遥感应用案例：高分一号监测青岛输油管爆炸事件海面溢油情况
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11·22青岛输油管道泄露爆炸事件已过去四年有余，在这场特大事故中，62人失去了生命。事故同时造成胶州湾海面溢油污染。针对此次污染，课题组利用GF-1卫星数据对当年11月26日胶州湾内海面油膜进行了提取与分析，验证GF-1卫星数据在小范围、近岸海域溢油监测中的有效性。结果表明，GF-1卫星显示出了其在高时间分辨率和高空间分辨率的巨大优势，连续、精确地对小范围突发事件进行观测的能力是同期其它卫星所不能比拟的。
高分一号
在青岛输油管道海面溢油监测中的应用
作者 | 刘朋（中国航天工程科技发展战略研究院）
获环境保护部公益性科研专项资助
近岸海域的石油开发和溢油事故频发给我国海洋环境带来了沉重的压力。2010年7月16日发生在大连新港的输油管道爆炸溢油事故，污染海域面积达50平方公里，给当地海洋生态环境带来了严重影响。2013年11月22日发生在青岛黄岛区的输油管道破裂爆炸溢油事故,再次引发关于溢油事故危害近岸海域生态环境的强烈争论。溢油事故发生后，能否及时准确的监测溢油对于海洋环境保护具有重要意义。随着卫星遥感技术的高速发展，遥感已经成为监测溢油最重要和最有效手段之一。利用卫星数据不仅可以大面积监测海上溢油，引导海监船只和飞机进行执法监测，还可以作为执法索赔依据。同时，依据遥感卫星连续跟踪油污范围和溢油扩散方向，利于确定最佳油污清除方案。
卫星遥感监测溢油主要借助合成孔径雷达传感器(简称SAR)和多光谱光学传感器,进行溢油目标的探测。SAR的缺点在于时间分辨率低，数据难以及时获取，容易受到疑似溢油目标干扰（如大气、低风速、内波、浅海地形等海洋现象）。多光谱光学传感器主要包括可见光和红外传感器(如MODIS, AVHRR数据等)具有监测覆盖范围广、重访周期短、数据价格低廉、时效性强、光谱信息丰富等优势。国际上，1983 年,O’Neil 等利用GOES 和AVHRR 数据来探测墨西哥溢油。1990年，Dean等利用SPOT卫星数据分析了Exxon Valdez溢油事故。１９９４年，Ｔｓｅｎｇ等人通过ＡＶＨＲＲ 数据对波斯湾溢油进行了监测。2003年，Hu等人利用MODIS 数据检测溢油，并认为在可靠的光学模型和现场测量的基础上，可以通过不同波段的光谱测量溢油厚度。2008年， Hu等人利用MODIS数据首次监测到了墨西哥湾的自然油膜。2010年，H.Srivastava和T.P.Singh利用MODIS数据应用波段比率法成功地对委内瑞拉“马拉开波湖”溢油进行了观测。在国内，1994年，李栖筠等将Landsat TM和AVHRR数据应用于对老铁山水道溢油的监测中。2006年，杨娜利用NOAA/AVHRR数据对“塔斯曼”号和“阿提哥”号溢油事故进行了监测。2009年，陈辉等利用EOS-Aqua/Terra/MODIS数据对长江口溢油、委内瑞拉的马拉开波湖溢油等4 次事故进行光谱分析和研究。2010年，杨红利用NOAA18/AVHRR数据对渤海烟台溢油进行了遥感研究。2011年，姜秋富利用ＦＹ－３Ａ／ＭＥＲＳＩ数据对美国“深水地平线”钻井平台溢油进行了监测，并计算油膜并计算油膜明暗特征变化存在的临界太阳耀斑反射率值。2011年，兰新国等人利用环境小卫星对“7.16”大连新港溢油事故进行了监测，有效地掌握了油污分布和清污情况。
