溢油阻尼散射机制遥感监测研究进展

溢油阻尼散射机制遥感监测研究进展

刘玉芳,1, 邹亚荣,2,3, 梁超2,3

1.航天宏图信息技术股份有限公司,北京 100195

2.国家卫星海洋应用中心,北京 100081

3.自然资源部空间海洋遥感与应用重点实验室,北京 100081

溢油是海洋环境的主要污染源之一,及早监测与发现对保护海洋生态环境具有重要的价值与意义。针对溢油散射机制问题,通过分析基于波浪谱溢油后向散射系数计算研究,综合考虑水体特性、水分子张力、弹性模型及表面张力等因素的研究状况进行了分析,对针对微扰近似解方程,结合水体参数的阻尼作用的研究开展了综述,阐述溢油遥感监测阻尼在与波浪谱结合不紧密以及阻尼的定量计算不够等研究不足问题,并提出了今后溢油遥感监测阻尼的研究在针对海浪谱的阻尼特性、基于波浪谱后向散射系数计算的研究方向,为定量分析溢油的阻尼特性提供技术支撑,从而提高溢油遥感监测的精度。

0 引言

海洋是地球的蓝色宝库,孕育了丰富的资源,是人类可持续发展的重要资源。随着社会经济的发展,人类不断对海洋资源进行开发利用给海洋生态环境造成了不同程度的损害,尤其是海洋石油勘探开发活动与海上运输业等活动的溢油污染对其生态环境造成了巨大的灾害。近年来,发生过多起恶性溢油事故,如2010年大连新港石油管道爆炸事故,1 500余t原油流入海湾,造成直接经济损失共近44.80亿元 [1]; 美国墨西哥湾“深水地平线”石油钻井平台爆炸事故,造成北美国家的直接经济损失约数千亿美元,对全球生态环境损害无以量计 [2]; 2011年蓬莱“19-3平台溢油事件”,造成的生态损害价值共计16.83亿元 [3]; 还有2018年“桑吉”轮碰撞事故等。溢油事故往往造成大面积海域污染,造成严重的生态破坏,带来巨大的经济损失,因此已引起各国政府的高度重视。世界各国都积极参与海上溢油的监视和遥感监测。由于我国经济飞速发展和石油战略储备的需要,海上石油运输量猛增,油轮数量增加且呈大型化趋势,这就增大了溢油事故尤其是大型溢油事故的可能性。需要采取及时、有效的应急反应行动,以减少溢油的危害,保护海洋生态环境。

溢油对波浪的阻尼作用会在合成孔径雷达(synthetic aperture Radar,SAR)图像上形成“黑斑”,因此大多采用SAR数据开展溢油的遥感监测。但目前对溢油散射机制的揭示还不够,而这是应用SAR数据监测溢油的根本。本文对学者们在溢油散射方面的研究成果进行了总结概括,阐述目前溢油遥感监测散射机制存在的不足,并指出今后的研究方向。

1 随机粗糙表面的雷达电磁波散射研究

1.1 随机粗糙表面的雷达电磁波散射

随机粗糙表面的雷达电磁波散射问题已被广泛开展研究,先后发展了多种近似模型(表1)。Gill等[4]建立了海面雷达散射截面计算模型,其模型中考虑了多普勒频率影响,对低入射角下海面垂直极化散射计算有效。基尔霍夫近似(Kirchhoff approach,K-A)是较早的散射计算近似模型,其假定空间任意一点的附近的表面等效于该位置的切平面,这一假定当表面平均曲率比入射电磁波波长更大时成立,因此K-A近似模型适用于海面粗糙度较大的海况。小扰动近似模型(small perturbation method,SPM)被用以计算较小粗糙度表面的雷达后向散射截面[5],通过在小粗糙表面假定条件下,对非镜面散射部分表达式中的指数项进行泰勒展开替换,获取SPM模型估计局地尺度与入射波数、入射角、散射角、极化方式及海表面高度谱之间的定量公式,SPM近似模型仅适用于粗糙度角较小的表面,K-A模型与SPA模型应用最为广泛[6,7,8,9],Chen及Thorsos等学者先后使用高斯随机粗糙表面谱及Pierson-Moskowitz(P-M)谱研究了这两种近似模型的适用性限定条件[10,11,12],这两种模型只能计算单一粗糙度表面的电磁波散射,然而现实海面常表现出多种尺度的粗糙度。为此,学者们提出了双尺度模型(two scale method,TSM)[13],TSM模型是对前述模型的综合,将表面散射看作全局尺度与局地尺度的平均,适用设定的波数值Kd对表面粗糙度进行尺度划分,并利用SPM模型估计局地尺度,但TSM模型中Kd选取是任意的,不同学者划分参数不尽相同。小斜率近似模型(small slop approximation,SSA)[14,15,16,17]与TSM模型类似,同样结合K-A模型与SPM模型,以拓展模型使用范围而适应于多种粗糙度表面。SSA模型可以在一种理论框架下适应长、中、小尺度波数区间海面粗糙度下的散射计算。

