本發明專利技術涉及海洋環境監測技術領域，提供一種海面原油油膜高光譜實時監測方法和系統。該方法，包括：S10、獲得溢油位置；S20、建立空間坐標系，計算溢油面積；S30、獲取光譜響應函數；S40、通過光譜響應函數對油膜的光譜反射率數據進行光譜濾波；S50、計算獲得高光譜圖像數據的環境噪聲等效反射比；S60、構建訓練樣本庫，進而對卷積神經網絡進行訓練，獲得擬合油膜信息。本發明專利技術通過對海上原油油膜的光譜反射率數據進行采集，并計算光譜響應函數和環境噪聲等效反射比，對實測光譜數據進行濾波，采用改進VGG8模型對遙感影像數據進行處理，能夠擬合油膜信息，為實現FPSO外輸作業安全提供了可靠的技術支撐。技術支撐。技術支撐。
【技術實現步驟摘要】
海面原油油膜高光譜實時監測方法和系統
[0001]本專利技術涉及海洋環境監測
，尤其涉及一種海面原油油膜高光譜實時監測方法和系統。
技術介紹
[0002]海上溢油是海洋污染的主要形式之一，溢油發生后，其位置、種類、面積和相對厚度等相關信息是公眾和媒體十分關注的。在應用高光譜儀進行溢油檢測方面，國內外對多光譜、熱紅外、雷達等均有廣泛的研究與應用，但由于海洋環境復雜、海面大氣影響，水體對電磁波的散射與吸收作用，海面油膜信息較弱，導致海面油膜信息提取時存在“同物異譜，同譜異物”的現象。隨著高光譜技術的出現和發展，針對海面油膜信息的高光譜探測技術研究也得到不斷發展，該技術可獲取地物目標近乎連續的反射光譜，從而根據光譜特征差異來區分海水與溢油目標。
[0003]浮式生產儲卸油裝置（FPSO）是一種可對海上油田進行全海式開發的工程裝備。FPSO采用串靠式外輸，工作時間長達20小時，并時常伴隨著較為不穩定的風浪流環境，可能會對外輸軟管造成意外破損，導致溢油事件發生，造成不可估量的損失，還會影響環境。以往的外輸作業中并無針對外輸軟管進行監測的裝置，指揮及作業人員也無法第一時間獲取軟管的狀態。
[0004]高光譜遙感數據在進行油膜和水體探測時，同時受到傳感器系統噪聲和數據獲取時大氣的影響（系統噪聲與大氣影響合稱環境噪聲），因此水體與油膜在遙感圖像上的可區分性不僅考慮實測光譜差異，還應考慮環境噪聲的影響。但當前利用實測光譜選擇有利波段和傳感器時，假設觀測過程中的環境噪聲可以忽略，僅分析了水體和油膜實測光譜差異，從而導致油膜監測結果不準確。
技術實現思路
[0005]本專利技術旨在至少解決相關技術中存在的技術問題之一。為此，本專利技術提供一種海面原油油膜高光譜實時監測方法和系統，實現高光譜遙感大范圍分析低溢油情況下識別溢油范圍和方位的準確性和可靠性。
[0006]本專利技術提供一種海面原油油膜高光譜實時監測方法，包括如下步驟：S10、通過鍍膜式光譜儀以推掃的方式拍攝高光譜圖像，建立歸一化溢油指數檢測模型，并對高光譜圖像進行溢油檢測，獲得溢油位置；S20、建立空間坐標系，通過獲取光譜儀與海平面的距離、光譜儀與視場中心的直線距離、光譜儀的垂直半視場角、光譜儀的水平半視場角、光譜儀的光軸與轉臺零位的偏轉角、光譜儀的俯仰角和光譜儀的水平角，獲得溢油區域的中心點坐標，并可計算溢油面積；S30、獲取含有溢油位置的高光譜圖像中油膜的光譜反射率數據，將油膜的光譜反射率數據轉換為地球表面的反射率數據，對光譜反射率數據進行大氣校正，同時獲取光譜響應函數；
S40、通過光譜響應函數對油膜的光譜反射率數據進行光譜濾波；S50、計算獲得高光譜圖像數據的環境噪聲等效反射比；S60、構建訓練樣本庫，進而對卷積神經網絡進行訓練，獲得擬合油膜信息。
[0007]根據本專利技術提供的一種海面原油油膜高光譜實時監測方法，S10步驟中，設定675nm和699nm為歸一化溢油指數檢測模型的溢油檢測特征波段，歸一化溢油指數檢測模型NDOSI的計算式為：NDOSI= (R699
?
