水表薄油膜厚度遙感定量研究對于監(jiān)測海上石油滲漏、估測水表溢油量范圍有著重要的意義。當前水表油膜遙感常用直接統(tǒng)計關系模式估算水表油膜厚度信息,算法簡單、穩(wěn)定性差、物理機理不明確。由于海上近岸水體組分物質的多樣性引起的其光學性質復雜化導致水表油膜遙感檢測方法呈現(xiàn)出很強的區(qū)域性,在建立水表油膜厚度遙感估算模式時要深入了解當地水體環(huán)境背景和水表油膜的光學性質及其相互關系。為更加準確的估算水表油膜厚度信息需要更深入的了解油膜和水體各組分的光學特性和光學輻射在水中的輻射傳輸問題,以及基于高光譜數據的水表油膜厚度探測業(yè)務化運行中的波段選擇和精度保證問題提供理論與實驗基礎。本研究基于以上目的,選擇渤海遼東灣海域為研究區(qū),通過大量的室內純水實驗和實地水體光學調查分析,初步探討了水表油膜厚度估算問題。 本文以水表薄油膜厚度輻射傳輸模型的構建為主線,從光學輻射在水表油膜層中和水下光場中的衰減、散射過程的角度來系統(tǒng)分析研究水表油膜遙感檢測中的厚度估算問題,以獲取水表油膜厚度變化與油膜固有光學特性,尤其是和整個水體組分物質固有光學特性的相互關系和影響規(guī)律。并通過對油膜與水色組分光學參數研究、水表油膜厚度的輻射傳輸模型的研究和油膜厚度的半分析算法研究這樣三個層次來展開分析。主要得到的研究結論和成果有： (1)根據水色輻射傳輸理論,建立了水上薄油膜輻射傳輸參數化模型,模擬了不同油膜厚度條件下總遙感反射率光譜的變化趨勢,分析了模型應用邊界條件問題。通過從Onmm到120nmm的油膜厚度變化的模擬,水體反射率分別在純水和高渾濁水體的環(huán)境中在可見光波段能下降75%和50%的幅度,呈負指數幅度下降,油膜的衰減效應大于其散射效應,表明水表的油膜探測集中在短波藍光波段較為有利。通過對葉綠素和懸浮物質的不同濃度條件下的反射率光譜模擬效果看,模型的主要適用范圍在于葉綠素、懸浮物質濃度為中、低濃度的條件下效果較好,高濃度下的水體組分光學參數難以獲取。 (2)進行了室內純水背景下的薄油膜光譜采集實驗,研究了純水環(huán)境下油膜遙感優(yōu)化探測波段和估算算法。研究指出近紅外光譜區(qū)間(450-800nm)為油膜的敏感反射光譜響應波段,建立的模型在油膜厚度低于lμm的范圍內適應性比較好,油層厚度增厚時,可見光波段的輻射不能穿透油膜表明而使油膜光譜信號出現(xiàn)過飽和狀態(tài),使得估算精度不理想。選擇相關系數較高的薄油膜厚度敏感波段進行了統(tǒng)計回歸算法和半分析算法對比驗證,比較統(tǒng)計和半分析估算算法的結果表明：純水環(huán)境下,利用可見光/近紅外光譜范圍的波段(500nm和580nm)分別進行統(tǒng)計回歸估算油膜厚度的方法能獲得較好的精度,其采用單波段和雙波段比值模型的估算值與實際值的復相關系數R2分別可以達到0.94和0.96；而采用拉凡格氏法(Levenberg-Marquardt)半分析算法進行估算的光譜曲線能較好的保留實測光譜的光譜形態(tài),其計算結果和實測值的復相關系數達到0.98,較經驗統(tǒng)計算法穩(wěn)定,對于不同水域的油膜厚度的估算具有更好的通用性和可對比性。 (3)在水表油膜輻射傳輸理論模型的基礎上,利用拉凡格氏法(Levenberg-Marquardt)迭代計算方法對遼東灣海域水表油膜濃度進行了估算。結果表明,半分析算法計算出的總遙感反射率曲線和實測光譜非常接近。對反演結果和實測濃度數據進行對比分析表明,油膜和懸浮物的濃度估算精度在總體上較高,而葉綠素物質的濃度估算在高濃度區(qū)域精度較低,其估算值較實際值相對低一些。懸浮物濃度的平均誤差是21.8%,葉綠素濃度的平均誤差是42.5%,油膜物質濃度估算的平均誤差是17.8%。選擇579nm波段為主要特征波段,分別擬合固有光學參數與表觀光學參數以及水表油膜濃度之間的函數關系式,最終實現(xiàn)水表油膜表觀光學參量與濃度的遙感反演。
【學位單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2011
【中圖分類】：TP79;X834
【部分圖文】：