1.2 海面雷达电磁散射模拟计算

通过近似模型计算海面电磁散射,需要已知目标表面物理和几何特性,物理特性包括目标磁导率及介电常数,几何特性包括海表面斜率概率分布或海表面高度谱。前文研究中使用的P-M谱近似模拟了海面波频率谱随表面风速的变化,P-M谱对充分发展的海面具有较好的模拟[18,19],这些模型将探测表面描述为一种具有已知概率密度分布及相关方程的稳定的二维随机过程。遥感研究中首要获取小尺度粗糙表面高度谱,然而海面波长较短的波往往与长波同时存在,且受到长波的调制,因此,学者们先后发展出了多种描述整个波数区间的海面高度谱[20,21,22]。Bjerkaas-Riede谱将波谱分为4个区间,分别用P-M谱描述重力波,用Pierson谱描述重力-短重力毛细波,用 Kitaigorodskii 及Leykin-Rosenber谱描述小重力波及重力毛细波,最后用Cox测量的斜率谱描述毛细波区间。Bjerkaas-Riede谱的缺点在于需要5个参数来调整波谱区间之间的连续性,并且只能用于描述充分发展的海面波浪。Fung等[23]将该谱简化到2个区间,分别适用P-M谱和Pierson谱描述重力波与重力-毛细波。Donelan-Pierson谱也分为2部分,其中重力波采用JONSWAP谱,更短尺度的表面波通过风输入及黏性阻尼及波浪引起的局地耗散之间的平衡来推导。Apel发展了一种简单的描述整个波浪区间解析模型来进行电磁散射计算,Elfouhaily等在总结和分析了已有海面高度谱模型的基础上,提出了一种统一的高度谱,它将海面谱写为各向同性的能量谱与角扩展函数的乘积,其结果与Cox和Munk试验测量结果及实际遥感数据吻合度均较好[24]。

2 溢油阻尼散射遥感机制研究

2.1 海面油膜阻尼比研究

为了定量研究油膜的阻尼作用,学者们通过建立理想的物理模型以描述油膜覆盖的海面与雷达电磁波的相互作用关系,在此基础上,通过选择适当的物理海洋学模型来描述油膜对海洋表面的调制效果,从而进一步揭示油膜层的电磁特性。

海上油膜对小尺度海面波具有阻尼效应[25],因而可在SAR影像上形成暗斑。不同种类油膜因其黏弹特性的不同具有不用的阻尼特性,油膜对海面短重力-毛细波的阻尼作用可以用Marangoni理论解释[26,27]。阻尼比(damping ratio)定量描述油膜对海浪谱的阻尼效应,Lombardini等给出了油膜阻尼比的解析表达式,从而油膜覆盖海面的波浪谱可以通过阻尼比与干净海面波浪谱相联系(表2),通过现场微波测量有无油膜覆盖海面的波浪谱,模型计算与实际测量结果具有较好的一致性[28]。为了研究油膜的阻尼效应,学者们先后开展了多项海上或室内实验[29,30,31,32,33,34,35,36,37,38]。Gade等[39]基于Marangoni理论将阻尼比定义为油膜覆盖海面与无油膜覆盖海面黏性阻尼系数的比值,给出了阻尼比近似表达式,并计算了3种油膜(OLA,OLME和TOLG)的理论阻尼曲线。学者们利用执行SIR-C/X-SAR任务期间的多次海上油膜实验及其他机载雷达散射计测量数据分析油膜阻尼与环境风速的关系,结果表明并不总是存在理论计算中的最大阻尼区间,油膜阻尼特性与风速大小存在较大关联。为了解释这种现象,Gade等[40]提出必须在阻尼计算中考虑波动平衡方程各作用项的影响,该方程将海面波的传播能量分解为风场输入项、非线性波-波相互作用及耗散项,而耗散项又进一步分解为粘性耗散项及风浪破碎作用项。Gade和Hasselmann等学者[41,42]基于Plant等研究中给出的风场输入及粘性耗散项表达式,将油膜的理论阻尼比写成油膜覆盖海面与无油膜海面雷达后向散射截面的比值的形式,并基于该公式定性分析了前文所述多次海上油膜测量实验中实测的油膜阻尼比,提出了不同种类油膜在中(5 m/s)、低(3.5~4 m/s)、高(12 m/s)等不同风速条件下的阻尼变化情况的理论解释,并给出了高风速(大于10 m/s)海况下油膜阻尼比近似计算公式[43]。Ermakov[43]进一步给出了公式中阻尼系数模型以描述弹性油膜对表面重力毛细波的作用。Gambardella在此基础上得出了微风及中等风速条件下海面油膜阻尼模型。

