專利名稱：一種船舶溢油目標(biāo)的識別方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于高光譜遙感的船舶溢油目標(biāo)的識別方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，在海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，利用合成孔徑雷達(dá)SAR和多光譜傳感器監(jiān)測技術(shù)進行溢油監(jiān)測研究的較多，并取得了一定的成果，但由于其溢油監(jiān)測精度低，尚不能有效實現(xiàn)溢油目標(biāo)的識別。高光譜遙感技術(shù)在陸地目標(biāo)探測與識別方面，開展了大量的高光譜探測與目標(biāo)識別工作，并取得進展。而高光譜溢油監(jiān)測還處于較低的層次上，缺乏油膜光譜響應(yīng)機理的認(rèn)識。我們知道，不同石油產(chǎn)品中所含有機物的成分、分子大小以及分子結(jié)構(gòu)不同，因而使得不同油種具有不同的顏色，進而影響可見光的吸收和反射，這些指標(biāo)的定量化對于提高溢油監(jiān)測精度具有重要的意義。雖然目前已經(jīng)開展了一些機載和星載高光譜遙感溢油監(jiān)測的研究，但溢油信息提取依然以圖像增強和信息解譯為主，或者對整幅圖像進行分類， 而溢油目標(biāo)只是分類結(jié)果中的一個類別而已，還沒有進入到光譜分析和光譜識別的量化分析階段，因此，高光譜監(jiān)測溢油還不能滿足海上溢油監(jiān)測的應(yīng)急需要。文獻Mlem, F.， & Kafatos, P. M. Hyperspectral image analysis for oil spill mitigation[C]. Proc. ACRS2001, Vol. 1 :748-753.及 Javier Plaza, Rosa Perez, Antonio Plaza, etc,. Mapping Oil Spills on Sea Water using Spectral Mixture Analysis of Hyperspectral Image Data[C], Proceeding of SPIE，2005. Vol. 5995,599509 對高光譜監(jiān)測溢油技術(shù)進行了介紹。然而上述文獻提出的基于高光譜技術(shù)溢油目標(biāo)識別方法，僅以地面實測光譜數(shù)據(jù)為判別標(biāo)準(zhǔn)進行目標(biāo)識別，未考慮空間尺度變化對溢油光譜吸收特征的影響，因而難以同地面連續(xù)光譜數(shù)據(jù)進行對應(yīng)，不適于溢油目標(biāo)識別。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計一種可以使多波段影像和星載高光譜影像同地面連續(xù)光譜數(shù)據(jù)對應(yīng)并提高溢油識別精度的船舶溢油目標(biāo)的識別方法及系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種船舶溢油目標(biāo)的識別方法，包括以下步驟A、在實驗室環(huán)境下，利用ASD地面光譜儀對常見油種的實測光譜數(shù)據(jù)建立船舶常見油種實測光譜數(shù)據(jù)庫；B、模擬海上溢油，利用ASD地面光譜儀和機載高光譜傳感器同步獲取不同油種的實測光譜數(shù)據(jù)和成像光譜圖像數(shù)據(jù)，利用經(jīng)驗線性法獲得重建光譜數(shù)據(jù)，利用相似系數(shù)法對重建光譜數(shù)據(jù)進行精度評價并優(yōu)化重建方案；所述的利用經(jīng)驗線性法獲得重建光譜數(shù)據(jù)的方法，包括以下步驟
Bi、同步獲取遙感影像和地面對應(yīng)地物的實測光譜數(shù)據(jù)，建立大氣校正線性方程； 根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定某一波段圖像地物的DN值與其反射率P呈線性關(guān)系，即P λ = aADNA+bA(1)其中aA為增益系數(shù)，包含傳感器對輸入信號的效應(yīng)、大氣透過率及地面目標(biāo)的入射通量影響，bA為偏移系數(shù)，包含除上述影響外，傳感器的零輸入響應(yīng)；利用式(1)，根據(jù)同步獲取實測光譜數(shù)據(jù)或地面穩(wěn)定輻射控制點實測光譜數(shù)據(jù)建立圖像地物的DN值與其反射率P的線性回歸關(guān)系，獲得光譜重建數(shù)據(jù)；B2、選擇、建立地面穩(wěn)定輻射控制點，建立所述大氣校正線性方程并適用于歷史數(shù)據(jù)的大氣校正線性方程。所述的利用相似系數(shù)法對重建光譜數(shù)據(jù)進行精度評價的方法，包括以下步驟設(shè)常見油種實測光譜數(shù)據(jù)& = (Xil, K, xiffl),i = 1，K，n，于是光譜庫數(shù)據(jù)矩陣L可表示為 L