圖2.1研究區(qū)范圍圖F一92.1maPofstudyarea2.2薄油膜物理、化學性質石油是地球在其形成的不同歷史時期，由植物或動物等有機物殘骸生成的包含碳氫化合物的混合化合物l8v]。原油因產地的不同顏色非常豐富，有墨綠、紅、黑、縣至透明，原油中膠質、瀝青質的含量越高，它的顏色就越深。原油的密度一般}丁以達到0.89，/cl。3一1.09/cm3，粘度范圍很寬，沸點范圍一般在常溫至500Oc以上。油膜都一!lJ’以溶于有機溶劑中，但不溶于水，在水體表}自l的油膜與水發(fā)生乳化作用，形成水包油或油包水形態(tài)的乳化液。石油的化學組成元素主要是碳(53%一57%)和氫(11%一14%)，其余為硫(0.06%一0.8%)、氮(0.020;0一1.70，0)、氧(0.08%一1.82%)及微量金屬元素(鎳、釩、鐵等)。石油質量的95%一99%上要是由碳和氫化合物所組成的烴類物質構成，不同

溫以及生物活動等的影響，其物理化學性質將隨著時間不斷發(fā)生變化。隨著時間的推移，石油物質在自然水休環(huán)境中的演化進程是比較復雜的，進一步加劇了海上油膜檢測的困難程度1881。在自然水體環(huán)境中的石油歸宿示意圖(如圖2.2)所示，其物理化學性質將隨著時間不斷發(fā)生變化，主要演化過程包括有水體表面擴展過程、空氣揮發(fā)過程、水體溶解過程、光化學氧化作用、微生物群降解吸收和沉積等過程，叫油膜的風化過程189】。在這個過程中，油膜一水通過機械振動(海流、潮汐、風浪等)，以分散的形式形成細小的微粒相互存在于對方介質中，共同組.成一個相對穩(wěn)定的分散體系，可以進一步促進生物體對浮油類的分解作用。這些過程主要受到環(huán)境溫度、溶解氧含量、波浪、油膜的生物化學構成、光照和微生物種群等的影響。擴展過程包括表面慣性擴展、重力粘滯擴展、表面張力擴展的凡個階段1891。它一方而擴大了油膜在水表的覆蓋范圍，另一方面增大了油膜和空氣的接觸面，使更多的油膜通過揮發(fā)作用進入大氣中，從而加快了油膜在水體中的降解過程。揮發(fā)是水體中油膜類物質經過自然過程消失的主要途徑之一

室內薄油膜高光譜遙感實驗是模擬純凈水體環(huán)境下的油膜等厚度變化時的油膜光譜變化過程。這個實驗的關鍵點為獲取油膜等厚度連續(xù)變化過程中的光譜曲線，因此在實驗中主要考慮的因素有:一是要保持水體環(huán)境光學背景以及燒杯附近的光散射場的穩(wěn)定，二是要精確的進行每次添加等量的油膜，從而能穩(wěn)定的控制每次形成的油膜的厚度，這樣就能對薄油膜的厚度變化與光譜上的響應做出定量的分析。圖2.3是本研究中室內薄油膜實驗的示意圖，用一塊完整的黑布料包裹實驗用廣口玻璃燒杯的外杯壁和杯底，在實驗時倒入一定量的純凈水來模擬無底環(huán)境下的水體基木背景光一潛特征哪l。另外，由于水體與油膜的表面張力不同，水對玻璃器皿來說是浸潤物質，因此會在玻璃器皿中形成個凹液面，如圖2.4中藍色的水體凹液面。石油與水是不相溶的，但是石油也容易粘附到玻璃器皿的四壁，形成“掛壁”的現(xiàn)象。水體的凹液而和石油類物質分子自身的較大吸引力，因此通過嚴格控制的手段可以在水體凹液面上形成一個厚度不斷變化的薄油膜凸液而，并可以避免掛壁現(xiàn)象1961。光源
【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 馬俊;;傳統(tǒng)水表檢測裝置的改造及檢測方法的改進[J];工業(yè)計量;2011年04期

