本發(fā)明涉及一種機載高光譜紅外溢油監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種機載高光譜紅外溢油監(jiān)測方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：近年來，隨著國際間海上貿(mào)易日益繁榮，海洋運輸業(yè)發(fā)展迅猛。然而，隨之而來的海上溢油污染，已經(jīng)超過海洋中的重金屬污染、氯代烴污染、放射性污染和熱污染等，成為海洋污染中最嚴重的問題，由船舶、油輪引起的油污染成為國際社會關(guān)注的焦點。目前，海洋溢油發(fā)生的次數(shù)約占所有海洋污染次數(shù)的80％，海上油污染已成為各種海洋污染中最常見的、分布面積最廣、危害程度最大的一種，其特點是擴散范圍廣、流動性大、持續(xù)時間長、難以控制和消除、清理費用高等。當油污進入海洋后，嚴重破壞大氣、海洋和近岸陸地的生態(tài)環(huán)境，會導致大批海洋生物的死亡，破壞海洋中生物的食物鏈，并會污染海洋、海灘和港口。更為嚴重的是被污染的生物也會因油污染而在體內(nèi)累積毒性化合物，并經(jīng)由食物鏈食物網(wǎng)傳遞至人類，威脅消費者的身體健康。事后的清除工作也是難上加難，要承擔高昂的清污費用，受污染的海域在短時間內(nèi)也不可能恢復原貌。我國是當今世界第二、亞洲第一大石油進口國，石油進口量的迅速增加，導致船舶溢油污染，特別是特大船舶溢油污染的風險增大。據(jù)統(tǒng)計，1973-2006年，我國沿海共發(fā)生大小船舶溢油事故2635起，危害嚴重。此外，海上鉆井平臺也會帶來較高的環(huán)境風險。僅2011年的康菲蓬萊溢油事件，就污染海域面積5500平方公里，造成直接經(jīng)濟損失16.83億元，并給周圍生態(tài)環(huán)境和近千戶漁民財產(chǎn)帶來了巨大損失，在全國范圍內(nèi)震動極大。將紅外成像光譜儀用于機載平臺實現(xiàn)海上溢油在線實時監(jiān)測，可以突破傳統(tǒng)監(jiān)控成像技術(shù)的局限，及時獲取溢油的成分信息和厚度，輔助海監(jiān)救援人員在瞬息萬變的海洋環(huán)境下對事故進行高效率分析，制定合理的處理方案，彌補了普通光電成像以及星載光譜成像的不足。進一步的，利用機載紅外成像光譜儀對海上油田和運輸油輪進行監(jiān)控，可以判斷油氣泄漏狀況，實現(xiàn)環(huán)境災害預防檢測或早期預警，防止更大規(guī)模的環(huán)境災害發(fā)生。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對傳統(tǒng)監(jiān)控成像技術(shù)的局限，提供一種可以及時發(fā)現(xiàn)海上溢油區(qū)域并對溢油的種類進行識別的機載高光譜紅外溢油監(jiān)測方法及系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供一種機載高光譜紅外溢油監(jiān)測方法，包括以下步驟：在發(fā)現(xiàn)溢油區(qū)域之前，進入搜索模式，在該搜索模式下，空間分辨率和光譜分辨率可調(diào)的傅里葉變換紅外成像光譜儀快速采集海面溢油的高光譜圖像；運動補償系統(tǒng)對采集的高光譜圖像進行圖像拼接融合，獲得大范圍的海面溢油高光譜圖像，并通過計算飛機的姿態(tài)、運動狀況和位置信息來補償飛機平臺運動所帶來的視場變化；根據(jù)該大范圍的海面溢油高光譜圖像判斷是否存在溢油區(qū)域，若是，則切換為分析模式；在該分析模式下，運動補償系統(tǒng)控制所述傅里葉變換紅外成像光譜儀的監(jiān)測視場始終保持對準溢油區(qū)域，所述傅里葉變換紅外成像光譜儀在小范圍內(nèi)采集高精度的光譜信息；根據(jù)該高精度的光譜信息進行溢油的種類識別。