【摘要】：近年來(lái)海洋溢油事件頻發(fā),海洋溢油已成為當(dāng)今全球海洋污染最嚴(yán)重的問(wèn)題之一,海洋溢油發(fā)生后,一系列的問(wèn)題等待回答:是什么時(shí)間發(fā)生了溢油?在哪個(gè)地方溢了油?溢了什么油?溢了多少油?是誰(shuí)溢的油?溢油發(fā)生后,時(shí)間地點(diǎn)已經(jīng)確定,但是接下來(lái)的三個(gè)問(wèn)題較難回答。本文嘗試使用多種傳感器和智能識(shí)別算法來(lái)回答上述三個(gè)問(wèn)題。論文的具體研究工作如下:溢油種類的鑒別是海洋溢油探測(cè)的重要工作之一。利用地物光譜儀進(jìn)行了模擬溢油實(shí)驗(yàn),采集了3種紫外光源(254、302、365 nm)和2種可見(jiàn)光源(日光燈和太陽(yáng)光)下的5個(gè)油種(汽油、柴油、煤油、機(jī)油、花生油)的高光譜數(shù)據(jù)(200-1160nm),通過(guò)PCA進(jìn)行特征優(yōu)化,并構(gòu)建了支持向量機(jī)的油種識(shí)別模型,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)油種鑒別過(guò)程中光源的類型、照射方式、光強(qiáng)都會(huì)影響到油種識(shí)別的效果;通過(guò)自制的紫外高光譜相機(jī),采集了上述3種紫外光源下上述5個(gè)油品及原油在8個(gè)濾波片(365、404、410、420、435、450、546、577)情況下的多光譜圖像。以圖像光斑24個(gè)顏色分量均值為特征,提出了一種通過(guò)聯(lián)合熵最大化的ICA方法特征優(yōu)化方法,K-均值聚類和SVM識(shí)別效果顯示,該方法可有效提高識(shí)別率。為利用不同油種的發(fā)光特性來(lái)探測(cè)海洋溢油。通過(guò)高光譜成像儀,在兩種照明模式下采集了上述6種溢油油種的高光譜圖像�；�33個(gè)波段構(gòu)建了波段均值、波段差、波段比和歸一化波段比4個(gè)輻射指數(shù),提出了基于Fisher和PCA的模型共識(shí)溢油高光譜特征選擇方法,SVM識(shí)別結(jié)果顯示,比較發(fā)現(xiàn),光源混合、波段運(yùn)算和模型共識(shí)的多模式融合方法從不同側(cè)面提高了模型的溢油識(shí)別能力。針對(duì)溢油乳化問(wèn)題和夜間探測(cè)需要,提出了通過(guò)大功率紫外LED誘導(dǎo)和基于高光譜波段差的溢油及乳化探測(cè)方法。基于同步采集的原油、乳化油和本底海水的高光譜圖像,多種方法進(jìn)行了特征優(yōu)化結(jié)果發(fā)現(xiàn):紫外LED光源更適合夜間溢油及乳化的準(zhǔn)確探測(cè)。通過(guò)Fisher提取的有效波長(zhǎng)(400-420nm),更適合于實(shí)際在線溢油探測(cè)。受航空遙感高光譜影像空間分辨率的限制,準(zhǔn)確探測(cè)溢油覆蓋度較為困難,本文首先以NMF非負(fù)矩陣分解算法為基礎(chǔ),提出了一種分區(qū)端元子集的N-FINDR端元提取和負(fù)熵最大ICA二次端元提取方法,并給出了太陽(yáng)耀斑區(qū)溢油估算方法,仿真實(shí)驗(yàn)顯示豐度估計(jì)誤差低于3%,對(duì)2011年山東長(zhǎng)島溢油機(jī)載高光譜成像數(shù)據(jù)運(yùn)算結(jié)果,與現(xiàn)場(chǎng)人工估測(cè)面積偏差為2.15%。另外對(duì)獨(dú)立分量分析算法增加了非負(fù)約束和和為1約束,并且利用高階統(tǒng)計(jì)量權(quán)值排序和光譜角匹配克服了光譜順序不確定性。實(shí)現(xiàn)了端元提取和豐度量化一次完成。仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)顯示,該方法可準(zhǔn)確計(jì)算真實(shí)溢油覆蓋度和覆蓋面積,效果好于二次端元提取方法,該方法可有效應(yīng)用于海洋溢油的監(jiān)測(cè)中。溢油組分的精確解析是溢油源追溯的重要內(nèi)容。以辛烷值為例,基于紅外光譜儀(900-1700nm)采集的60組汽油數(shù)據(jù),研究汽油辛烷值預(yù)測(cè)過(guò)程中的模型優(yōu)化問(wèn)題,優(yōu)化得到的組合模型:PCA-GA-SVM,表現(xiàn)優(yōu)秀。進(jìn)一步提出了一種基于核獨(dú)立分量分析(K-ICA)和支持向量機(jī)回歸(SVR)的汽油組分的預(yù)測(cè)方法,通過(guò)非線性映射核,使得ICA能夠快速進(jìn)行光譜信號(hào)的盲分解,進(jìn)而解析汽油組分的獨(dú)立分量(ICs),然后基于這些分量構(gòu)建非線性SVR模型,對(duì)汽油的辛烷值進(jìn)行預(yù)測(cè),該方法已基本上滿足工業(yè)級(jí)辛烷值預(yù)測(cè)的需要,對(duì)石油組分精確解析具有借鑒意義�；谶b感手段,對(duì)海洋溢油的精確化探測(cè)和解析,是溢油探測(cè)的重要工作內(nèi)容,本文提出的工作方法與工作模式,對(duì)溢油遙感探測(cè)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用具有積極意義。本文雖然是針對(duì)海洋溢油探測(cè)方面的研究,但形成的相關(guān)方法可有效移植到石油工業(yè)、食品工業(yè)等其他行業(yè)的探測(cè)與識(shí)別中。
【圖文】：

