水表薄油膜厚度的辐射传输模型及遥感估算研究

发布时间：2020-11-10 00:12

　　 水表薄油膜厚度遥感定量研究对于监测海上石油渗漏、估测水表溢油量范围有着重要的意义。当前水表油膜遥感常用直接统计关系模式估算水表油膜厚度信息,算法简单、稳定性差、物理机理不明确。由于海上近岸水体组分物质的多样性引起的其光学性质复杂化导致水表油膜遥感检测方法呈现出很强的区域性,在建立水表油膜厚度遥感估算模式时要深入了解当地水体环境背景和水表油膜的光学性质及其相互关系。为更加准确的估算水表油膜厚度信息需要更深入的了解油膜和水体各组分的光学特性和光学辐射在水中的辐射传输问题,以及基于高光谱数据的水表油膜厚度探测业务化运行中的波段选择和精度保证问题提供理论与实验基础。本研究基于以上目的,选择渤海辽东湾海域为研究区,通过大量的室内纯水实验和实地水体光学调查分析,初步探讨了水表油膜厚度估算问题。 本文以水表薄油膜厚度辐射传输模型的构建为主线,从光学辐射在水表油膜层中和水下光场中的衰减、散射过程的角度来系统分析研究水表油膜遥感检测中的厚度估算问题,以获取水表油膜厚度变化与油膜固有光学特性,尤其是和整个水体组分物质固有光学特性的相互关系和影响规律。并通过对油膜与水色组分光学参数研究、水表油膜厚度的辐射传输模型的研究和油膜厚度的半分析算法研究这样三个层次来展开分析。主要得到的研究结论和成果有： (1)根据水色辐射传输理论,建立了水上薄油膜辐射传输参数化模型,模拟了不同油膜厚度条件下总遥感反射率光谱的变化趋势,分析了模型应用边界条件问题。通过从Onmm到120nmm的油膜厚度变化的模拟,水体反射率分别在纯水和高浑浊水体的环境中在可见光波段能下降75%和50%的幅度,呈负指数幅度下降,油膜的衰减效应大于其散射效应,表明水表的油膜探测集中在短波蓝光波段较为有利。通过对叶绿素和悬浮物质的不同浓度条件下的反射率光谱模拟效果看,模型的主要适用范围在于叶绿素、悬浮物质浓度为中、低浓度的条件下效果较好,高浓度下的水体组分光学参数难以获取。 (2)进行了室内纯水背景下的薄油膜光谱采集实验,研究了纯水环境下油膜遥感优化探测波段和估算算法。研究指出近红外光谱区间(450-800nm)为油膜的敏感反射光谱响应波段,建立的模型在油膜厚度低于lμm的范围内适应性比较好,油层厚度增厚时,可见光波段的辐射不能穿透油膜表明而使油膜光谱信号出现过饱和状态,使得估算精度不理想。选择相关系数较高的薄油膜厚度敏感波段进行了统计回归算法和半分析算法对比验证,比较统计和半分析估算算法的结果表明：纯水环境下,利用可见光/近红外光谱范围的波段(500nm和580nm)分别进行统计回归估算油膜厚度的方法能获得较好的精度,其采用单波段和双波段比值模型的估算值与实际值的复相关系数R2分别可以达到0.94和0.96；而采用拉凡格氏法(Levenberg-Marquardt)半分析算法进行估算的光谱曲线能较好的保留实测光谱的光谱形态,其计算结果和实测值的复相关系数达到0.98,较经验统计算法稳定,对于不同水域的油膜厚度的估算具有更好的通用性和可对比性。 (3)在水表油膜辐射传输理论模型的基础上,利用拉凡格氏法(Levenberg-Marquardt)迭代计算方法对辽东湾海域水表油膜浓度进行了估算。结果表明,半分析算法计算出的总遥感反射率曲线和实测光谱非常接近。对反演结果和实测浓度数据进行对比分析表明,油膜和悬浮物的浓度估算精度在总体上较高,而叶绿素物质的浓度估算在高浓度区域精度较低,其估算值较实际值相对低一些。悬浮物浓度的平均误差是21.8%,叶绿素浓度的平均误差是42.5%,油膜物质浓度估算的平均误差是17.8%。选择579nm波段为主要特征波段,分别拟合固有光学参数与表观光学参数以及水表油膜浓度之间的函数关系式,最终实现水表油膜表观光学参量与浓度的遥感反演。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：TP79;X834
【部分图文】：