本發(fā)明所述的機載高光譜紅外溢油監(jiān)測方法中，判斷是否存在溢油區(qū)域的具體步驟為：計算各個波段圖像相互之間的相關(guān)系數(shù)，若相關(guān)系數(shù)低于設(shè)定的預制值T1的連續(xù)波段圖像，則認定為噪聲圖像并剔除；剔除后，再對相關(guān)系數(shù)進行排名，相關(guān)系數(shù)最低的N1個非連續(xù)波段圖像被提取出來，N1為自然數(shù)；采用高光譜目標提取算法對提取出來的N1個波段圖像進行溢油區(qū)域探測，當N1個波段圖像中某個像素點的波段特征符合溢油的輻射特征時，則認為該像素點對應(yīng)的區(qū)域為溢油區(qū)域，遍歷整個圖像區(qū)域以實現(xiàn)溢油區(qū)域的提取。本發(fā)明所述的機載高光譜紅外溢油監(jiān)測方法中，N1取值為3～10。本發(fā)明所述的機載高光譜紅外溢油監(jiān)測方法中，根據(jù)該高精度的光譜信息進行溢油種類識別具體包括以下步驟：采用三維非局部核回歸濾波技術(shù)對采集到的圖像數(shù)據(jù)立方進行預處理，降低圖像噪聲和光譜噪聲，濾波的公式如下：x^λ(i)=Σγ∈[1,2,...M]Σj∈N(i)wλγijNyγ,jΣλ∈[1,2,...M]Σj∈N(i)wλγijN]]>式中，i表示高光譜圖像像素的坐標(X,Y,)，其中，X和Y分別表示空域的橫坐標和縱坐標，λ和γ表示光譜維坐標，M表示總的波段數(shù)量，N(i)表示與像素yλi相似的所有像素的集合，表示i的灰度值，權(quán)重系數(shù)反應(yīng)了yλi和yγj之間的相似程度，其可以由下式計算得出：wij=exp(-(i-j)ζj(i-j)2||P(yλi)-P(yγj)||WG2σ2)]]>式中，ζj表示位置j處的協(xié)方差矩陣，σ表示設(shè)定的平滑參數(shù)，WG表示一個高斯核的權(quán)重矩陣，該矩陣可以給距離中心像素yλi較近的像素分配較高的權(quán)重，而給距離較遠的像素分配較低的權(quán)重；其中ζj≈DX(j1)DY(j1)......DX(jP)DY(jP);]]>利用溢油光譜庫中的數(shù)據(jù)和預處理后的光譜數(shù)據(jù)進行匹配分析，并對溢油光譜特征區(qū)域加重匹配權(quán)重，降低匹配誤差，匹配公式如下式所示，當滿足下式的時候則認為數(shù)據(jù)庫中的某個光譜數(shù)據(jù)和測量的光譜數(shù)據(jù)匹配的；min(Σl=1M||HMODELl-HMEASURl||W2)]]>上式中，表示根據(jù)模型數(shù)據(jù)庫計算出來的光譜，表示經(jīng)過預處理后的光譜數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)庫中精確找到溢油的信息，包括溢油的種類以及厚度等級信息。本發(fā)明還提供了一種機載高光譜紅外溢油監(jiān)測系統(tǒng)，包括：空間分辨率和光譜分辨率可調(diào)的傅里葉變換紅外成像光譜儀，用于采集海面溢油的高光譜圖像；全球定位系統(tǒng)，用于獲取飛機的位置信息；慣性運動單元，用于獲取飛機的姿態(tài)和運動狀況；運動補償系統(tǒng)，用于在搜索模式下，對采集的高光譜圖像進行圖像拼接融合，獲得大范圍的海面溢油高光譜圖像，并通過計算飛機的姿態(tài)、運動狀況和位置信息來補償飛機平臺運動所帶來的視場變化；溢油區(qū)初判單元，用于根據(jù)該大范圍的海面溢油高光譜圖像判斷是否存在溢油區(qū)域，若是，則切換為分析模式；該運動補償系統(tǒng)還用于在分析模式下，控制所述傅里葉變換紅外成像光譜儀的監(jiān)測視場始終保持對準溢油區(qū)域；識別模塊，用于根據(jù)所述傅里葉變換紅外成像光譜儀在小范圍內(nèi)采集的高精度光譜信息進行溢油的種類識別。