R675)/(R699 +R675)，式中，R699為油膜光譜曲線在溢油檢測特征波段699nm處的反射率數據；R675為油膜光譜曲線在溢油檢測特征波段675nm處的反射率數據。
[0008]根據本專利技術提供的一種海面原油油膜高光譜實時監測方法，所述S30步驟具體還包括：作業環境參數設定為浪高0.1m～4m；流速0.31m/s～1.2m/s；風速8m/s～11m/s；海面環境光強，晴天50000Lux～70000Lux、陰天20000Lux～40000Lux；對鍍膜式光譜儀進行暗電流校正，鍍膜式光譜儀的探頭與油膜的距離為10m～90m，且豎直向下設置，鍍膜式光譜儀的視場俯仰角為
?
87
°
～90
°
；鍍膜式光譜儀的光譜范圍為400nm～950nm；在鍍膜式光譜儀的測量過程中，每隔1min測量一次光譜數據，并對同一目標重復測量10次，并將每組數據中的離群數據剔除，進而計算每組數據的平均值，獲得油膜的光譜反射率數據。
[0009]根據本專利技術提供的一種海面原油油膜高光譜實時監測方法，所述S20步驟具體包括：
[0010]以轉臺零位方向為X軸，轉臺零位水平垂直方向為Y軸，轉臺零位豎直垂直方向為Z軸，測量獲得光譜儀與海平面垂直距離為h，光譜儀與視場中心直線距離為l，設定光譜儀垂直半視場角為α，光譜儀水平半視場角為β，光譜儀俯仰角為θ，光譜儀光軸與轉臺零位偏轉角為λ，利用三角函數公式可得：
[0011]光譜儀探測區域的水平視場尺寸a為：，
[0012]光譜儀探測區域的垂直視場尺寸b為：，
[0013]則，光譜儀探測區域的視場中心坐標為：（，），
[0014]設定光譜儀的分辨率為x
×
y，高光譜圖像的左下角為高光譜圖像坐標遠點，則圖像中心坐標可標示為：（，），
[0015]則，高光譜圖像中每個像素所對應光譜儀探測區域的海面面積可表示為：
（），
[0016]設定溢油位置范圍的中心坐標為（m，n），則其實際坐標為：，
[0017]光譜儀與溢油位置范圍的中心的距離為：，
[0018]由此，溢油區域的中心與光譜儀的零位夾角為：。
[0019]根據本專利技術提供的一種海面原油油膜高光譜實時監測方法，所述S60步驟具體包括：S61、基于光譜反射率數據選取訓練樣本，將訓練樣本輸入卷積神經網絡，對卷積神經網絡進行訓練；S62、將光譜反射率數據中待檢測數據輸入卷積神經網絡，完成待檢測數據的處理過程，計算溢油位置及面積，獲得并輸出顯示圖片。根據本專利技術提供的一種海面原油油膜高光譜實時監測方法，所述卷積神經網絡包括依次連接的第一卷積層模塊、第二卷積層模塊、第一池化層模塊、第三卷積層模塊、第四卷積層模塊、第二池化層模塊和全鏈層模塊；還包括輸出層模塊和精度計算模塊；所述第一卷積層模塊、所述第二卷積層模塊、所述第三卷積層模塊、所述第四卷積層模塊中分別進行卷積操作；所述第一池化層模塊和所述第二池化層模塊中分別進行多個卷積池化操作，所述卷積池化中包括多個卷積操作和一個池化操作；所述全鏈層模塊中進行全鏈接操作；所述卷積操作和所述全鏈接操作采用ReLU激活函數；
[0020]所述池化操作和所述全鏈接操作采用Dropout機制。
[0021]根據本專利技術提供的一種海面原油油膜高光譜實時監測方法，所述S61步驟中，對所述卷積神經網絡進行訓練具體步驟如下：訓練樣本依次經過第一卷積層模塊、第二卷積層模塊、第一池化層模塊、第三卷積層模塊、第四卷積層模塊、第二池化層模塊和全鏈層模塊，并通過輸出層模塊輸出結果，輸出結果經精度計算模塊判斷是否達到精度要求；對所述卷積神經網絡進行訓練采用交叉熵作為損失函數，采用Adadelta算法優化模型。