近年来，我国自主研发的风云系列气象卫星、资源系列卫星、环境卫星和海洋卫星等相继发射运行。为了满足我国新时期近岸海域环境保护业务工作，综合利用高分辨率遥感技术重点对近岸海域水体叶绿素、悬浮物、海温、石油污染和化学污染等进行监测。高分一号卫星（简称GF-1卫星）是又一新型高分辨率对地观测的民用卫星，其中空间分辨率和时间分辨率的完美结合，成为高分一号卫星一大亮点。本研究基于GF-1卫星分辨率多光谱相机（WFV）16m分辨率的可见光/反射红外波段数据，以2013年11月发生在青岛黄岛区的溢油事故为案例，通过不同波段油水对比度分析，开展GF-1卫星数据溢油检测方法的研究，提取了油膜方位、面积等信息，并提出利用GF-1卫星数据监测海面溢油的方法流程。
GF-1卫星是我国高分辨率对地观测系统重大专项（简称高分专项）系列卫星之一，该卫星于2013年4月26日成功发射，是我国高分专项的首发星。GF-1卫星为太阳同步卫星，轨道高度645km，倾角98.0506°，卫星姿态稳定度0.0005度/秒，设计寿命5年。GF-1卫星搭载了两台2m分辨率全色/8m分辨率多光谱相机，四台16m分辨率多光谱相机，传感器参数见表1。GF-1卫星数据产品由中国资源卫星应用中心提供，其标准产品根据输入姿轨数据与处理流程的不同分为1A和2A级产品。
GF-1卫星有效 载荷技术指标
2013年11月22日凌晨2时40分，位于山东省青岛经济技术开发区（即黄岛区）秦皇岛路和斋堂岛街交汇处，中石化管道公司输油管线破裂，造成原油泄漏。约3时15分，中石化方面发现管道破裂，黄岛油库关闭输油，但此时原油已进入雨水管线，并沿着雨水管线进入胶州湾。7时左右，青岛海事部门接到报告，发现海面有油。10时30分左右，黄岛秦皇岛路附近，雨水涵道和输油管线抢修作业现场相继发生爆燃。10时40分，距爆炸点约1公里外的雨水管道末端入海口处，发生原油燃烧起火。
网友制作的示意图
事故后造成海面大面积污染
针对本次事故，我们获取了2013年11月22、26、30日GF-1卫星WFV2多光谱1A产品数据，无全色波段，该数据经过0级数据的解析、均一化辐射校正、CCD拼接等常规处理，并提供了卫星数据RPC文件。其中22日卫星扫描时间是北京时间10:58:10，正处于输油管道爆燃不久，天空被大量烟雾笼罩，卫星数据看不到海面情况；26日卫星数据可以清楚看到海面油膜，我们的实验主要是基于26日卫星数据进行；30日卫星数据显示海面已经没有大面积油膜，可能是因为海面清污工作进行的非常迅速。
11月22日卫星图片，事发地附近海域（红框部分）可见明显黑色（浓烟）。
3.1
数据预处理
利用影像波段进行真彩色合成便可以有效识别海面油膜，考虑到溢油范围较小的情况，根据获取到的1A产品数据，首先对数据进行了预处理：利用卫星数据自带的RPC文件对GF-1卫星数据进行几何校正，并裁剪出溢油范围区域。
GF-1真彩色合成影像海面溢油区域
GF-1卫星各载荷的通道观测值计数值DN通过下式（1）转换为卫星载荷入瞳处等效表观辐亮度数据，定标参数由中国资源卫星应用中心官网提供。
3.2
不同波段油水对比度分析
GF-1卫星多光谱数据含有4个波段，分别是蓝光波段（0.45—0.52μm）、绿光波段（0.52—0.59μm）、红光波段（0.63—0.69μm）和反射红外波段（0.77—0.89μm）。为了分析海面辐亮度油水反差，我们做出了溢油区域油膜和海水沿横切线（图1中右图中横线）的辐亮度曲线。