一種基于盲源分離的海洋溢油精細化遙測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在環(huán)境領(lǐng)域內(nèi)使用的海洋溢油源的鑒別方法，具體的說涉及一種 基于盲源分離的海洋溢油精細化遙測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，海洋溢油事故頻發(fā)，及時準確的對溢油油種進行分析和鑒別，確定責任歸 屬，追查違法溢油源，對應(yīng)采取合適的應(yīng)急響應(yīng)，是一項復雜而具挑戰(zhàn)性的工作?，F(xiàn)行的溢 油鑒別標準（GB/T 21247-2007)，多以液相色譜/質(zhì)譜分析為代表的實驗室化學鑒別手段 為代表，雖然能夠?qū)τ头N精確解析，然而檢測速度慢，代價高。
[0003] 目前對溢油的探測主要通過衛(wèi)星或者是飛機，通過SAR或光學遙感實現(xiàn)，受到技 術(shù)本身分辨率等影響，不能有效區(qū)分油種，更不能進行油種組分的精細化探測；目前對溢油 油種及其組分探測均要基于實驗室環(huán)境下進行，雖然液相色譜/質(zhì)譜分析能夠精確解析有 的組分，并對溢油源進行鑒別，但是處理時間慢，儀器復雜、代價高。近年來發(fā)展的高光譜與 激光誘導熒光技術(shù)能在一定程度上鑒別油種，然而要進行大致智能將溢油分為輕質(zhì)油、中 質(zhì)油、重質(zhì)油等類型的識別，并不能更為精確地探測組分，必須需要輔助一些信號處理的方 法。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，這些指標的定量化對于提高溢 油監(jiān)測精度具有重要的意義。根據(jù)Beer-Lambert定律，對于未知混合油，測得的光譜通常 以為是一些純物質(zhì)（主要組分）光譜的線性組合。如果正確識別該溢油樣品的光譜組分和 其濃度，那么則能精細化對溢油進行探測。
[0004] 本發(fā)明提供了一種通過多通道光譜實現(xiàn)海洋溢油精細化遙測的方法，可以實現(xiàn)溢 油油種和主要組分的快速鑒別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中溢油種類識別方法存在的可識別類別有限、不能對組分進 行精細化解析的問題，提供一種基于盲源分離的海洋溢油精細化遙測方法，通過對采集的 多通道光譜數(shù)據(jù)進行盲源分解，得到主要組分光譜信號，并基于主要組分及其含量進行溢 油種類和組分的探測，提高了精細化溢油探測能力。
[0006] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種基于盲源分離的海洋溢油精細化遙測方法，該方法步驟如下：
[0008] 所述的精細化油種遙測方法包括多通道遙測光譜獲取方法、混合光譜的盲分解方 法、溢油光譜識別方法三部分組成。
[0009] 其中所述的多通道遙測光譜獲取方法，分主動和被動兩種，主動遙測獲取是多通 道的激光誘導熒光系統(tǒng)實現(xiàn)，一次性獲取多個通道的溢油光譜遙測信號，遙測信號記為X ={Xl，x2，。。Xl。。。xm}，M為通道數(shù)；被動遙測使用的是地物光譜儀，通過多次遙測獲取溢 油樣本光譜信號，信號記為X= {xpXy。。Xi。。。XiJ，M為遙測次數(shù)。
[0010] 其中在所述的混合光譜盲源分解方法，是對多通道光譜觀察信號X = {Xl，x2，。。Xl。。。XM}通過快速獨立分量分析算法進行盲源分解，得到每個通道的多個組分的光譜Y = {y"y2,。。。yN}，其中N為組分數(shù)，一般的N〈M ;它就是組成溢油樣本主要組分S = {Sl，s2,。。。 sN，}的近似，這些組分光譜反映了溢油組分，對于原油其組分光譜反映了包括烴質(zhì)、膠質(zhì)、 瀝青質(zhì)等及其含量信息，對于其他油種這些組分光譜反應(yīng)了包括烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴等及 其含量。
