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多模式融合下的海洋溢油高光谱成像油种识别方法

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发光学报 2016年第4期37卷 473-480页

作者：万剑华韩仲志宋欣欣刘杰中国石油大学(华东)地球科学学院山东青岛266580 青岛农业大学理学与信息科学学院山东青岛266109 青岛出入境检验检疫局山东青岛266001

为利用不同油种的发光特性来探测海洋溢油,通过高光谱成像仪,在两种照明模式下采集了6种溢油油种的高光谱图像。基于33个波段构建了波段均值、波段差、波段比和归一化波段比4个辐射指数,提出了基于Fisher和PCA的模型共识的溢油高光谱特... 详细信息

为利用不同油种的发光特性来探测海洋溢油,通过高光谱成像仪,在两种照明模式下采集了6种溢油油种的高光谱图像。基于33个波段构建了波段均值、波段差、波段比和归一化波段比4个辐射指数,提出了基于Fisher和PCA的模型共识的溢油高光谱特征选择方法,采用RBF-SVM模型对油种进行识别。比较发现,本文构建的基于光源混合、波段运算和模型共识的多模式融合方法,从不同侧面提高了模型的溢油识别能力,识别率达到了99.1%以上,比单一方法提高了10%以上。结果表明,多模式融合有效提高了海洋溢油的识别率。

关键词：高光谱成像光源融合波段指数模型共识油种识别

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高光谱溢油图像特征提取在油种识别中的应用

高光谱溢油图像特征提取在油种识别中的应用

作者：杨倩倩大连海事大学

学位级别：硕士

高光谱遥感技术在农业、矿石等领域得到了广泛的应用,而且发展比较迅速。此技术迅速发展的原因在于其自身的优点：高光谱图像波段多,且图谱合一,分辨率高,数据量丰富,包含整个可见光、近红外、短波红外、热红外波段的多而窄的连续光谱... 详细信息

高光谱遥感技术在农业、矿石等领域得到了广泛的应用,而且发展比较迅速。此技术迅速发展的原因在于其自身的优点：高光谱图像波段多,且图谱合一,分辨率高,数据量丰富,包含整个可见光、近红外、短波红外、热红外波段的多而窄的连续光谱。高光谱遥感的出现使得本来在宽波段遥感中不可预测或不容易区分的物质,在高光谱遥感中将能被探测或较好的区分。国内外现有的对溢油检测的研究大都是基于红外、近红外等图像数据的研究,把高光谱图像数据用于溢油检测方面的例子很少,因此此项研究具有重大的研究价值。由于高光谱图像波段多（最多可达几百个波段）,数据量非常大,处理异常复杂,而且有些波段所带的信息量极少或者没有,甚至会给后续处理带来干扰,因此降维便成了高光谱图像处理的一个关键性步骤。高光谱图像降维有两种方法,一种方法是特征提取,另一种方法是波段选择。本文着重就高光谱图像特征提取和溢油油种分类识别做了深入分析,研究了基于GA-PCA的特征提取方法和基于SAM-SFF的油种识别方法,且利用实验室现有的实验设备做了溢油实验,建立了溢油油种波谱库。基于GA-PCA的特征提取算法将遗传算法引入特征提取过程,并将遗传算法和主成分分析结合共同实现降维过程;基于SAM-SFF的油种识别方法将光谱角匹配和波谱特征拟合这两种方法相结合,实现了较好的识别效果。本文利用美国内华达州（Nevada） Cuprite地区的高光谱影像数据和溢油实验所得图像分别对基于GA-PCA的特征提取方法和基于SAM-SFF的油种识别方法进行了实验验证。用基于GA-PCA的特征提取方法特征提取后,Cuprite地区的高光谱影像的分类精度可达96.4706%,比用基于PCA的特征提取方法的分类精度提高了5.8824个百分点。本文在溢油实验所得图像的基础上,验证了基于SAM-SFF的油种识别方法的优越性,其识别精度可达86.7%。

关键词：海洋溢油高光谱图像特征提取油种识别

利用曲波变换的SVM非线性激光荧光光谱油种实时识别方法

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光谱学与光谱分析 2012年第5期32卷 1274-1277页

作者：李颖陈澎兰国新于纯妍大连海事大学环境信息研究所辽宁大连116026

提出一种非线性激光荧光光谱实时识别方法,首先利用离散曲波变换对预处理的荧光谱进行分解,得到不同角度和尺度的变换系数,并利用三层分解中的低频系数形成特征向量;然后构建重油、柴油、原油等船舶常见油种的支持向量机进行训练;最后... 详细信息