JVuJV12KX\mJV21 ^22KX2mMMMMΧη2KJC nm
Λ7 2 設(shè)遙感圖像中待評價像元a的重建光譜矢量為a = (a1 a2, K，am)，選擇相似系數(shù)評價函數(shù)，相似系數(shù)A值大者判斷為優(yōu)；相似系數(shù)A見式(3)
Yj(Xik-XiXak-O) A
k=l
I m_ I m
Jz ( " 2 Jz ο
V k=\V k=\
^k-aY
3
_ 1 Μι Μ
其中—= _Σ ，β = _Σ
C、根據(jù)實測光譜數(shù)據(jù)和重建光譜數(shù)據(jù)，優(yōu)化油膜光譜特征，據(jù)此選擇光譜區(qū)間進行光譜角填圖識別，以減少數(shù)據(jù)運算量； 利用光譜角度填圖SAM技術(shù)進行溢油目標(biāo)識別，選擇實測光譜庫和重建光譜數(shù)據(jù)中端元光譜作判別標(biāo)準(zhǔn)，按下式計算光譜角Θ，
fN\
t-r θ = COS— ( ......) = COS—
H. IHI
Tm
V Z=IZ=I
4其中，t代表了未知地物的光譜，r代表了判別標(biāo)準(zhǔn)光譜；θ越小說明匹配度越尚；本發(fā)明所述的實測光譜數(shù)據(jù)包括常見油種的吸收譜實測數(shù)據(jù)和視反射率實測數(shù)據(jù)。本發(fā)明所述的實測光譜數(shù)據(jù)包括實驗室常見油種的實測數(shù)據(jù)和海上模擬常見油種的實測數(shù)據(jù)。
本發(fā)明所述的常見油種實測光譜數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)經(jīng)過下述分析處理利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)機GC-MS分析原油及成品油所含有機物的組成和分子結(jié)構(gòu)，結(jié)合測量的油種光譜特征，確立化學(xué)成分及分子結(jié)構(gòu)與光譜特征的耦合關(guān)系，獲取不同油種吸收譜數(shù)據(jù)。本發(fā)明所述常見油種包括原油、輕柴油和重柴油。一種船舶溢油目標(biāo)的識別系統(tǒng)，包括高光譜傳感器、地面光譜儀、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)機和數(shù)據(jù)處理裝置，所述的數(shù)據(jù)處理裝置分別與高光譜傳感器、地面光譜儀和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)機連接，所述的數(shù)據(jù)處理裝置包括數(shù)據(jù)預(yù)處理單元、光譜重建單元、評價和優(yōu)化單元和溢油目標(biāo)識別單元，所述的數(shù)據(jù)預(yù)處理單元依次與光譜重建單元、評價和優(yōu)化單元和溢油目標(biāo)識別單元連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明基于高光譜遙感的船舶溢油目標(biāo)光譜重建和識別技術(shù)及系統(tǒng)，從油種的微觀結(jié)構(gòu)與光譜特征的耦合關(guān)系研究出發(fā)，建立精確的光譜特征與油種的對應(yīng)關(guān)系，并利用同步實測數(shù)據(jù)進行光譜重建和優(yōu)化，建立了地面尺度下實測光譜數(shù)據(jù)庫、機載尺度下重建光譜數(shù)據(jù)庫，解決了多波段影像和星載高光譜影像因空間尺度變化導(dǎo)致吸收特征衰減，進而同地面連續(xù)光譜數(shù)據(jù)不能匹配的問題，可將溢油識別精度提高到85%以上，實現(xiàn)基于高光譜影像的溢油目標(biāo)快速識別。


本發(fā)明共有附圖3張，其中圖1為本發(fā)明船舶溢油目標(biāo)光譜重建和識別技術(shù)實施例流程圖；圖2為本發(fā)明光譜庫樣例數(shù)據(jù)；圖3為本發(fā)明船舶溢油目標(biāo)光譜重建和識別系統(tǒng)實施例結(jié)構(gòu)圖。圖中41、高光譜傳感器，42、地面光譜儀，43、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)機，44、數(shù)據(jù)處理裝置，441、數(shù)據(jù)預(yù)處理單元，442、光譜重建單元，443、評價和優(yōu)化單元，444、溢油目標(biāo)識別單元。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步地描述。