本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，該系統(tǒng)還包括主動減震平臺和被動減震平臺，主動減震平臺則裝載在被動減震平臺上，所述外成像光譜儀、全球定位系統(tǒng)、慣性運動單元、運動補償系統(tǒng)都裝載在主動減震平臺上。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明的機載高光譜紅外溢油監(jiān)測系統(tǒng)采用空間分辨率和光譜分辨率可調(diào)的傅里葉變換紅外成像光譜儀，可以實現(xiàn)溢油區(qū)域的快速搜索探測和溢油光譜的高精度分析識別；相對于傳統(tǒng)的傳統(tǒng)監(jiān)控成像技術(shù)，具有溢油探測精度更高、溢油種類識別分析更精確的優(yōu)勢。監(jiān)測過程中可在搜索模式和分析模式之間自由切換，滿足機載海面溢油區(qū)域探測和溢油種類分析的任務(wù)需求。附圖說明下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：圖1為本發(fā)明實施例機載高光譜紅外溢油監(jiān)測方法流程圖；圖2為本發(fā)明實施例機載高光譜紅外溢油監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖3為本發(fā)明實施例搜索模式工作示意圖；圖4為本發(fā)明實施例分析模式工作示意圖。具體實施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明實施例機載高光譜紅外溢油監(jiān)測方法，如圖1所示，主要包括以下步驟：在發(fā)現(xiàn)溢油區(qū)域之前，進入搜索模式，在該搜索模式下，空間分辨率和光譜分辨率可調(diào)的傅里葉變換紅外成像光譜儀快速采集海面溢油的高光譜圖像；運動補償系統(tǒng)對采集的高光譜圖像進行圖像拼接融合，獲得大范圍的海面溢油高光譜圖像，并通過計算飛機的姿態(tài)、運動狀況和位置信息來補償飛機平臺運動所帶來的視場變化；根據(jù)該大范圍的海面溢油高光譜圖像判斷是否存在溢油區(qū)域，若是，則切換為分析模式；在該分析模式下，運動補償系統(tǒng)控制所述傅里葉變換紅外成像光譜儀的監(jiān)測視場始終保持對準溢油區(qū)域，所述紅外成像光譜儀在小范圍內(nèi)采集高精度的光譜信息；根據(jù)該高精度的光譜信息進行溢油的種類識別。本發(fā)明實施例機載高光譜紅外溢油監(jiān)測系統(tǒng)，為實現(xiàn)上述方法，主要包括：空間分辨率和光譜分辨率可調(diào)的傅里葉變換紅外成像光譜儀，用于采集海面溢油的高光譜圖像；全球定位系統(tǒng)，用于獲取飛機的位置信息；慣性運動單元，用于獲取飛機的姿態(tài)和運動狀況；運動補償系統(tǒng)，用于在搜索模式下，對采集的高光譜圖像進行圖像拼接融合，獲得大范圍的海面溢油高光譜圖像，并通過計算飛機的姿態(tài)、運動狀況和位置信息來補償飛機平臺運動所帶來的視場變化；溢油區(qū)初判單元，用于根據(jù)該大范圍的海面溢油高光譜圖像判斷是否存在溢油區(qū)域，若是，則切換為分析模式；該運動補償系統(tǒng)還用于在分析模式下，控制所述傅里葉變換紅外成像光譜儀的監(jiān)測視場始終保持對準溢油區(qū)域；識別模塊，用于根據(jù)所述傅里葉變換紅外成像光譜儀在小范圍內(nèi)采集的高精度光譜信息進行溢油的種類識別。如圖2所示，為本發(fā)明一個實施例機載高光譜紅外溢油監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理示意圖。機載高光譜紅外溢油監(jiān)測系統(tǒng)的組件主要包括：空間分辨率和光譜分辨率可調(diào)的傅里葉變換紅外成像光譜儀1、全球定位系統(tǒng)(GPS)2、慣性運動單元3、運動補償系統(tǒng)5、被動減震平臺6和主動減震平臺7等。