图2.1研究区范围图F一92.1maPofstudyarea2.2薄油膜物理、化学性质石油是地球在其形成的不同历史时期，由植物或动物等有机物残骸生成的包含碳氢化合物的混合化合物l8v]。原油因产地的不同颜色非常丰富，有墨绿、红、黑、县至透明，原油中胶质、沥青质的含量越高，它的颜色就越深。原油的密度一般}丁以达到0.89，/cl。3一1.09/cm3，粘度范围很宽，沸点范围一般在常温至500Oc以上。油膜都一!lJ’以溶于有机溶剂中，但不溶于水，在水体表}自l的油膜与水发生乳化作用，形成水包油或油包水形态的乳化液。石油的化学组成元素主要是碳(53%一57%)和氢(11%一14%)，其余为硫(0.06%一0.8%)、氮(0.020;0一1.70，0)、氧(0.08%一1.82%)及微量金属元素(镍、钒、铁等)。石油质量的95%一99%上要是由碳和氢化合物所组成的烃类物质构成，不同

温以及生物活动等的影响，其物理化学性质将随着时间不断发生变化。随着时间的推移，石油物质在自然水休环境中的演化进程是比较复杂的，进一步加剧了海上油膜检测的困难程度1881。在自然水体环境中的石油归宿示意图(如图2.2)所示，其物理化学性质将随着时间不断发生变化，主要演化过程包括有水体表面扩展过程、空气挥发过程、水体溶解过程、光化学氧化作用、微生物群降解吸收和沉积等过程，叫油膜的风化过程189】。在这个过程中，油膜一水通过机械振动(海流、潮汐、风浪等)，以分散的形式形成细小的微粒相互存在于对方介质中，共同组.成一个相对稳定的分散体系，可以进一步促进生物体对浮油类的分解作用。这些过程主要受到环境温度、溶解氧含量、波浪、油膜的生物化学构成、光照和微生物种群等的影响。扩展过程包括表面惯性扩展、重力粘滞扩展、表面张力扩展的凡个阶段1891。它一方而扩大了油膜在水表的覆盖范围，另一方面增大了油膜和空气的接触面，使更多的油膜通过挥发作用进入大气中，从而加快了油膜在水体中的降解过程。挥发是水体中油膜类物质经过自然过程消失的主要途径之一

室内薄油膜高光谱遥感实验是模拟纯净水体环境下的油膜等厚度变化时的油膜光谱变化过程。这个实验的关键点为获取油膜等厚度连续变化过程中的光谱曲线，因此在实验中主要考虑的因素有:一是要保持水体环境光学背景以及烧杯附近的光散射场的稳定，二是要精确的进行每次添加等量的油膜，从而能稳定的控制每次形成的油膜的厚度，这样就能对薄油膜的厚度变化与光谱上的响应做出定量的分析。图2.3是本研究中室内薄油膜实验的示意图，用一块完整的黑布料包裹实验用广口玻璃烧杯的外杯壁和杯底，在实验时倒入一定量的纯净水来模拟无底环境下的水体基木背景光一潜特征哪l。另外，由于水体与油膜的表面张力不同，水对玻璃器皿来说是浸润物质，因此会在玻璃器皿中形成个凹液面，如图2.4中蓝色的水体凹液面。石油与水是不相溶的，但是石油也容易粘附到玻璃器皿的四壁，形成“挂壁”的现象。水体的凹液而和石油类物质分子自身的较大吸引力，因此通过严格控制的手段可以在水体凹液面上形成一个厚度不断变化的薄油膜凸液而，并可以避免挂壁现象1961。光源
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本文编号：2877165