圖 1-1 黃島輸油管道爆炸（11-22 事件）檢測(cè)到大面積溢油（白色區(qū)域）The detected large area of oil spill of Huangdao pipeline explosion (11-2外研究現(xiàn)狀洋溢油多傳感器探測(cè)進(jìn)展技術(shù)從 60 年代末應(yīng)用于溢油監(jiān)測(cè)以來(lái)，發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用，域取得了大量的研究成果，下面分別從傳感器、遙感平臺(tái)、研究團(tuán)隊(duì)面綜述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。感器，多種遙感傳感器可用于各種水上溢油的探測(cè)、定位、乃至油膜厚度器包括基于可見(jiàn)光（VIS）、紅外（NIR、MIR、TIR）、紫外（UV）、熒光譜/高光譜/超光譜、雷達(dá)（SAR、SLAR）、微波輻射計(jì)等[4]，其中

航空遙感：航空遙感是利用航空平臺(tái)搭載相應(yīng)的傳感器進(jìn)行地物遙感，搭載平臺(tái)包括飛機(jī)、熱氣球等，通過(guò)航空平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)。鑒于星載遙感多方面的缺陷，，近年來(lái)機(jī)載遙感發(fā)展很快。它具有反應(yīng)機(jī)動(dòng)靈活、分辨率高、速度快、影像可以實(shí)時(shí)傳輸、可對(duì)高危地區(qū)進(jìn)行探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。航空遙感可有效補(bǔ)充是航天遙感的不足[19]，搭載相應(yīng)的傳感器可以實(shí)現(xiàn)中小目標(biāo)的應(yīng)急探測(cè)。目前根據(jù)不同類型的遙感任務(wù)可搭載多種遙感設(shè)備等，且部分設(shè)備已完成了小型化[20]。不過(guò)，由于受航空器材的影響，對(duì)離岸較遠(yuǎn)、大面積的檢測(cè)效率較低；無(wú)法完成全天候、全天時(shí)的檢測(cè)，且成本較高。地面遙感：地面遙感主要指通過(guò)地面平臺(tái)較近距離的遙感探測(cè)技術(shù)，可以以高塔、遙感車或船體為遙感平臺(tái)，地物波譜儀或其他傳感器安裝在這些地面平臺(tái)上可進(jìn)行近距離、小范圍溢油實(shí)時(shí)檢測(cè)，特別適用于采油區(qū)、油輪碼頭等高危區(qū)域?qū)崿F(xiàn)便捷、連續(xù)檢測(cè)，成本較低，但監(jiān)測(cè)覆蓋范圍小，無(wú)法對(duì)復(fù)雜氣象下的溢油進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)石油大學(xué)(華東)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：X55;X834

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本文編號(hào)：2604591