發(fā)布時間：2020-03-28 14:43

【摘要】：近年來海洋溢油事件頻發(fā),海洋溢油已成為當(dāng)今全球海洋污染最嚴重的問題之一,海洋溢油發(fā)生后,一系列的問題等待回答:是什么時間發(fā)生了溢油?在哪個地方溢了油?溢了什么油?溢了多少油?是誰溢的油?溢油發(fā)生后,時間地點已經(jīng)確定,但是接下來的三個問題較難回答。本文嘗試使用多種傳感器和智能識別算法來回答上述三個問題。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的重要工作之一。利用地物光譜儀進行了模擬溢油實驗,采集了3種紫外光源(254、302、365 nm)和2種可見光源(日光燈和太陽光)下的5個油種(汽油、柴油、煤油、機油、花生油)的高光譜數(shù)據(jù)(200-1160nm),通過PCA進行特征優(yōu)化,并構(gòu)建了支持向量機的油種識別模型,實驗發(fā)現(xiàn)油種鑒別過程中光源的類型、照射方式、光強都會影響到油種識別的效果;通過自制的紫外高光譜相機,采集了上述3種紫外光源下上述5個油品及原油在8個濾波片(365、404、410、420、435、450、546、577)情況下的多光譜圖像。以圖像光斑24個顏色分量均值為特征,提出了一種通過聯(lián)合熵最大化的ICA方法特征優(yōu)化方法,K-均值聚類和SVM識別效果顯示,該方法可有效提高識別率。為利用不同油種的發(fā)光特性來探測海洋溢油。通過高光譜成像儀,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�；�于33個波段構(gòu)建了波段均值、波段差、波段比和歸一化波段比4個輻射指數(shù),提出了基于Fisher和PCA的模型共識溢油高光譜特征選擇方法,SVM識別結(jié)果顯示,比較發(fā)現(xiàn),光源混合、波段運算和模型共識的多模式融合方法從不同側(cè)面提高了模型的溢油識別能力。針對溢油乳化問題和夜間探測需要,提出了通過大功率紫外LED誘導(dǎo)和基于高光譜波段差的溢油及乳化探測方法�；�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確探測。通過Fisher提取的有效波長(400-420nm),更適合于實際在線溢油探測。受航空遙感高光譜影像空間分辨率的限制,準確探測溢油覆蓋度較為困難,本文首先以NMF非負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端元提取和負熵最大ICA二次端元提取方法,并給出了太陽耀斑區(qū)溢油估算方法,仿真實驗顯示豐度估計誤差低于3%,對2011年山東長島溢油機載高光譜成像數(shù)據(jù)運算結(jié)果,與現(xiàn)場人工估測面積偏差為2.15%。另外對獨立分量分析算法增加了非負約束和和為1約束,并且利用高階統(tǒng)計量權(quán)值排序和光譜角匹配克服了光譜順序不確定性。實現(xiàn)了端元提取和豐度量化一次完成。仿真實驗和真實數(shù)據(jù)實驗顯示,該方法可準確計算真實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)測過程中的模型優(yōu)化問題,優(yōu)化得到的組合模型:PCA-GA-SVM,表現(xiàn)優(yōu)秀。進一步提出了一種基于核獨立分量分析(K-ICA)和支持向量機回歸(SVR)的汽油組分的預(yù)測方法,通過非線性映射核,使得ICA能夠快速進行光譜信號的盲分解,進而解析汽油組分的獨立分量(ICs),然后基于這些分量構(gòu)建非線性SVR模型,對汽油的辛烷值進行預(yù)測,該方法已基本上滿足工業(yè)級辛烷值預(yù)測的需要,對石油組分精確解析具有借鑒意義。基于遙感手段,對海洋溢油的精確化探測和解析,是溢油探測的重要工作內(nèi)容,本文提出的工作方法與工作模式,對溢油遙感探測的業(yè)務(wù)化應(yīng)用具有積極意義。本文雖然是針對海洋溢油探測方面的研究,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)的探測與識別中。
【圖文】：

圖 1-1 黃島輸油管道爆炸（11-22 事件）檢測到大面積溢油（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進展技術(shù)從 60 年代末應(yīng)用于溢油監(jiān)測以來，發(fā)揮了越來越重要的作用，域取得了大量的研究成果，下面分別從傳感器、遙感平臺、研究團隊面綜述國內(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、定位、乃至油膜厚度器包括基于可見光（VIS）、紅外（NIR、MIR、TIR）、紫外（UV）、熒光譜/高光譜/超光譜、雷達（SAR、SLAR）、微波輻射計等[4]，其中

航空遙感：航空遙感是利用航空平臺搭載相應(yīng)的傳感器進行地物遙感，搭載平臺包括飛機、熱氣球等，通過航空平臺實現(xiàn)對地面進行遙感監(jiān)測。鑒于星載遙感多方面的缺陷，，近年來機載遙感發(fā)展很快。它具有反應(yīng)機動靈活、分辨率高、速度快、影像可以實時傳輸、可對高危地區(qū)進行探測等優(yōu)點。航空遙感可有效補充是航天遙感的不足[19]，搭載相應(yīng)的傳感器可以實現(xiàn)中小目標的應(yīng)急探測。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，由于受航空器材的影響，對離岸較遠、大面積的檢測效率較低；無法完成全天候、全天時的檢測，且成本較高。地面遙感：地面遙感主要指通過地面平臺較近距離的遙感探測技術(shù)，可以以高塔、遙感車或船體為遙感平臺，地物波譜儀或其他傳感器安裝在這些地面平臺上可進行近距離、小范圍溢油實時檢測，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，成本較低，但監(jiān)測覆蓋范圍小，無法對復(fù)雜氣象下的溢油進行及時的檢測。
【學(xué)位授予單位】：中國石油大學(xué)(華東)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X55;X834

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本文編號：2604591