提出一种非线性激光荧光光谱实时识别方法,首先利用离散曲波变换对预处理的荧光谱进行分解,得到不同角度和尺度的变换系数,并利用三层分解中的低频系数形成特征向量;然后构建重油、柴油、原油等船舶常见油种的支持向量机进行训练;最后利用训练好的支持向量机进行油膜光谱分类。结果表明,采用基离散曲波变换和支持向量机的分类方法,不依赖大样本训练,输入向量为曲波分解后的低频系数部分,训练样本少,支持向量数量大幅降低,从而缩短运算时间,具有实时性,与传统方法比较,更为有效,识别率更高。

关键词：曲波变换激光荧光光谱油种识别

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基于荧光矩阵光谱的海上溢油检测技术研究

基于荧光矩阵光谱的海上溢油检测技术研究

作者：贾云鹏大连海事大学

学位级别：硕士

随着海洋经济的发展及海洋资源开发的加深,海上石油开采与运输日益频繁,溢油事故也成为海洋运输过程中无法回避的重大威胁。海上油膜的探测和识别是防控和治理海上溢油污染的工作基础与关键内容,对于海洋环境与海洋生态保护具有重要科... 详细信息

随着海洋经济的发展及海洋资源开发的加深,海上石油开采与运输日益频繁,溢油事故也成为海洋运输过程中无法回避的重大威胁。海上油膜的探测和识别是防控和治理海上溢油污染的工作基础与关键内容,对于海洋环境与海洋生态保护具有重要科学意义。激光诱导荧光遥感溢油探测技术能够适应复杂多变的海洋环境,可实现海上油膜的快速探测,但存在着无法准确识别相似油种的问题。激光诱导荧光技术中的荧光矩阵光谱检测方法具有较高的探测精度,可对不同油种进行精确区分,但只能在实验室环境采用大型的荧光分光光度计完成,难以在现场直接使用;且对实测的大规模数据存在计算效率低的问题。针对目前溢油探测设备向着小型化和便携化的发展趋势,急需开展将荧光矩阵光谱应用到现场实测的海上油膜探测与识别技术研究。本文针对上述问题开展了以下工作:(1)从海上油膜荧光检测原理出发,选择了波长可调谐氙灯和便携式地物光谱仪作为实验光源和荧光探测器,设计并完成了不同激发波长下的多个油种海上油膜荧光光谱采集实验。进一步剔除实验数据中荧光干扰因素的影响,得到对应海上油膜的荧光光谱实测数据,并据此构建三维荧光矩阵光谱。(2)针对相似油种荧光光谱的识别分类难题,提出了一种基于随机森林算法的最优激发波长选择方法,首先使用Savitzky Golay滤波对实验获取的荧光光谱进行平滑降噪,进一步通过对比不同激发波长下海上油膜荧光光谱识别的准确度,找出对应最佳分类激发波长。在不增加时间及其它成本的条件下,提升激光诱导荧光技术对相似精炼油的识别能力。(3)针对传统化学计量方法面对大规模三维荧光矩阵光谱数据计算效率较低的问题,采用中值滤波对海上油膜三维荧光矩阵光谱进行平滑降噪,进一步提出一种基于卷积神经网络的三维荧光矩阵光谱分类方法,实现海上油膜的快速检测与识别。本研究设计完成了不同激发波长下的海上油膜荧光光谱采集实验,通过比较相似油种不同激发波长下荧光光谱的分类能力,明确了相似轻质油分类的最佳激发波长,并且提出了一种基于卷积神经网络的海上油膜荧光矩阵光谱分类算法,实现了海上油膜的快速准确分类,为激光荧光溢油监测设备的激发波长选择提供依据,并为海上溢油污染监测提供技术支撑。

关键词：海洋溢油激光诱导荧光荧光矩阵光谱神经网络油种识别

高光谱特征波段在海洋典型溢油油种识别中的精度评估

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海洋科学 2021年第4期45卷 97-105页

作者：杨俊芳万剑华马毅姜宗辰胡亚斌中国石油大学(华东) 山东青岛266580 自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 自然资源部海洋遥测技术创新中心山东青岛266061 山东科技大学山东青岛266590

溢油种类精准识别对快速有效地治理污染具有重要的意义,高光谱遥感在海面溢油油种识别中至关重要。为探讨海洋典型溢油油种识别的高光谱特征波段范围,通过设计室外模拟溢油实验,在获取原油、燃料油、柴油、汽油和棕榈油等5种油种的实测... 详细信息

