Modis時間序列標準差溢油檢測算法的製作方法
2023-10-22 08:41:32 1
專利名稱：Modis時間序列標準差溢油檢測算法的製作方法
技術領域：
本發明為一種基於時空過程的海面溢油檢測算法，特別地，一種基於MODIS時間序列標準差溢油檢測算法。
背景技術：
海洋環境中的石油洩漏已成為造成海面環境汙染的主要原因，嚴重危害海洋生態環境，同時給沿岸的社會、經濟和人類的身體健康帶來直接的危害。隨著海洋石油開發活動愈發頻繁，對海洋環境的危害也在逐漸加大。海洋石油洩漏一般由以下情況引起海上石油鑽井平臺爆炸、海上石油開採的洩露和井噴事故以及油輪在航行過程中擱淺、觸礁和相撞等所引起的石油洩漏事故，導致大量石油在短時間內侵入海洋，造成嚴重的汙染，它發生頻率高，分布面積廣，危害程度高。因此及時精確的對溢油區的識別和及時高效的溢油預測對減少汙染的危害具有至關重要的作用。隨著空間信息技術的飛速發展，利用衛星遙感數據獲取海表面信息的數據量也高速增長。由此，衛星遙感為大區域海洋溢油檢測提供了先進高效的技術手段。目前用於海面溢油檢測的可見光遙感衛星數據源主要包括低解析度的NOAA衛星的AVHRR數據和Seastar 的SeaWiFS數據、中等解析度的Terra和Aqua衛星的MODIS數據、中高解析度的Landsat 衛星的ETM數據和SPOT衛星的HRV等數據。AVHRR數據主要應用於兩方面，一方面是大尺度區域(包括國家、洲乃至全球)調查，主要應用於土地覆蓋調查利氣象監測；另一方面是中小尺度區域的調查，利用AVHRR數據來獲得宏觀的、實時的、能達到一定精度的地面信息。AVHRR沒有海洋通道，光譜解析度也不高，因此，對海洋環境檢測的能力較低。1997年，美國的海洋水色衛星Seastar的發射， 極大地提高了海洋遙感的能力。該衛星上載有的「寬視場水色掃描儀」(SeaWiFS)，SeaWiFS 的光譜解析度比AVHRR有較大的改進，許多海洋用戶採用SeaWiFS資料開展海洋監測，但該數據的空間解析度為I. 1KM，仍然較低。Landsat、SPOT遙感衛星數據在空間解析度上具有優勢，非常有利於溢油的精確檢測分析。但衛星重複訪問周期長，分別為16天和26天， 在實踐上難以對任意日期的海洋溢油進行捕獲和每天連續的跟蹤，並且波段有限，光譜解析度也難以有效地區別溢油區和非溢油區，在現有的中低解析度的其他衛星相比，Terra和 Aqua衛星的MODIS數據，在保留了 AVHRR數據的能力的同時，在數據光譜解析度，數據時間解析度、數據接收和數據格式、衛星波段數與數據應用範圍等方面都作了相當大的改進。特別是每日2次重訪的高時間解析度非常有利於對溢油進行實時監測。MODIS是EOD-AMI系列衛星的主要探測儀器，是當前世界上新一代「圖譜合一」的光學遙感儀器，具有36個光譜通道。在36個波段中I 2波段是250米，3 7波段是500 米，其餘29個波段為1000米。從而使得MODIS數據量大幅度地增加(大約相當於AVHRR 同期數據量的18倍左右)。MODIS數據具有極高時間解析度。衛星一天之內可重訪2次， 對各類突發性、快速變化的自然災害有更強的實時監測能力。由於具有較高的光譜解析度， MODIS的36個波段大大增強了對地球複雜系統的觀測能力和對地表類型的識別能力。而且地面接收站每日或每兩日可獲取一次全球觀測數據，多波段數據可以應用廣泛，對於開展自然災害利生態環境監測、全球環境和氣候變化研究以及進行全球變化的綜合性研究等有著非常大的意義。利用衛星遙感數據進行海洋溢油檢測，可見光技術是最普通的遙感方法，也是造價最低廉的。最為常用的方法是人工判讀方法，通過油品對可見光波段的波普特徵分析，通過專家知識，專家判斷來對海洋溢油進行檢測。遙感圖像的灰度值實際上本身所代表的就是波普特徵，因此波普信息是識別地物的重要依據，色調是載負信息最直接的反映，當然影響判讀解譯的重要因素是幾何分辨路，但是在解譯的過程中，影像的時空特徵也是相當重要的一個因素。因此，僅僅通過專家判讀，很可能因為許多人為因素導致了海洋溢油檢測的錯誤判斷，並且，海洋溢油一般發生在環境惡劣的天氣條件下，影響了數據的可讀性，這就使得通過人工目視解譯方法檢測海洋溢油存在著非常大的不確定性。因此，增加一個隊影像時空特徵的動態監測更加科學的輔助了專家判讀的結果，提高了監測結果的準確性和科學性，為國家相關部門及時應對溢油事件，將危害降低到最小提供決策支持。
發明內容