如圖3所示，一種船舶溢油目標(biāo)的識別系統(tǒng)，包括高光譜傳感器41、地面光譜儀42、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)機43和數(shù)據(jù)處理裝置44， 所述的數(shù)據(jù)處理裝置44分別與高光譜傳感器41、地面光譜儀42和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)機43 連接，所述的數(shù)據(jù)處理裝置44包括數(shù)據(jù)預(yù)處理單元441、光譜重建單元442、評價和優(yōu)化單元443和溢油目標(biāo)識別單元444，所述的數(shù)據(jù)預(yù)處理單元441依次與光譜重建單元442、評價和優(yōu)化單元443和溢油目標(biāo)識別單元444連接。如圖1所示為本發(fā)明船舶溢油目標(biāo)光譜重建和識別技術(shù)實施例流程，本實施例的船舶溢油目標(biāo)光譜重建和識別技術(shù)，包括以下步驟S101、在實驗室內(nèi)，測量純油種的可見光近紅外吸收光譜以及海水環(huán)境模擬條件下的油種視光譜反射率；S102、考察合適海域，模擬海上溢油，同步獲取不同油種的實測光譜和成像光譜圖像數(shù)據(jù)；
S103、進行油膜光譜的分析工作。分析影響可見光近紅外吸收譜的因素，確定各油種吸收特征；研究純原油和成品油的化學(xué)成分及分子結(jié)構(gòu)對可見光近紅外電磁波的吸收和反射情況，建立化學(xué)成分及分子結(jié)構(gòu)與光譜特征的耦合關(guān)系；分析海水環(huán)境下的油膜視光譜反射率同純油種的近紅外吸收譜之間的關(guān)系，掌握海水影響油膜光譜的機理；S104、收集、測量國內(nèi)外各類油種的光譜數(shù)據(jù)，記錄其相關(guān)信息(如產(chǎn)地、油品類型、顏色等)及其物理化學(xué)特性(如比重、粘度、凝點、閃點等)。通過實測數(shù)據(jù)建立海上船舶裝載的常見油種(原油、輕柴油、重柴油)的光譜庫(包括吸收譜和視反射率)。圖2即為所建立的光譜庫中常見油種光譜數(shù)據(jù)，圖中橫軸為波長，縱軸為反射率，連續(xù)曲線分別為輕柴油和海水的反射率曲線；S105、圖像預(yù)處理主要完成成像光譜數(shù)據(jù)的幾何、輻射校正，并對處理后的數(shù)據(jù)進行定量化評估；S106、利用S106建立的光譜重建方案，對獲取的高光譜數(shù)據(jù)進行光譜重建，以真實反映油膜光譜特征；S107、利用S104光譜庫中的光譜數(shù)據(jù)進行重建光譜評價，利用相似系數(shù)法進行精度評價。并以光譜重建評價為基礎(chǔ)，進一步對重建方案進行優(yōu)化；S108、根據(jù)建立的海上船舶裝載的常見油種(原油、輕柴油、重柴油)的實測光譜數(shù)據(jù)和重建光譜數(shù)據(jù)，優(yōu)化光譜特征選擇，利用光譜角度填圖(SAM)技術(shù)進行溢油識別。以上所述，僅為本發(fā)明的最佳實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種船舶溢油目標(biāo)的識別方法，其特征在于包括以下步驟A、在實驗室環(huán)境下，利用ASD地面光譜儀0 對常見油種的實測光譜數(shù)據(jù)建立船舶常見油種實測光譜數(shù)據(jù)庫；B、模擬海上溢油，利用ASD地面光譜儀0 和機載高光譜傳感器Gl)同步獲取不同油種的實測光譜數(shù)據(jù)和成像光譜圖像數(shù)據(jù)，利用經(jīng)驗線性法獲得重建光譜數(shù)據(jù)，利用相似系數(shù)法對重建光譜數(shù)據(jù)進行精度評價并優(yōu)化重建方案；所述的利用經(jīng)驗線性法獲得重建光譜數(shù)據(jù)的方法，包括以下步驟 Bi、同步獲取遙感影像和地面對應(yīng)地物的實測光譜數(shù)據(jù)，建立大氣校正線性方程；根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定某一波段圖像地物的DN值與其反射率P呈線性關(guān)系，即P λ = aADNA+bA(1)其中aA為增益系數(shù)，包含傳感器對輸入信號的效應(yīng)、大氣透過率及地面目標(biāo)的入射通量影響，bA為偏移系數(shù)，包含除上述影響外，傳感器的零輸入響應(yīng)；利用式(1)，根據(jù)同步獲取實測光譜數(shù)據(jù)或地面穩(wěn)定輻射控制點實測光譜數(shù)據(jù)建立圖像地物的DN值與其反射率P的線性回歸關(guān)系，獲得光譜重建數(shù)據(jù)；B2、選擇、建立地面穩(wěn)定輻射控制點，建立所述大氣校正線性方程并適用于歷史數(shù)據(jù)的大氣校正線性方程；所述的利用相似系數(shù)法對重建光譜數(shù)據(jù)進行精度評價的方法，包括以下步驟 設(shè)常見油種實測光譜數(shù)據(jù)\ = (xn, ...,Xiffl ),i = l,..., η,于是光譜庫數(shù)據(jù)矩陣L 可表示為L =JC11 X12 ... Xlm ^21 X22 . . . ^2 mXn\ Xn2 · · · Xnm(2)設(shè)遙感圖像中待評價像元a的重建光譜矢量為a = ( , ，...