一、引 言

水面溢油的種類識別和定量分析是環(huán)保領域備受關注的課題，其主要任務是在湖泊或近海區(qū)域表面發(fā)生船舶或油田事故后，監(jiān)測是否有危害水體生態(tài)環(huán)境的石油類污染物溢出，監(jiān)測數據對溢油災害的動態(tài)發(fā)展和防治有著深遠的意義。在水面上有溢油災害發(fā)生時，油膜會均勻覆蓋于水面，不同種類的油品或者同一油品不同厚度的油膜對射向其的光束的反射或者吸收響應特征亦有所差異，光譜技術就是對溢油目標對應的光譜響應特征定量化分析。在光譜分析常用的可見光、近紅外波段內，太陽光照射在覆蓋有油膜的水面時存在反射、折射和吸收三種物理現象，而光譜探測傳感器所接收的數據主要來自油膜表面的反射，不同類別的石油類產品在水面形成油膜后對光線的反射率具有差異性，反映在傳感器接受的數據里就是不同的油膜目標的反射率有所差異，據此可對水面油膜進行光譜維度的分析研究。

本文圍繞水面溢油監(jiān)測，用地物光譜儀進行了野外環(huán)境下的南湖光譜采集實驗，實驗過后獲得了多個厚度下的水面油膜反射率數據。通過軟件擬合獲得了不同厚度下的油膜和反射率函數關系，通過代表擬合程度的相關系數證明了通過反射率厚度擬合判斷油膜厚度的可行性。

二、光譜形成方式

當水面有諸如石油類液體污染物覆蓋時，電磁波在覆蓋有油膜的水面發(fā)生光學反射現象。反射的光透過大氣進入地物光譜儀的采集視野，依次經過掃描鏡和物鏡后進入地物光譜儀的光學模塊，入射狹縫的存在使得進入物鏡的光能夠做到有選擇性的僅掃描水面的待測目標，而避免了能降低光譜數據采集精度的其它干擾目標反射光進入采集系統(tǒng)。油膜目標反射光經入射狹縫進入具有色散功能的棱鏡模塊上，將會在輸出端按照光譜完成色散，之后再經會聚鏡頭把色散的像投在光譜形成的焦平面上。最后由焦平面處安置的線陣或者面陣探測元器件接受并完成油膜反射出的光學信號到數字信號的采集和轉變過程。

數據處理與分析

3.1輻射矯正

光譜儀在采集光譜數據時，會受像地形、大氣環(huán)境、采集方法和采集位置等諸多因素影響，所以會造成獲得的原始水上油膜光譜和實際的有些許差別之處，使得無法從光譜數據分析中獲得符合實際的油膜厚度和反射率的數學函數規(guī)律。所以需要對原始光譜數據進行預處理，即進行油膜光譜數據的重建，這一過程體現在把光譜儀傳感器測得的原始油膜輻照亮度值轉化為油膜光譜的反射率值。

光譜儀光譜數據被采集之前以電磁波的形式按照圖2-1中路徑傳播。

圖2-1傳播路徑

油膜光譜數據重建過程如下圖2-2所示。

圖2-2重建過程

野外水面油膜光譜測量與數據反演

4.1輻射矯正

水面潤滑油油膜光譜測量過程中每次添加的油量以5ml為單位，利用容量為10ml注射器向水面均勻逐滴加入實驗用油，每次滴完后靜止10min，以保證油膜完全散開均勻覆蓋于水面。油膜光譜測量之前對地物光譜儀進行參數設置為自動進行暗電流校正，測量過程之中每次向水面添加油時，再進行一次校正優(yōu)化；油膜光譜測量時，保持地物光譜儀的光譜采集探頭距觀測水面20cm向下。地物光譜儀的光纖擺放位置如圖4-1所示。

圖4-1光譜儀光纖探頭擺放位置

圖4-1中地物光譜儀的觀測平面和太陽入射平面夾角設置為90°的原因是此角度下的天空光分布最為均勻。避免了太陽光光線直射時，輻照亮度值過高的問題，保證測量的油膜光譜反射率數值與實際值基本保持一致。實驗共測量9組厚度數據，分別為清水，5ml油量、10ml油量、15ml油量、20ml油量、25ml油量、30ml油量，35ml油量，40ml油量，每組重復測量5次。測量完成后，將采集的數據導入電腦中，用軟件剔除異常曲線，求取每組正常光譜數據的平均值，并進行不同油量下的反射率曲線的繪制。