為了克服並彌補現有的基於專家經驗知識的人工目視解譯海洋溢油檢測方法的不足，本發明提供提出一種新的基於時空過程動態監測的監測方法——基於MODIS時間序列標準差溢油檢測算法。對海洋溢油進行準確及時的識別和監測，更好地為國家相關部門及時應對溢油事件提供高效的決策支持。本發明的技術方案為一種基於MODIS時間序列標準差溢油檢測算法，包括如下步驟(I)基於時間序列長度為N天(或者N大於等於10)的MODIS IB 250米數據N景。(2)數據預處理，包括地理定標，幾何校正，感興趣區切割和提取，反射率數值均一化處理。(3)提取目標區域第2波段紅光波段的反射率值，因為油膜與潔淨海水發射率之差在紅外波段處出現峰值，近紅外光波段海水反射率明顯高於油膜區，因此最能區分出溢油區利非溢油區海域。並將這些反射率值以單個像元為單位分別組成長度為N的反射率值時間序列。(4)對目標區域內的每一個像元(250米*250米)的時間序列做概率統計分析，計算出每個時間序列的均值y和標準差(Standard Deviation) o 均值......+X )/n 標準差(Standard(5)把每一個單獨的像元每天對太陽光的反射事件看成一個獨立的事件，很容易分析可得他們符合二位正太分布，根據(4)的結果，求得每個時間序列反射率值的正太分布曲線。根據正態分布曲線分析可得，當概率分布偏離均值U，靠近兩端時為小概率事件， 即我們所認為的突發事件或者奇異事件。iP< U-1.7.5 0時，這些事件列為奇異事件， 即溢油事件。
(6)基於以上的計算結果，當概率分布P < U-I. 7. 5 O時，這樣的天數我們認定為奇異事件發生時間，標記出來。將以上測定方法應用於目標區域所有的時間序列上，根據突發事件的地理位置和記錄下來的時間重新組合可得檢測結果即一溢油區。
具體實施例方式利用本發明對渤海海域某此海面溢油進行檢測。本次溢油事件發生2006年3月23日渤海曹妃甸海域，東經118° 2' 55 " 119° 9' 52"、北緯38。(V 8" 39。(V 46"，如圖一所示，紅色方框中的區域。以下所有數據處理是利用美國ITT Visual Information Solutions公司ENVI作為軟體平臺。I.數據準備本發明的驗證實例中獲取的是經過系統級校正的MODIS遙感圖像，空間解析度為 250米。一共12個不同時相的遙感圖像。時間範圍為2006年2月20日——2006年4月 20日，並且經過一系列(包括地理定標，幾何校正等)圖像預處理工作。2.感興趣區(ROI)的選擇根據⑴所得到的結果，應用ENVI的ROI來選取發生溢油的大致區域。並提取出第二波段的反射率值。對提取出來的第二波段的反射率值進行數據歸一化處理。3. MODIS時間序列遙感數據溢油檢測算法以每一個像元為單位組成若干個長度為12的反射率數值時間序列。通過
中的公式分別對這些時間序列求取平均值U和標準差(Standard Deviation) o。當密度函數P < ii-I. 7. 5o時，定義為低反射異常事件的經驗值域。在本實驗中， 這類異常事件為溢油事件。如圖二所示，各個時相的異常檢測結果。對ROI中每一個像元的時間序列重複步驟
和
。將所有的異常事件按照時間以及對應的地理位置重組起來便獲得溢油區的地理位置和範圍大小。如圖三所示，上圖為影像灰階圖，下圖紅色區域為檢測到的溢油區域。
圖I是實驗溢油事件發生區域的坐標位置圖；圖2是各個時相異常檢測的結果圖；圖3 是採用本方法溢油區域檢測結果(下)與實際溢油區域(上)的對比效果圖。
權利要求
1.一種基於MODIS時間序列標準差溢油檢測算法，其特徵在於，通過對MODIS遙感數據時間序列的分析，從影像時空過程變化的角度出發，分析它的時空變化特徵。所述海洋溢油檢測的方法包括如下步驟(1)基於時間序列長度為N天(N大於等於10)的MODISIB 250米數據N景。(2)數據預處理，包括地理定標，幾何校正，感興趣區切割和提取，數據均一化處理。(3)提取目標區域第2波段近紅外波段的反射率值。因為油膜與潔淨海水發射率之差在紅外波段處出現峰值，根據海水和油膜區對近紅外波段的波譜相應特徵海水反射率明顯高於油膜區，由此油膜覆蓋區在遙感影像上會呈現低反射率區域，以此來鑑別溢油區和非溢油區海域。並將這些反射率值以單個像元(250米*250米)為單位分別組成長度為N 的反射率值時間序列。(4)對目標區域內的每一個像元的時間序列做概率統計分析，計算出每個時間序列的均值U和標準差(Standard Deviation) o ,如下所示均值
2.根據權利要求I所述的MODIS時間序列標準差溢油檢測算法，其特徵在於時間序列數據⑴和標準差⑷。
3.根據權利要求2所述的時間序列(I)，特徵在於區別於單從空間的方法，此方法從時空結合的方法。
4.根據權利要求2所述的標準差(4)，特徵在於從統計學的角度出發，統計小概率異常事件。
全文摘要
本發明名稱為MODIS時間序列標準差溢油檢測算法，是屬於海洋環境時空過程研究領域，本發明主要創新點在與根據溢油時間和空間的變化檢測溢油，不同於常規的單一地面向空間位置出發的溢油檢測算法。本發明主要解決的技術問題為通過一定的算法檢測出時間序列中的異常變化。主要技術方案如下計算出每個時間序列的均值μ和標準差σ求得正態分布曲線，分析可得由於在該方法中涉及到的是紅光波段反射率較低的溢油區域。當概率分布偏離均值1.7.5σ時，即當P＜μ-1.7.5σ時，這些事件列為奇異事件，如摘要附圖，紅色區域為檢測出的以後區域。本發明主要用於海面石油溢出時間的檢測。
文檔編號G06F19/00GK102609600SQ201110021400
公開日2012年7月25日 申請日期2011年1月19日 優先權日2011年1月19日
發明者王麗, 蘇奮振 申請人:中國科學院地理科學與資源研究所