2.2 海面溢油SAR信号模拟

基于油膜阻尼理论,Franceschetti等 [44]在前人研究基础上,开展了海洋环境下溢油SAR原始信号模拟研究,采用分布式表面模型(distributed surface,DS) 进行SAR原始信号仿真,对海面建模采用多尺度模型,并采用Pierson对海面建模采用多尺度谱描述小尺度海表面波,基于Marangoni理论及非线性能量传输理论,构建模型以表达海面存在油膜时油膜物理化学特性及海面风场对海面波谱的综合调制作用,给出了阻尼比率的公式表达,从而定量描述了油膜物理属性对海面波浪谱的阻尼作用。Timchenko等[45]考虑波长较长的表面波对海面粗糙度的调制作用,在SPM模型基础上,提出了一种扩展到整个海面波谱区间的模型,通过数值模拟了油膜覆盖海面雷达后向散射衰减。Nicolas等[46]以Elfouhaily统一海浪谱作为干净海面,利用Lombardini阻尼比,计算油膜覆盖海面高度谱,从而分析油膜对海面均方根斜率的影响,进一步采用PILE模型模拟海面雷达后向散射界面,并与几何光学近似模型进行对比分析。Nunziata等[47]在双尺度边界扰动模型框架下计算海面生物油膜散射对比度,对比SPM模型,发现TSM BPM模型能很好地解释和预测表面生物膜散射对比度。Ayari等[48]基于Lombardini等阻尼比公式计算分析结果,选取Elfouhaily建立的统一海浪谱,结合TSM模型,分别计算了前向、后向及双基站配置下油膜覆盖海面雷达后向散射截面。Minchew等[49]利用L波段SAR开展了深水地平线油井溢油极化散射分析,给出了极化阻尼比计算公式,利用2个航次多视无人机载SAR数据计算了油膜极化阻尼比。Ermakov等[50]通过实验和数值模拟手段研究了油膜对重力毛细波的阻尼作用,利用重力毛细波相对阻尼系数计算公式计算了3种波长下不同油膜厚度的阻尼系数,发现最大阻尼的油膜厚度在0.3~1 mm之间。

Kim等[51]在前述研究基础上,利用微波散射模型和Monte-Carlo模拟分析了溢油覆盖海洋表面的雷达后向散射。在该研究中,对于给定的风速,用海洋波谱数值生成一维粗糙海面。然后通过在模拟的粗糙海面上添加薄油层来产生双层介质。利用矩量法计算出具有双层介质的海面反向散射电场,并使用蒙特卡洛技术针对表面粗糙度、油层厚度、频率、极化和入射角的各种条件,对每个溢油表面的N个独立样品统计地获得后向散射系数。数值模拟结果与2007年河北省Spirit油轮引起海面溢油SAR图像进行了比较。此外,该方法还通过仿真不同入射角、不同风速及油层厚度下后向散射系数的影响来探寻溢油检测的最佳条件。

Zheng等[52]在小扰动模型和传统的TSM模型的框架下,建立了理论模型模拟海面微波回波的极化参数特性,并将数值模拟结果与无人机载L波段全极化SAR影像进行比较,表明其理论模型可以用来估算25~60行入射角下海面微波散射的极化特征。