4.2油膜光譜采集結果與數據反演

在340~1000nm范圍內，不同油量下的光譜反射率曲線如圖4-2至4-10所示

由不同油量下的光譜反射率曲線圖可以看出光譜反射率特征主要集中在可見光和近紅外電磁波波段范圍內，在此范圍內油膜厚度與反射率較強的函數關系。所以論文的油膜反射率分析主要在340~1000nm光譜范圍內進行。

根據滴入油的體積計算油膜所形成的厚度，計算公式如下：

計算所得每組實驗所加油量和油膜厚度對應如下表4-1所示。

表4-1不同油量對應的油膜厚度

前7組反射率曲線對比如圖4-11所示。

圖4-11前七組不同厚度下的油膜光譜曲線對比

從圖4-11可知，在340~1000nm波段范圍內油膜反射率的曲線形狀大體與水體反射率曲線相似，但反射率值相比無油膜的水體在綠光波段和紅光波段較高，隨著油膜厚度的遞增，反射率亦逐漸增大。與無油膜的水面相比，含油膜的水面在560nm附近的反射峰較大。如圖4-12所示，當厚度增加到238.73μm后，再繼續(xù)增加油膜厚度，反射率就開始下降，但是值仍舊高于水體反射率。

圖4-12后三組不同厚度下的油膜光譜曲線對比

由圖4-11可知，隨著油膜厚度的增加但還沒增加到238.73μm時，藍光、綠光波段范圍內的反射率值是逐漸遞增的，為了獲得遞增的規(guī)律，選擇藍光波段的480nm和綠光波段的550nm兩處反射率數值作為著重研究分析的對象。提取的相關反射率數據如下表4-2所示：

表4-2反射率數值

用軟件進行擬合過程，最后得到的480nm和550nm處的反射率‐厚度擬合曲線如圖4-13和圖4-14所示。

圖4-13480nm處油膜厚度-反射率擬合曲線

圖4-14550nm處油膜厚度-反射率擬合曲線

由圖中的曲線可知在480nm和550nm的兩個典型波長處，實驗中油膜的反射率與其厚度有較強的指數函數關系，通過擬合得知指數函數關系分別為：

480nm處：

550nm處：

表明擬合相符程度的復相關系數R2分別為:0.9802（480nm處）和0.9921（550nm處）。反射率—厚度曲線擬合表明：在以480nm為中心的藍光波段內具有較高的曲線擬合精度，在以550nm為中心的綠光波段內具有非常高的曲線擬合精度。擬合結果證明了在藍光波段和綠光波段內，由水面潤滑油油膜的厚度造成的反射率數值差異性表現明顯。由于在可見光波段內，水面上油膜對入射光線的反射能力較強，結合本章函數擬合的結果，藍光波段和綠光波段可選做為水面較薄溢油油膜的厚度研究分析的特征波段，并且可以得出用光譜反射率數據反演分析水面溢油油膜厚度的方法是可行的。

五、結論

本文主要研究了水面溢油監(jiān)測中水面油膜厚度識別的問題。

本文圍繞水面溢油監(jiān)測，用地物光譜儀在野外環(huán)境下的南湖光譜做采集實驗，實驗過后獲得了多個厚度下的水面油膜反射率數據。

設計了野外水面油膜光譜測量實驗，獲得了反射率變化趨勢的“分水嶺”，即反射率從增加趨勢改變?yōu)榻档挖厔莸挠湍ず穸戎?，在油膜小?38.73μm時，反射率數值隨厚度增加而增大，在此厚度之后，反射率朝相反的趨勢變化，用軟件擬合后，獲得了符合實驗數據的油膜厚度-反射率函數關系。

把函數數值擬合的方法引入光譜數據反演分析之中，構成了新的水面溢油油膜的監(jiān)測方法，該方法克服了傳統(tǒng)監(jiān)測方法中受光譜分辨率影響較大、需事先了解測量地點的氣象參數、易受假目標干擾，大大節(jié)省了水面溢油油膜光譜分析的處理步驟，有效提高了水面溢油監(jiān)測的精度和效率。

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審核編輯 黃宇