[0011] 其中所述的溢油油種識別方法，包括建立遙測模型建立和進行溢油識別兩個過 程：建立遙測模型建立過程，是通過遙測系統(tǒng)，激光誘導熒光系統(tǒng)或者地物光譜儀，在實驗 室模擬情況下建立各個主要溢油組分的光譜數(shù)據(jù)庫，每個溢油組分樣本光譜不少于五十 條；進行溢油識別過程，是通過遙測系統(tǒng)采集待測溢油樣本光譜，然后與模式光譜數(shù)據(jù)庫中 已存的各種組分的光譜形狀特征模式識別，識別的方法是采用支持向量機的方法，各個組 分識別正確，還包括根據(jù)Beer-Lambert定律，對于未知混合油，測得的光譜通常以為是一 些純物質(zhì)（主要組分）光譜的線性組合。A = MI，其中AltJ普是1個樣品在η個波長處的光 譜，是組分光譜矩陣，M1^1與組分子在混合物中的濃度，進而得到相應(yīng)組分的濃度信息。 通過正確識別出溢油組分類別和濃度含量，可精細化的快速計算出溢油來源。
[0012] 其中所述的盲源分離方法包括如下步驟：
[0013] (1)觀察信號的獲?。菏褂枚嗤ǖ兰す庹T導熒光探測器進行溢油探測，當傳感器 放置在油膜上時，熒光傳感器第i個通道接收的信號Xi，在實際測量中可獲得數(shù)十個通道 的光譜，這些光譜數(shù)據(jù)即是盲源分離（BSS)的觀察信號X= {Xl，x2，。。Xl。。。xm}，M為通道 數(shù)；當然也可以使用地物光譜儀來測量多個樣品的地物光譜，假設(shè)測量了 M個樣品，那么觀 察信號X= {χ^Χ??，。。Xi。。。X1JM為樣品數(shù)。
[0014] (2)盲源分離：主要基于獨立分量分析算法（ICA)進行，假設(shè)觀測信號（多通道輸 出光譜）x = (X1, X2,。。。XiJ是由多個源信號（多個油種光譜）S = {s^ s2,。。。sN，} (N為 混合油種組分數(shù)）經(jīng)混合矩陣A (混合方式未知）混合而成，即X = AS，現(xiàn)在的任務(wù)是：在 S與A均為未知的只知道X的情況下，求取S與A，問題本身這個一個物理不可解方程，然而 在混合源81，82，。。。~相互獨立（即四階統(tǒng)計量為0)的情況下可以得到S與A的近似解。 問題轉(zhuǎn)化為求取一個解混矩陣U，使得UA - >1，其中I為單位矩陣，此時Y = UX = UAS = IS->S，Y即是S的最優(yōu)逼進解，Y= {yi，y2，。。。yN}中的每個分量即是混合油污的混合源 S各個分量（油污組分）的熒光光譜，分量值的幅度在在某種程度上代表光譜的歸一化能 量。
[0015] (3) U的求解步驟如下：
[0016] 1)把觀測信號X去均值，再球化，得到Z ;設(shè)定需要保留的維數(shù)m，令P = 1 ;任意取 Up(O)，但要求I |up(0) I I2= 1，然后進行迭代：
[0018] 2)正交化和歸一化
[0019]
[0021] 3)如果^未收斂，即|u(k+l) Tu(k) I - 1不成立，則回到前面繼續(xù)迭代，否則另P 加1，如果P < m，則重新取up，否則完成工作。
[0022] (4)最后得到的U即為解混合矩陣，使得UA->I，求的A，帶入Y = UX = UAS = IS- >s，則Y是源信號S的逼近；Y= {yi，y2，。。。yN}的每個分量即為分離的源信號（單個混合 油品）的獨立分量，下一步即可對其進行油品或者組分的識別。
[0023] 特別的，對于激光熒光信號，其中所述的油種識別特征提取方法包括以下步驟：
[0024] (1)多種參量特征可以用作油品的識別，比如光譜的形狀，熒光衰減的時間，熒光 峰的位置，熒光產(chǎn)量，水的拉