封面故事︱海洋一号C卫星为海面溢油监测提供新助力

封面标题：海洋一号C卫星为海面溢油监测提供新助力

出版时间：2020年第8期

封面说明

封面图片为海洋一号 C 卫星海岸带成像仪获取的中国南海东沙岛及周边海域遥感影像图，成像时间为2019年2月20日。在该彩色合成影像上，不仅有效地观测到海洋溢油，还能基于弱耀光反射对比条件下的光谱特征差异，进一步实现对海面溢油污染类型(油膜与乳化油)的识别与区分。准确识别复杂海面溢油污染类型，促进溢油量估算，能为海洋环境监测与评估提供支撑。

海洋溢油光学遥感取得进展

01

海洋溢油的光谱实验分析进一步加强

近年来，随着不同类型与浓度乳化油、不同厚度（非乳化）油膜等复杂溢油污染高光谱响应特征的阐明，对其主要光学作用过程（反射、吸收、散射、干涉、偏振等）的认知与理解不断深入，海洋溢油光学遥感理论逐步发展完善。光学遥感对不同溢油污染类型识别、分类与估算的技术优势得到认可，能为海洋溢油定量监测与评估提供有效支撑。

图1 油包水(Water-in-oil，WO)和水包油(Oil-in-water，OW)乳化油等典型光谱特征，乳化油“-CH”和“-OH”键的光谱特征明显

02

溢油海面的耀光反射成因进一步厘清

溢油海面的耀光反射差异，有利于目标的探测，同时也给其光学遥感识别、分类与估算带来挑战。溢油海面与周边无油海面的耀光“亮暗”对比，主要因溢油海面折射率及其表面粗糙度变化所产生。精确给定上述参数，将能计算并消除溢油海面的耀光反射，获得溢油内部的光学信号，从而提高海洋溢油识别、分类与估算精度。

图2 海面烃渗漏油膜的耀光反射差异

（自然烃渗漏油膜的厚度及其对入射光的吸收几乎可忽略，因其折射率和表面粗糙度对反射太阳耀光的调制，在卫星光学图像上与周边无油海水形成或“亮”或“暗”的图像对比特征；在海面近距离观测中，其对入射光还具有干涉作用，因此目视特征表现为银色亮油膜、彩虹亮油膜等）

03

海面溢油的光学遥感估算进一步发展

光学遥感技术具备对海面溢油的油膜厚度、乳化油浓度、等效溢油量等进行估算的能力，基于光谱特征与光学作用过程，构建光学遥感反演模型，能促进海面溢油的定量遥感估算。

图3 基于高光谱遥感的海面溢油量化

（2010年美国墨西哥湾英国石油公司(British Petroleum，BP)“深水地平线(Deepwater Horizon，DWH)”钻井平台溢油污染事件，利用5月17日机载高光谱(AVIRIS)影像及其光谱反射率，基于溢油乳化物的光学遥感响应机理，能识别海面溢油的不同污染类型，并能利用特征波段实现不同海面溢油乳化物的浓度量化）

参考文献

[1] Lu, Y., Shi, J., Wen, Y., Hu, C., Zhou, Y., Sun, S., Zhang, M., Mao, Z., and Liu, Y. (2019). Optical interpretation of oil emulsions in the ocean – Part I: Laboratory measurements and proof-of-concept with AVIRIS observations. Remote Sensing of Environment, 230 (111183).

[2] Lu, Y., Shi, J., Hu, C., Zhang, M., Sun, S., and Liu, Y. (2020). Optical interpretation of oil emulsions in the ocean –Part II: Applications to multi-band coarse-resolution imagery. Remote Sensing of Environment, 242 (111778).

[3] Lu, Y., Sun, S., Zhang, M., Murch, B., and Hu, C. (2016). Refinement of the critical angle calculation for the contrast reversal of oil slicks under sunglint. Journal of Geophysical Research: Oceans, 121, 148-161.

[4] Shi, J., Jiao, J., Lu, Y., Zhang, M., Mao, Z., Liu, Y., 2018. Determining spectral groups to distinguish oil emulsions from Sargassum over the Gulf of Mexico using an airborne imaging spectrometer. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. 146, 251–259.