空間分辨率和光譜分辨率可調(diào)的傅里葉變換紅外成像光譜儀1、全球定位系統(tǒng)(GPS)2、慣性運動單元3、運動補償系統(tǒng)5都裝載在主動減震平臺上7，主動減震平臺則裝載在被動減震平臺6上。被動減震平臺6和主動減震平臺上7相結(jié)合可以保證系統(tǒng)的各個組件工作在一個相對穩(wěn)定的環(huán)境中，特別是降低了震動對空間分辨率和光譜分辨率可調(diào)的傅里葉變換紅外成像光譜儀1的影響?？臻g分辨率和光譜分辨率可調(diào)的傅里葉變換紅外成像光譜儀1用于采集海面溢油的高光譜圖像。全球定位系統(tǒng)(GPS)2和慣性運動單元3用于獲取飛機的姿態(tài)和運動狀況、位置等信息。運動補償系統(tǒng)5對全球定位系統(tǒng)(GPS)2和慣性運動單元3采集的信息進行融合解算，并根據(jù)這些信息來補償飛機平臺運動所帶來的視場變化，進而可以穩(wěn)定視場，提高數(shù)據(jù)采集的精度。運動補償系統(tǒng)5安裝在空間分辨率和光譜分辨率可調(diào)的傅里葉變換紅外成像光譜儀1的光學窗口前方，可以控制紅外成像光譜儀1的運動。來自海面場景的紅外信號首先經(jīng)過運動補償系統(tǒng)5被空間分辨率和光譜分辨率可調(diào)的傅里葉變換紅外成像光譜儀1接收。下面結(jié)合圖3和圖4對本發(fā)明的海面溢油監(jiān)測方式做出進一步詳細地說明。本發(fā)明的機載高光譜紅外溢油監(jiān)測系統(tǒng)主要有兩種工作模式，分別為搜索模式和分析模式。在搜索模式中，空間分辨率和光譜分辨率可調(diào)的傅里葉變換紅外成像光譜儀1的空間分辨率較高，光譜分辨率較低，進而可以滿足較快速度的海面溢油區(qū)域搜索。如圖2所示，搜索模式工作示意圖。在此過程中，運動補償系統(tǒng)5對全球定位系統(tǒng)(GPS)2和慣性運動單元3采集的信息進行融合解算，并根據(jù)這些信息來補償飛機平臺運動所帶來的視場變化，進而可以穩(wěn)定視場，提高數(shù)據(jù)采集的精度。當采集第一個場景的圖像數(shù)據(jù)時，運動補償系統(tǒng)5使得監(jiān)測視場始終保持對準在第一個場景區(qū)域不變。當?shù)谝粋€場景的數(shù)據(jù)采集完成后，運動補償系統(tǒng)5改變監(jiān)測視場為第二個場景，并使得第二場景和第一場景之間有一小部分的重疊。經(jīng)過后續(xù)的圖像拼接融合，可以將兩個場景的圖像拼接成一個更大場景的圖像。以此類推，最終本發(fā)明的機載高光譜紅外溢油監(jiān)測系統(tǒng)可以獲得一個大范圍的海面溢油高光譜圖像。通過搜索模式可以快速發(fā)現(xiàn)海面溢油區(qū)域，當機載高光譜紅外溢油監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)溢油區(qū)域后則切換為分析模式，如圖4所示。在該工作模式中，系統(tǒng)設(shè)定空間分辨率和光譜分辨率可調(diào)的傅里葉變換紅外成像光譜儀1的空間分辨率較低，光譜分辨率較高，從而可以在小范圍內(nèi)采集高精度的光譜信息，實現(xiàn)溢油的種類識別功能。在數(shù)據(jù)采集過程中，運動補償系統(tǒng)5使得監(jiān)測視場始終保持對準溢油區(qū)域。采用本發(fā)明的機載高光譜紅外溢油監(jiān)測系統(tǒng)進行溢油檢測的方法如下所述：(1)開通搜索模式對海面溢油區(qū)域進行快速搜索探測，此時系統(tǒng)的空間分辨率較高，光譜分辨率較低，可以初步實現(xiàn)溢油區(qū)域的探測識別。溢油初步探測識別的方法為：(1.1)計算各個波段圖像相互之間的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)低于設(shè)定的預制T1(通常設(shè)定為0.1，但不限于0.1)的連續(xù)波段圖像則被認為是噪聲圖像進行剔除。剔除之后對相關(guān)系數(shù)進行排名，相關(guān)系數(shù)最低的N1個非連續(xù)波段圖像被提取出來，N1通?？