Kim等[51]在研究中通过采用与海面风浪区相关的波谱模型提高了X波段SAR后向散射系数仿真精度,以Elfouhaily和Durden-Vesecky为特征波浪谱,其中,Durden-Vesecky谱适用于充分发展的海面,而Elfouhaily谱考虑风浪区尺度。基于这2个波浪谱,采用Mont-Carlo方法仿真产生一维随机粗糙表面,结合矩量法计算SAR后向散射系数,对比2007年河北(河北省)Spirit油轮溢油TerraSAR-X影像,对充分发展海面与风浪区相关的Elfouhaily谱具有比Durden-Vesecky谱更好的一致性,研究表明该方法还可进一步发展以用于估算溢油量。

在考虑水深因素的条件下,有学者提出了一种适合于浅海环境下溢油海面的仿真方法。该方法基于Lombardini建立的溢油海面海浪谱,使用TMA谱模型和Marangoni溢油理论模型,可用于浅海环境下海面溢油电磁散射计算及分析溢油对电磁散射的影响[53]。

3 目前研究的不足

对于溢油遥感监测,大多学者应用SAR卫星数据,在图像处理、极化分解等方面进行了溢油遥感信息提取的极化参数、分解等多种方法研究[54,55,56], 取得了一定的效果。在溢油的散射的小散射面研究方面,利用小扰动模型对溢油与海水开展了定量研究,但方法均存在一定的局限性,难以满足应急业务的需要。溢油遥感监测机制在于溢油对海面的阻尼作用,上述研究在溢油阻尼等方面研究还不够深入,主要表现为以下3个方面:

1)与实际海面波浪谱结合不紧密。通过后向散射来揭示溢油对于波浪的阻尼作用研究不够,针对溢油与海水的后向散射,在后向散射的计算方面研究较多,但阻尼机制研究不多。

2)阻尼的定量计算不够,基于后向散射开展溢油阻尼研究,获得了溢油与海水等后向散射,未能与现场结合,通过仿真来揭示溢油的阻尼特性,但溢油阻尼的定量关系揭示不够,尤其是阻尼随着油膜存在时间而发生的持续物理相态变化时阻尼水平相应变化的定量研究很少,现有方法并没有揭示溢油阻尼的定量特性,在溢油阻尼的定量关系方面急需深入研究。

3)理论研究与业务应用的结合不足。目前研究溢油阻尼特性多针对理论或经验的海面谱模型,理论模型研究的溢油阻尼特性如何真实反映在SAR获取的实时海面谱上,油膜类型、厚度、生命期等造成的阻尼特性的变化对海面波浪谱和SAR探测配置条件有哪些定量化限定尚没有得到充分研究。

4 结论与建议

溢油散射为Bragg散射,以此为基础发展的算法已成为目前的主要算法,解决了溢油遥感探测问题,一定程度上满足了溢油遥感监测要求,但由于存在较多虚警,因而业务化程度不高。本文通过对近年来溢油散射研究的总结,认为采用极化分解与实验方法,建立极化分解模型进一步提高溢油的监测精度,需要在以下4方面做深入研究。

1)理论海浪谱与实际海面分布相结合的阻尼特性研究。考虑溢油发生的不同时相状态,研究溢油与海水的物理特征,研究溢油作用下不同海洋环境场的海浪谱方程以及能满足Bragg散射的海浪谱表达式; 以纯海水为阻尼基础,开展溢油对海洋毛细波阻尼的分子间脉冲作用力、弹性力、表面张力及粘滞系数等因素的分析,建立阻尼作用因子与阻尼之间的定量关系,进行实际波浪谱下溢油阻尼机制研究。

2)开展有效介电常数的定量估算和散射模型的有效介质理论是研究溢油阻尼作用的一个重要基础。需要掌握模型的理论基础,被观测表面复介电常数的能力是改进和更好地理解散射模型和过程的有力工具。由于水(空气/水乳液)的物理变化,其应具有不同的介电性能,通过对介电常数的研究,结合海洋现场环境参数,可以更好地区分粗糙度效应和非偏振效应。同时为了全面地分析问题,必须进一步研究具有可变参数(采集几何、电磁频率)的采集数量,以进行从介电常数到溢油阻尼特征的研究。

