厚度的射率與其厚度的相關(guān)性波動大相關(guān)性波動大，相關(guān)性較相關(guān)性較弱弱，但油膜的發(fā)射率明顯低于本底海水的，但油膜的發(fā)射率明顯低

24、于本底海水的發(fā)射率，利用發(fā)射率，利用該光譜范圍該光譜范圍內(nèi)的油膜發(fā)射率內(nèi)的油膜發(fā)射率可以用來可以用來探測較薄油膜的有無探測較薄油膜的有無。 （4）在）在11.72m、12.2m、12.55m、13.48m和和13.8m這幾個波長附近，這幾個波長附近，油膜發(fā)油膜發(fā)射率隨著油膜厚度的增加呈現(xiàn)出遞增或遞射率隨著油膜厚度的增加呈現(xiàn)出遞增或遞減減，且變化幅度較大且變化幅度較大。油膜光譜發(fā)射率均。油膜光譜發(fā)射率均與油膜厚度呈很強的相關(guān)關(guān)系，利用這幾與油膜厚度呈很強的相關(guān)關(guān)系，利用這幾個波長附近譜段的發(fā)射率可以用來個波長附近譜段的發(fā)射率可以用來探測較探測較薄油膜的發(fā)射率光譜響應薄油膜的發(fā)射率光譜響應。88.

25、28.48.68.899.29.49.69.81010.2 10.4 10.6 10.81111.2 11.4 11.6 11.81212.2 12.4 12.6 12.81313.2 13.4 13.6 13.8140.60.620.640.660.680.70.720.740.760.780.80.820.840.860.880.90.920.940.960.981wavelength/memissivity sea wateroil 20moil 40moil 60moil 80moil 100moil 120moil 140moil 160moil 180moil 200moil 22

26、0moil 240moil 260moil 280moil 300moil 320moil 340moil 360moil 380m12.55m12.2m11.72m13.48m13.8m88.28.48.68.899.29.49.69.81010.2 10.4 10.6 10.81111.2 11.4 11.6 11.81212.2 12.4 12.6 12.81313.2 13.4 13.6 13.814-1-0.8-0.5-0.300.3wavelength/mcorrelation coefficient 29展望展望 本實驗為一種室內(nèi)實驗，未考慮到風、波浪等外界環(huán)境因素的影響，為一種