红外超光谱谱指纹检测和识别海洋溢油污染方法研究

Current methods for the remote sensing of ocean oil spill have their disadvantages as they fail to recognize the oil spill pollution in real time. In order to address this problem, a novel method for the remote sensing of oil spill pollution based on infrared hyperspectral technique is proposed in this project. The proposed method is able to recognize the oil spill pollution in real time both in day and at night, as well it provides the ability to identify the type of the spilled oil. The project includes the following research: first, based on optical and radiation theories of the ocean water and oil, the properties of infrared reflective and radiation spectrum are studied. Then critical signal processing technologies such as atmospheric correction, de-noising method and spectral feature extraction are also studied to realize the accurate retrieval of remote sensed spectrum. Furthermore a hyperspectral library of typical oil spills is built by theoretical study and experiment analysis. Finally, the precision of the obtained oil spill hyperspectral data is studied to evaluate the availability of the proposed method.

本项目针对遥感监测海洋溢油污染中，无法实时确认是否为溢油污染这一问题，给出一种基于红外全谱段超光谱遥感探测和识别海面溢油污染的新方法。论证该方法不仅具有全天时、快速实时探测能力，而且具有识别确认溢油污染的能力。研究从海水的固有光学特性以及海面溢油表征光学特性的理论研究入手，研究和分析海面溢油的红外反射和辐射光谱特性这一科学问题。其次研究遥感光谱曲线处理中的若干关键技术，如大气校正技术、噪声估计和去除技术、光谱特征提取技术等，实现对遥感光谱曲线的精确还原。通过理论研究结合实际试验获取的红外超光谱数据，在获得信源模型和数据的基础上，建立典型溢油污染物的特征数据库。最后论证采用红外全波段高分辨率傅里叶变换光谱仪，通过遥感方式获得海面溢油的红外反射光谱和辐射光谱的可行性和精确性。

针对海洋溢油检测与识别问题，开展了基于红外超光谱谱指纹探测方法的研究工作。研究了一套完整的遥感光谱数据处理方法，包括大气校正技术、噪声估计和去除技术、光谱特征提取技术与匹配等。突破了光谱解混、海量光谱数据实时处理等关键技术，实现了对混合光谱曲线的快速还原、特征提取和匹配。结合红外全波段高分辨率傅里叶变换光谱仪外场模拟实验，研究了海水溢油场景下目标与背景的红外辐反射光谱特性，建立了光谱特征数据库。最后论证了本方法对海洋溢油检测与识别的可行性，为海洋溢油遥感探测应用奠定了基础。.课题组在以下三个研究点上取得了重要的成果：.1）光谱噪声去除：针对高光谱中存在的噪声问题，分别提出了基于二维主成分分析（2DPCA）与低秩快速去噪算法与基于鲁棒张量约束（RLRTR）方法的高精度去噪算法。2DPCA方法计算复杂度低，适用于快速去噪应用场景。RLRTR算法对噪声的类别具有较好的普适性，在实际应用中可有效避免复杂环境噪声的干扰。.2）光谱解混：针对高光谱数据中存在的混合像元问题，分别从约束方法与目标函数上求解提出了基于L2,1范数约束、鲁棒协作表示以及投影梯度等新方法，取得了较好的解混效果。尤其是L2,1方法，实现对丰度矩阵行稀疏性的约束，显著提高了解混准确性，该研究在本领域的研究中尚属首次。.3）光谱特征提取与匹配识别：针对高/超光谱数据的高维性导致的数据处理实时性与噪声问题，提出了基于光谱穿越线特征匹配的方法、基于空间金字塔匹配的方法。对于上万维的超光谱数据，这两类方法均可将传统方法匹配耗时由秒级降为毫秒级。由此实现了对高/超光谱数据的快速分类识别，将对海洋溢油检测与识别中的实时性应用场景提供有效的方法支撑。.课题组在研究周期内达到了预定的目标、进度和研究内容。在该项目基金的支持下总计发表SCI论文19篇，包括IEEE TGRS、 IEEE GRSL、Remote Sensing, IJRS等国际一流期刊，申请国家发明专利6项，其中已授权1项。培养博士生6名，培养硕士生4名。