3)开展实际海况条件下SAR对溢油阻尼响应机制的研究。开展小散射面微波散射特性的研究,从理论和数值模拟方面研究不同海况下海面风浪谱下SAR对溢油阻尼的定量响应水平,从而确定探测海洋表面溢油的最佳海况,考虑雷达波长、方位角、入射角、海面倾斜及倾斜海面纹波变化率等要素,研究不同参数下的海面微尺度散射特性。

4)不同波段对溢油的阻尼作用存在不同,利用不同波段信息,获取多种极化与物理参数开展溢油阻尼研究是未来的一个重要研究方向。

3 目前研究的不足

对于溢油遥感监测,大多学者应用SAR卫星数据,在图像处理、极化分解等方面进行了溢油遥感信息提取的极化参数、分解等多种方法研究[54,55,56], 取得了一定的效果。在溢油的散射的小散射面研究方面,利用小扰动模型对溢油与海水开展了定量研究,但方法均存在一定的局限性,难以满足应急业务的需要。溢油遥感监测机制在于溢油对海面的阻尼作用,上述研究在溢油阻尼等方面研究还不够深入,主要表现为以下3个方面:

1)与实际海面波浪谱结合不紧密。通过后向散射来揭示溢油对于波浪的阻尼作用研究不够,针对溢油与海水的后向散射,在后向散射的计算方面研究较多,但阻尼机制研究不多。

2)阻尼的定量计算不够,基于后向散射开展溢油阻尼研究,获得了溢油与海水等后向散射,未能与现场结合,通过仿真来揭示溢油的阻尼特性,但溢油阻尼的定量关系揭示不够,尤其是阻尼随着油膜存在时间而发生的持续物理相态变化时阻尼水平相应变化的定量研究很少,现有方法并没有揭示溢油阻尼的定量特性,在溢油阻尼的定量关系方面急需深入研究。

3)理论研究与业务应用的结合不足。目前研究溢油阻尼特性多针对理论或经验的海面谱模型,理论模型研究的溢油阻尼特性如何真实反映在SAR获取的实时海面谱上,油膜类型、厚度、生命期等造成的阻尼特性的变化对海面波浪谱和SAR探测配置条件有哪些定量化限定尚没有得到充分研究。

4 结论与建议

溢油散射为Bragg散射,以此为基础发展的算法已成为目前的主要算法,解决了溢油遥感探测问题,一定程度上满足了溢油遥感监测要求,但由于存在较多虚警,因而业务化程度不高。本文通过对近年来溢油散射研究的总结,认为采用极化分解与实验方法,建立极化分解模型进一步提高溢油的监测精度,需要在以下4方面做深入研究。

1)理论海浪谱与实际海面分布相结合的阻尼特性研究。考虑溢油发生的不同时相状态,研究溢油与海水的物理特征,研究溢油作用下不同海洋环境场的海浪谱方程以及能满足Bragg散射的海浪谱表达式; 以纯海水为阻尼基础,开展溢油对海洋毛细波阻尼的分子间脉冲作用力、弹性力、表面张力及粘滞系数等因素的分析,建立阻尼作用因子与阻尼之间的定量关系,进行实际波浪谱下溢油阻尼机制研究。

2)开展有效介电常数的定量估算和散射模型的有效介质理论是研究溢油阻尼作用的一个重要基础。需要掌握模型的理论基础,被观测表面复介电常数的能力是改进和更好地理解散射模型和过程的有力工具。由于水(空气/水乳液)的物理变化,其应具有不同的介电性能,通过对介电常数的研究,结合海洋现场环境参数,可以更好地区分粗糙度效应和非偏振效应。同时为了全面地分析问题,必须进一步研究具有可变参数(采集几何、电磁频率)的采集数量,以进行从介电常数到溢油阻尼特征的研究。

3)开展实际海况条件下SAR对溢油阻尼响应机制的研究。开展小散射面微波散射特性的研究,从理论和数值模拟方面研究不同海况下海面风浪谱下SAR对溢油阻尼的定量响应水平,从而确定探测海洋表面溢油的最佳海况,考虑雷达波长、方位角、入射角、海面倾斜及倾斜海面纹波变化率等要素,研究不同参数下的海面微尺度散射特性。

4)不同波段对溢油的阻尼作用存在不同,利用不同波段信息,获取多种极化与物理参数开展溢油阻尼研究是未来的一个重要研究方向。

参考文献（略）