分析4个波段的辐亮度曲线，不难看出，1波段和2波段的油水反差最为明显，都表现为油膜的辐亮度值低于海水的辐亮度值，图像中油膜呈现暗色，但是，2波段较1波段而言，油水在曲线上表现的分离度更好；3波段油水反差不明显，油膜与海水混在一起，难以区分，但是，图像中油膜总体呈现暗色；4波段是反射红外波段，与前3个波段不同，溢油区域的辐亮度值高于海水辐亮度值，图像中油膜呈现亮色，陈辉等人在研究MODIS多光谱信息在海上溢油检测中的应用中已经证实，白天在太阳光照的条件下，油膜会吸收太阳光能使油膜区在热红外波段的亮温比背景海水要高，同样在反射红外波段也有类似规律，我们可以基于此特性确定溢油区域。本文利用反射红外在溢油区域辐亮度高于周边海水辐亮度的优势，结合数学图像形态学，做出溢油区域的掩膜图像，再利用其他波段油水反差原理，提出一个针对GF-1卫星多光谱数据的海面油膜提取方法流程。
各波段沿溢油区域中Transect 线的辐亮度曲线
3.3
油膜提取方法流程与结论分析
海面溢油监测的最终目标是要实时、快速提取油膜方位、面积等信息。基于遥感数据对海面溢油进行监测时，油膜信息提取的基本依据是油水反差原理，本文根据对不同波段的油水反差分析，制定了针对GF-1多光谱数据的油膜提取方法流程。首先对数据进行统一的预处理，利用数据自带的校正信息进行几何校正，并进一步对各个波段进行了辐射定标，将观测值计数值DN转换为卫星载荷入瞳处等效表观辐亮度数据，然后将校正后的图像做裁剪，提取出溢油目标区域；利用阈值处理去除陆地背景；利用巴特沃斯低通滤波器去除海水背景；结合图像数学形态学处理，去除散点噪声；利用4波段做出的掩膜，去除与油膜混淆的背景。
GF-1多光谱数据油膜提取流程
本文基于此方法流程对GF-1卫星在青岛输油管道爆炸事故海面溢油应用中的多光谱数据进行了油膜提取，提取结果如图4，从提取结果可以看出，1波段能够有效提取油膜，但是受噪声影响严重，主要是因为该波段油水反差不显著，部分海水和油膜混淆，不能有效分离；2波段能够有效提取油膜面积，且受噪声影响较小，本文在提取时采用保守分离，理论上提取的油膜面积比实际要小。此外，3波段无法有效提取油膜，原因是3波段油水反差不明显，油膜和海水辐亮度值混淆在一块，提取油膜时受海水背景影响严重。
根据2波段数据的油膜面积提取，2013年11月26日，青岛输油管道爆炸事故引起海面油膜面积达0.564平方公里。回顾整个事件，22日发生输油管道爆燃事件，获取到的GF-1卫星数据因为大量烟雾无法观察海面情况；26日根据GF-1卫星多光谱数据提取结果，海面油膜面积达0.564平方公里；30日GF-1卫星数据显示海面已经没有大面积油膜。GF-1卫星显示出了其在高时间分辨率和高空间分辨率的巨大优势，连续、精确的对小范围突发事件进行观测的能力是同期其它卫星所不能比拟的。
油膜提取结果（其中a、c为1、2波段原始图像，b、d为1、2波段提取结果）
GF-1卫星提供2m分辨率全色/8m分辨率多光谱以及16m分辨率多光谱数据，弥补了遥感卫星数据在中、小型海上溢油事件监测力度不足的现状，其4天的重访周期，提高了监测的时间密度和覆盖面积，为相关监测部门提供有力依据。本文利用GF-1卫星多光谱数据对青岛输油管道爆炸海上溢油事故做了详细的实验和分析，利用2、4波段的有效组合，提出一个简单有效的油膜提取方法流程，证明了GF-1卫星具备中、小型近岸海域溢油监测任务的重担。下一步应该参照卫星遥感环境业务化监测应用平台建设，开展建设GF-1号监测近岸海域海洋污染业务化平台。
作者介绍
刘 朋
中国航天工程科技发展战略研究院，高级工程师，
研究方向：工程科技战略研究。
原中国工程院和清华大学公共管理博士后，
原中国环境监测总站环境遥感工程师，
中国海洋大学海洋遥感博士。