[5] 陆应诚,胡传民,孙绍杰,张民伟,周杨,石静,温颜沙.2016.海洋溢油与烃渗漏的光学遥感研究进展.遥感学报,20(5):1259-1269

中国海洋一号C卫星的海面溢油遥感

应用实践

2018年9月发射的海洋一号 C卫星是中国首颗海洋水色业务卫星，搭载水色水温扫描仪、海岸带成像仪、紫外成像仪、星上定标光谱仪和船舶识别系统共 5 个载荷，能为海洋环境监测提供丰富的数据资料。特别是海岸带成像仪信噪比高、辐射性能好、量化等级高，获取的图像细节特征清晰，已经在海面溢油监测中展现了优异的性能。海洋一号 D卫星发射后，双星组网观测，海岸带成像仪覆盖周期由 3 天一次提高为 3 天两次，可为海面溢油的实时、定量、精细化监测提供丰富的数据支撑。

图4 2019年2月20日中国南海东沙岛周边海域溢油事件的HY-1C卫星光学遥感合成影像

（海岸带成像仪(CZI)和水色水温扫描仪(COCTS)均能清晰识别海面溢油，其中海岸带成像仪还能判别不同溢油污染类型）

图5 HY-1C星海岸带成像仪监测到的

海洋溢油事件

（中国周边海域部分溢油事件，分布于主要海洋航运通道上，除了海面油膜，部分溢油事件形成的乳化油也能被观测到）

参考文献

沈亚峰,刘建强,丁静,焦俊男,孙绍杰,陆应诚.2020.海洋一号C星光学载荷对海面溢油的识别能力分析.遥感学报,24(8):933-944

多源遥感综合应用促进海洋溢油监测

遥感技术是海洋溢油监测的主要手段。海面溢油能被微波雷达、光学(多/高光谱遥感)、热红外等不同的传感器所探测，具有不同的遥感机理与响应特征。不同遥感技术用于海洋溢油监测的优势与特点分异显著，因此多源(微波雷达、高/多光谱等)、多平台(星载、机载等)综合遥感技术集成应用, 必将能为海洋溢油的实时动态监测与定量估算提供更优的解决方案。

图6 2018年中国东海“桑吉”轮溢油的

多源遥感综合应用

（利用VIIRS夜间数据可确定“桑吉”轮火点位置，中国GF-3 SAR数据提供了海面疑似溢油的位置与面积；基于Sentinel-2 MSI多光谱数据，不仅能探测溢油面积，还能识别“桑吉”轮溢油形成的不同污染类型）

图7 2010年4月26日美国墨西哥湾溢油的MODIS热红外遥感影像

（基于MODIS光学遥感数据探测的溢油范围用黑线标出，在MODIS热红外遥感图像中，较“冷”的图像特征表明了当日从海底新溢出并漂浮至海面的溢油范围）

图8 基于耀光偏振遥感反演溢油海面

等效折射率

（利用欧空间星载多角度光学偏振遥感卫星(PARASOL)数据，在耀光反射条件下实现溢油海面等效折射率的卫星遥感反演，a和d为美国墨西哥湾溢油海面等效折射率的反演结果，b和e为PARASOL的彩色合成图像，c和f为同一天的MODIS彩色合成图像)

参考文献

[1] 陆应诚, 刘建强, 丁静, 石静，陈君颍，叶小敏. 中国东海“桑吉”轮溢油污染类型的光学遥感识别. 科学通报, 2019, 64: 3213–3222.

[2] Sun, S., Lu, Y., Liu, Y., Wang, M., and Hu, C. (2018). Tracking an oil tanker collision and spilled oils in the East China Sea using multisensor day and night satellite imagery. Geophysical Research Letters, 2018, 45: 3212–3220.

[3] Lu, Y., Zhan, W., Hu, C. (2016). Detecting and quantifying oil slick thickness by thermal remote sensing: a ground-based experiment. Remote Sensing of Environment. 181, 207–217.

[4] Lu, Y., Zhou Y., Liu Y., Mao Z., Qian W., Wang M., Zhang M., Xu J., Sun S., and P. Du. (2017). Using remote sensing to detect the polarized sunglint reflected from oil slicks beyond the critical angle. Journal of Geophysical Research: Oceans, 122, 6342-6354.

[5] Zhou, Y., Lu, Y., Shen, Y., Ding, J., Zhang, M., and Mao, Z. (2020). Polarized Remote Inversion of the Refractive Index of Marine Spilled Oil from PARASOL Images under Sunglint. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 58(4): 2710-2719.

通信作者简介

陆应诚，南京大学国际地球系统科学研究所副教授，研究方向为海洋资源与环境遥感。

E-mail: [e-mail] 

致谢：海洋溢油光学遥感研究及应用实践得到了诸多兄弟单位和专家同仁的支持与帮助。特别感谢国家卫星海洋应用中心刘建强研究员、丁静研究员、宋庆君副研究员、叶小敏博士，美国南佛罗里达大学胡传民教授，自然资源部第二海洋研究所毛志华研究员，中国科学院烟台海岸带研究所邢前国研究员，武汉大学田礼乔教授，中山大学赵俊教授、孙绍杰博士等的长期指导与支持！

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程塨——高分辨率遥感图像目标检测和场景分类研究进展

李小玲——科技期刊论文投稿过程中地图插图的规范使用

国重室——遥感科学国家重点实验室2021年研究生招生宣讲会

郭庆华——激光雷达林业生态应用

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廖明生——滑坡变形雷达遥感监测方法与实践

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