[0022]本專利技術還提供一種海面低含油油膜高光譜實時監測系統，用以實現如上所述的海
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【技術保護點】
【技術特征摘要】
1.一種海面原油油膜高光譜實時監測方法，其特征在于，包括如下步驟：S10、通過鍍膜式光譜儀以推掃的方式拍攝高光譜圖像，建立歸一化溢油指數檢測模型，并對高光譜圖像進行溢油檢測，獲得溢油位置；S20、建立空間坐標系，通過獲取光譜儀與海平面的距離、光譜儀與視場中心的直線距離、光譜儀的垂直半視場角、光譜儀的水平半視場角、光譜儀的光軸與轉臺零位的偏轉角、光譜儀的俯仰角和光譜儀的水平角，獲得溢油區域的中心點坐標，并可計算溢油面積；S30、獲取含有溢油位置的高光譜圖像中油膜的光譜反射率數據，將油膜的光譜反射率數據轉換為地球表面的反射率數據，對光譜反射率數據進行大氣校正，同時獲取光譜響應函數；S40、通過光譜響應函數對油膜的光譜反射率數據進行光譜濾波；S50、計算獲得高光譜圖像數據的環境噪聲等效反射比；S60、構建訓練樣本庫，進而對卷積神經網絡進行訓練，獲得擬合油膜信息。2.根據權利要求1所述的海面原油油膜高光譜實時監測方法，其特征在于，S10步驟中，設定675nm和699nm為歸一化溢油指數檢測模型的溢油檢測特征波段，歸一化溢油指數檢測模型NDOSI的計算式為：NDOSI= (R699
?
R675)/(R699 +R675)，式中，R699為油膜光譜曲線在溢油檢測特征波段699nm處的反射率數據；R675為油膜光譜曲線在溢油檢測特征波段675nm處的反射率數據。3.根據權利要求2所述的海面原油油膜高光譜實時監測方法，其特征在于，所述S30步驟具體包括：作業環境參數設定為浪高0.1m～4m；流速0.31m/s～1.2m/s；風速8m/s～11m/s；海面環境光強，晴天50000Lux～70000Lux、陰天20000Lux～40000Lux；對鍍膜式光譜儀進行暗電流校正，鍍膜式光譜儀的探頭與油膜的距離為10m～90m，且豎直向下設置，鍍膜式光譜儀的視場俯仰角為
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87
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～90
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；鍍膜式光譜儀的光譜范圍為400nm～950nm；在鍍膜式光譜儀的測量過程中，每隔1min測量一次光譜數據，并對同一目標重復測量10次，并將每組數據中的離群數據剔除，進而計算每組數據的平均值，獲得油膜的光譜反射率數據。4.根據權利要求3所述的海面原油油膜高光譜實時監測方法，其特征在于，所述S20步驟具體包括：以轉臺零位方向為X軸，轉臺零位水平垂直方向為Y軸，轉臺零位豎直垂直方向為Z軸，測量獲得光譜儀與海平面垂直距離為h，光譜儀與視場中心直線距離為l，設定光譜儀垂直半視場角為α，光譜儀水平...
【專利技術屬性】
技術研發人員：朱進全，汪建平，董海杰，徐業峻，張寶雷，楊曉波，劉學濤，夏華波，趙會軍，楊學利，何國雄，韓宇，牛志剛，鄭坤，楊靜，謝小波，王棟，張瑋，周楊柳，
申請(專利權)人：中海油能源發展股份有限公司，
類型：發明
國別省市：
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