溢油种类精准识别对快速有效地治理污染具有重要的意义,高光谱遥感在海面溢油油种识别中至关重要。为探讨海洋典型溢油油种识别的高光谱特征波段范围,通过设计室外模拟溢油实验,在获取原油、燃料油、柴油、汽油和棕榈油等5种油种的实测高光谱数据基础上,运用因子分析和光谱标准偏差分析法遴选溢油油种的光谱特征波段,并利用支持向量机模型开展基于光谱特征波段的油种识别精度评价。结果表明,基于光谱标准偏差分析和因子分析获得的特征波段的油种识别精度分别是83.33%和90.74%,与基于全波段的识别精度相比,整体精度分别提高了3.7%和11.11%。选取的特征波段(360~540 nm,560~600 nm,610~630 nm,640~660 nm)可作为5种油种相互区分的最佳高光谱波段。

关键词：高光谱数据光谱分析最佳波段油种识别精度评价

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基于LIF的溢油乳化和油膜状态的识别研究

基于LIF的溢油乳化和油膜状态的识别研究

作者：焦慧慧燕山大学

学位级别：硕士

海面溢油污染是一种危害极大的海洋污染,严重影响着海洋生物的生存和人类的发展,而治理溢油污染的关键在于准确判定溢油污染的类别。溢油进入海域主要有未乳化与乳化两种类型,前者以油膜状态存在,后者以乳化物形式存在。本文以激光诱导... 详细信息

海面溢油污染是一种危害极大的海洋污染,严重影响着海洋生物的生存和人类的发展,而治理溢油污染的关键在于准确判定溢油污染的类别。溢油进入海域主要有未乳化与乳化两种类型,前者以油膜状态存在,后者以乳化物形式存在。本文以激光诱导荧光(LIF)探测海面溢油技术为基础,以0#柴油、航空煤油和壳牌红壳15W 40润滑油为例,设计了区分不同油种的乳化状态和油膜状态的识别方法。本文的主要工作内容如下:首先,在实验室搭建LIF光谱测量系统,制备柴油、煤油、润滑油的不同厚度的油膜和不同含水率的乳化液,采集乳化柴油、柴油油膜、乳化煤油、煤油油膜、乳化润滑油、润滑油油膜荧光光谱。其次,采用主成分分析(PCA)和设计特征参量的方法对荧光光谱数据进行特征提取,然后运用最小二乘法判别分析(PLS-DA)和BP神经网络进行分类识别。最后,本文采用了直接识别、油种识别+状态识别两种识别方式;直接识别方式用PCA+PLS-DA、特征参量+BP神经网络、特征参量+PLS-DA三种方法对6种荧光光谱进行识别,实验表明这三种识别方法均能较好的实现对6种荧光光谱识别,其中PCA+PLS-DA法由于运用了PCA对数据进行降维,因此具有识别速度快的优点,而特征参量+PLS-DA法能够体现出每一个特征参量对结果的影响,特征参量+BP神经网络法虽然识别速度较慢,但识别效果最好。油种识别+状态识别用了特征参量+BP神经网络、特征参量+PLS-DA两种方法进行识别,实验结果表明,特征参量+BP神经网络的方法在溢油的类型识别上识别率更高,而且当选择乳化润滑油、润滑油油膜为训练集,乳化柴油、柴油油膜、乳化煤油、煤油油膜为测试集时,识别效果最好。

关键词：状态识别油种识别激光诱导荧光主成分分析 BP神经网络特征参量

基于BRDF可见光偏振成像技术的海面溢油油种识别研究

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海洋科学 2024年第1期48卷 11-24页

作者：刘双马毅李英超姜宗辰杜凯王斌自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 中国石油大学(华东)海洋与空间信息学院山东青岛266580 长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 自然资源部海洋遥测技术创新中心山东青岛266061 吉林省空间光电技术重点实验室吉林长春130022 哈尔滨工业大学黑龙江哈尔滨150001

海上溢油事件发生后需要及时判断溢油种类,为溢油事故处置提供及时有效的应对措施。本文利用BRDF多角度测量装置和可见光偏振相机对不同油种和清洁海水进行观测,基于可见光偏振特征筛选出最佳观测Stokes参量和对应观测几何,构建了清洁... 详细信息

海上溢油事件发生后需要及时判断溢油种类,为溢油事故处置提供及时有效的应对措施。本文利用BRDF多角度测量装置和可见光偏振相机对不同油种和清洁海水进行观测,基于可见光偏振特征筛选出最佳观测Stokes参量和对应观测几何,构建了清洁海水和不同油种数据集,并建立了基于BRDF偏振特征的DBN溢油油种识别模型。研究发现,在实验室可控条件下,相对方位角–60°、0°、–30°组合时油种识别效果较好,光源天顶角和相机观测角二者在接近±50°时识别效果较好;多次重复实验显示,海水、原油、重油、汽油、柴油、棕榈油的最优识别率分别为90%、86.27%、84%、80.44%、82.08%和82%;基于可见光偏振特征所建立的油种识别模型,对于海面溢油种类区分具有较好的效果。

关键词：油种识别双向反射分布函数(BRDF) 偏振观测几何偏振度