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誘導和基于高光譜波段差的溢油及乳化探測方法。基于同步采集的原油、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,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建非線性SVR模型,對汽油的辛烷值進行預測,該方法已基本上滿足工業(yè)級辛烷值預測的需要,對石油組分精確解析具有借鑒意義�；�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)務化應用具有積極意義。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從 60 年代末應用于溢油監(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]，搭載相應的傳感器可以實現(xiàn)中小目標的應急探測。目前根據(jù)不同類型的遙感任務可搭載多種遙感設備等，且部分設備已完成了小型化[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，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)域實現(xiàn)便捷、連續(xù)檢測，成本較低，但監(jiān)測覆蓋范圍小，無法對復雜氣象下的溢油進行及時的檢測。
【學位授予單位】：中國石油大學(華東)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X55;X834

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本文編號：2604591