，am)，選擇相似系數(shù)巧評價函數(shù)，相似系數(shù)A值大者判斷為優(yōu)；相似系數(shù)A見式(3)Yj(Xik-XiXak-O)^ k=\ rr =I m_ I mJz ( " 2 Jz οV Ar=IV k=lak~af(3)_ 1 Μι M其中= _Σ ，β = _Σ ^ t-l^ WC、根據(jù)實測光譜數(shù)據(jù)和重建光譜數(shù)據(jù)，優(yōu)化油膜光譜特征，據(jù)此選擇光譜區(qū)間進行光譜角填圖識別，以減少數(shù)據(jù)運算量；利用光譜角度填圖SAM技術(shù)進行溢油目標(biāo)識別，選擇實測光譜庫和重建光譜數(shù)據(jù)中端元光譜作判別標(biāo)準(zhǔn)，按下式計算光譜角θ
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種船舶溢油目標(biāo)的識別方法，其特征在于所述的實測光譜數(shù)據(jù)包括常見油種的吸收譜實測數(shù)據(jù)和視反射率實測數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種船舶溢油目標(biāo)的識別方法，其特征在于所述的實測光譜數(shù)據(jù)包括實驗室常見油種的實測數(shù)據(jù)和海上模擬常見油種的實測數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種船舶溢油目標(biāo)的識別方法，其特征在于所述的常見油種實測光譜數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)經(jīng)過下述分析處理利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)機^幻分析原油及成品油所含有機物的組成和分子結(jié)構(gòu)，結(jié)合測量的油種光譜特征，確立化學(xué)成分及分子結(jié)構(gòu)與光譜特征的耦合關(guān)系，獲取不同油種吸收譜數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種船舶溢油目標(biāo)的識別方法，其特征在于所述常見油種包括原油、輕柴油和重柴油。
6.一種船舶溢油目標(biāo)的識別系統(tǒng)，其特征在于包括高光譜傳感器(41)、地面光譜儀 (42)、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)機和數(shù)據(jù)處理裝置(44)，所述的數(shù)據(jù)處理裝置04)分別與高光譜傳感器(41)、地面光譜儀0 和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)機連接，所述的數(shù)據(jù)處理裝置 (44)包括數(shù)據(jù)預(yù)處理單元G41)、光譜重建單元042)、評價和優(yōu)化單元(44 和溢油目標(biāo)識別單元044)，所述的數(shù)據(jù)預(yù)處理單元041)依次與光譜重建單元042)、評價和優(yōu)化單元(44 和溢油目標(biāo)識別單元(444)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種船舶溢油目標(biāo)的識別方法及系統(tǒng)，所述的方法包括以下步驟利用ASD地面光譜儀對常見油種的實測光譜數(shù)據(jù)建立船舶常見油種實測光譜數(shù)據(jù)庫；利用ASD地面光譜儀和機載高光譜傳感器同步獲取不同油種的實測光譜數(shù)據(jù)和成像光譜圖像數(shù)據(jù)，利用經(jīng)驗線性法獲得重建光譜數(shù)據(jù)，利用相似系數(shù)法對重建光譜數(shù)據(jù)進行精度評價并優(yōu)化重建方案；根據(jù)實測光譜數(shù)據(jù)和重建光譜數(shù)據(jù)，優(yōu)化油膜光譜特征，據(jù)此選擇光譜區(qū)間進行光譜角填圖識別。本發(fā)明解決了多波段影像和星載高光譜影像因空間尺度變化導(dǎo)致吸收特征衰減，進而同地面連續(xù)光譜數(shù)據(jù)不能匹配的問題，可將溢油識別精度提高到85％以上，實現(xiàn)基于高光譜影像的溢油目標(biāo)快速識別。
文檔編號G01N21/35GK102507474SQ20111033582
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者蘭國新, 劉瑀, 李寶玉, 李穎 申請人:大連海事大學(xué)