2 張健;李昊洋;張岳峰;李艾螢;;水表智能液體流量檢定裝置控制系統(tǒng)[J];油氣田地面工程;2011年05期

3 張亞鵬;王香婷;張廣;陳炎;;基于MSP430的遠程水表監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J];儀表技術;2011年08期

4 王妍;;某高級住宅小區(qū)熱水系統(tǒng)的探討[J];科技信息;2011年17期

5 孫新會;李維煒;張巍峰;;淺談多層住宅建筑給排水設置[J];科技信息;2011年18期

6 王艷斌;;建筑給排水設計常見問題及處理措施[J];科技創(chuàng)新導報;2011年18期

7 靳華安;王錦地;肖志強;李喜佳;;遙感反演時間序列葉面積指數的集合卡爾曼平滑算法[J];光譜學與光譜分析;2011年09期

8 劉超;;美科芯的“芯”戰(zhàn)略[J];供熱制冷;2011年09期

9 郭忠明;王寧練;;雪粒徑遙感反演研究進展[J];冰川凍土;2011年03期

10 朱瑩;;對建筑給排水節(jié)能節(jié)水技術的探討[J];黑龍江科技信息;2011年17期

相關博士學位論文 前10條

1 肖劍偉;水表薄油膜厚度的輻射傳輸模型及遙感估算研究[D];南京大學;2011年

2 呂杰;基于機器學習和輻射傳輸模型的農作物葉綠素含量高光譜反演模型[D];中國地質大學(北京);2012年

3 勞彩蓮;基于蒙特卡羅光線跟蹤方法的植物三維冠層輻射傳輸模型[D];中國農業(yè)大學;2005年

4 馮春;基于輻射傳輸模型的遙感定量化關鍵關鍵問題研究[D];中國地質大學（北京）;2005年

5 王東偉;遙感數據與作物生長模型同化方法及其應用研究[D];北京師范大學;2008年

6 鄧孺孺;青藏高原地表反照率反演及冷熱源分析[D];中國科學院研究生院（遙感應用研究所）;2002年

7 王強;基于多角度混合模型的長白山地區(qū)針葉林區(qū)葉面積指數反演[D];東北林業(yè)大學;2009年

8 帥永;典型光學系統(tǒng)表面光譜輻射傳輸及微尺度效應[D];哈爾濱工業(yè)大學;2008年

9 姜志偉;區(qū)域冬小麥估產的遙感數據同化技術研究[D];中國農業(yè)科學院;2012年

10 李剛;呼倫貝爾溫帶草地FPAR/LAI遙感估算方法研究[D];中國農業(yè)科學院;2009年

相關碩士學位論文 前10條

1 侯慶強;移動式水表在線校準系統(tǒng)研制[D];中國計量學院;2012年

2 杜正;水表和渦輪流量計內部流動的數值模擬[D];中國計量學院;2012年

3 任彬;一種新型的水表聯(lián)網抄表系統(tǒng)[D];大連理工大學;2000年

4 高進勝;山東省水表行業(yè)產品質量管理體系研究[D];山東大學;2010年

5 陳靜瓊;基于無線通信的智能抄水表系統(tǒng)的設計[D];南京林業(yè)大學;2011年

6 張煒;基于M-BUS的水表聯(lián)網抄表系統(tǒng)[D];南京氣象學院;2004年

7 蘇敏;IC卡式水表水費收繳管理信息系統(tǒng)的研究[D];哈爾濱工程大學;2002年

8 邢著榮;基于輻射傳輸模型和CHRIS數據反演春小麥LAI[D];山東科技大學;2010年

9 戴亞文;數字圖像處理技術在水表讀數識別系統(tǒng)中的應用研究[D];武漢理工大學;2003年

10 趙昭;基于VHDL的水表抄表器的邏輯設計及仿真[D];山東科技大學;2004年

本文編號：2877165