梢栽O(shè)定為3～10。(1.2)采用高光譜目標提取算法對提取出來的N1個波段圖像進行溢油區(qū)域探測，當N1個波段圖像中某個像素點的波段特征符合溢油的輻射特征時則認為該像素點對應(yīng)的區(qū)域為溢油區(qū)域，最終遍歷整個圖像區(qū)域可以實現(xiàn)溢油區(qū)域的提取。(2)針對第(1)步中提取出來的溢油區(qū)域進行分析，此時將高光譜紅外溢油檢測系統(tǒng)開啟分析模式，此時成像光譜儀的光譜分辨率較高，可以實現(xiàn)高精度的溢油光譜分析，溢油光譜數(shù)據(jù)處理分析的方法如下：(2.1)采用三維非局部核回歸濾波技術(shù)對采集到的圖像數(shù)據(jù)立方進行預處理，降低圖像噪聲和光譜噪聲，濾波的公式如下：x^λ(i)=Σγ∈[1,2,...M]Σj∈N(i)wλγijNyγ,jΣλ∈[1,2,...M]Σj∈N(i)wλγijN]]>上式中，i表示高光譜圖像像素的坐標(X,Y,)，其中，X和Y分別表示空域的橫坐標和縱坐標。λ和γ表示光譜維坐標，M表示總的波段數(shù)量。N(i)表示與像素yλi相似的所有像素的集合，通常在實現(xiàn)過程中為了簡便計算可以考慮用i的較大的鄰域來進行代替。表示i的灰度值。權(quán)重系數(shù)反應(yīng)了yλi和yγj之間的相似程度，其可以由下式計算得出：wij=exp(-(i-j)ζj(i-j)2||P(yλi)-P(yγj)||WG2σ2)]]>上式中，ζj表示位置j處的協(xié)方差矩陣，σ表示設(shè)定的平滑參數(shù)。WG表示一個高斯核的權(quán)重矩陣，該矩陣可以給距離中心像素yλi較近的像素分配較高的權(quán)重，而給距離較遠的像素分配較低的權(quán)重。ζj≈DX(j1)DY(j1)......DX(jP)DY(jP)]]>(2.2)利用溢油光譜庫中的數(shù)據(jù)和預處理后的光譜數(shù)據(jù)進行匹配分析，并對溢油光譜特征區(qū)域加重匹配權(quán)重，降低匹配誤差。匹配公式如下所示，當滿足下式的時候則認為數(shù)據(jù)庫中的某個光譜數(shù)據(jù)和測量的光譜數(shù)據(jù)匹配的。min(Σl=1M||HMODELl-HMEASUREl||W2)]]>上式中，表示根據(jù)模型數(shù)據(jù)庫計算出來的光譜，表示經(jīng)過(2.1)處理后的光譜數(shù)據(jù)。(2.3)經(jīng)過(2.2)的處理后可以在數(shù)據(jù)庫中精確找到溢油的信息，包括溢油的種類以及厚度等級等信息。本發(fā)明的特點以及有益效果在于：(1)本發(fā)明的機載高光譜紅外溢油監(jiān)測系統(tǒng)具有搜索模式和分析模式，兩種監(jiān)測模式自由切換，滿足機載海面溢油區(qū)域探測和溢油種類分析的任務(wù)需求；(2)本發(fā)明的機載高光譜紅外溢油監(jiān)測系統(tǒng)采用空間分辨率和光譜分辨率可調(diào)的傅里葉變換紅外成像光譜儀，可以實現(xiàn)溢油區(qū)域的快速搜索探測和溢油光譜的高精度分析識別；(3)本發(fā)明的機載高光譜紅外溢油監(jiān)測系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的傳統(tǒng)監(jiān)控成像技術(shù)，具有溢油探測精度更高、溢油種類識別分析更精確的優(yōu)勢。(4)本發(fā)明的機載高光譜紅外溢油監(jiān)測系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的實驗室分析手段具有實時性好，可以在線監(jiān)測分析的優(yōu)勢。應(yīng)當理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。當前第1頁1 2 3