基于偏振遥感的油气污染监测研究
李焕;孙军军;李伟;阿依江·艾尔肯拜克
【摘 要】传统油气污染监测手段较为局限,以目标辐射能量作为偏振特征的偏振遥感,能够较好分辨目标地物低反射区和轮廓.通过综述偏振遥感的定义和国内外基于不同种类的油类监测方法在油污染监测与评价中的应用现状,发现偏振遥感弥补了传统意义上陆地土壤油类污染监测手段的不足,以期为遥感目标识别与油类污染修复提供新手段.
【期刊名称】《中国环境管理干部学院学报》
【年(卷),期】2019(029)001
【总页数】4页(P90-93)
【关键词】油气开采污染;偏振遥感监测;信息获取
【作 者】李焕;孙军军;李伟;阿依江·艾尔肯拜克
【作者单位】中石油新疆油田分公司数据公司,新疆克拉玛依834000;中石油新疆油田分公司数据公司,新疆克拉玛依834000;中石油新疆油田分公司数据公司,新疆克拉玛依834000;中石油新疆油田分公司数据公司,新疆克拉玛依834000
【正文语种】中 文
【中图分类】X83
石油泄露事故频发，已严重威胁到土壤、水体及大气的生态平衡[1-3]。为防止油污染进一步蔓延并有效管理现有土地资源，监测及评估油类污染工作极为重要。偏振遥感作为新型监测技术具有覆盖范围广、信息获取速率较快、连续性强等优势，在工业领域得到广泛应用[4]。偏振遥感能够利用目标光谱的偏振特性，精确监测到复杂背景下的三维结构分布态势，识别出目标更丰富的反射信息与偏正信息，解决传统光学遥感无法解决的一些问题[5-8]。国内外学者对于油气田开采污染监测与辨识的研究已成趋势。贾慧[9]利用自然衰减法，对非饱和土层中油污染物进行监测分析；石振华[10]通过测量溢油海水反射特性的双向反射分布函数（BRDF），对海水溢油污染光谱反射特性进行研究；Eric W·M·Stienen[11]等利用空间模式分析了从1962—2015年比利时北海沿岸的油类污染监测
情况；Millard[12]等利用光的偏振信息来监测水体石油污染；袁越明[9]等通过获取分析目标在水平和垂直两个偏振方向的偏振强度差谱对目标实现探测，利用差分偏振FTIR光谱法探测水面溢油污染。
以往的研究表明，虽然对于油类污染以及水体油污染的监测研究已持续开展，但是利用偏振遥感参与观测陆地石油开采污染现状的研究却极少涉及。基于此，本研究提出以偏振度作为遥感探测的定量指标，利用偏振遥感原理与光学系统机理，在近红外波段对不同含油量的土壤进行偏振光谱测量的假设，使石油在开采中产生的钻井废弃液、采油废水、油泥污染等得到更有效监测。
1 油类污染遥感监测进展
1.1 近红外/紫外遥感监测
可见光-近红外遥感主要利用太阳光，监测与识别地表和其表面的油膜分子对于太阳短波辐射的电磁辐射量。此时，油类物质受到某种能量的激发后出现能量跃迁，表现在光谱数值上就是每种油污光谱的峰值宽度、大小不同。紫外光谱仪器可以监测太阳紫外波段的光谱
辐照度，在紫外和红外电磁波段内对油类污染地面进行光谱数据采集，经过光谱数据的校正、辐射校正、图像预处理后，对反射率数据进行线性函数拟合，得到油污的光谱曲线。在紫外光谱波段，大多数原油或工业用油均表现出高反射率，通过油类高反射率的特性可以进行陆地溢油探测，有效识别污染土壤。
但是，红外光谱法在对地物进行特性分析时，精确度较低；而紫外波段进行监测时，容易受到其他地物等外界因素影响。
1.2 热红外遥感监测
热红外溢油遥感主要通过热红外探测器收集地物辐射出来的热红外辐射通量，由于目标地物的物理孔隙结构状态不同或化学性质导致的热性差异较周边地物有明显区别，以此来反演地表及油污的温度特征状况。但是热红外遥感也有其局限性，比如受目标地物反射的热性质、热输送和环境条件等影响，且由于热红外遥感空间分辨率较低，混合像元也是监测时必须要考虑的一个难点。
1.3 微波辐射监测
由于大多数油田都处于降雨较少、蒸发强烈的荒漠地带，不同的地表物体具有不同的反射和辐射，陆地的微波辐射率相比于油污较小。微波辐射监测是以三层介质（污染物层、空气层、地面层）的辐射亮温正向模型为基本，在某一固定频率下油污的微波辐射亮度随着污染物的厚度按正弦曲线变化，并呈现较强的关联性，总辐射亮温可看作由三层介质的发射强度构成。当把介电常数及监测的角度设定为固定值时，油类污染物质的含量峰值随观测波长的增大呈现正相关，且随着频率的增加而呈现负相关。油类辐射亮温正向值按照周期性变化，受多个参数影响，根据不同的参数类型，微波辐射法识别油类污染物质可利用极化信息对比法、光谱法和辐射亮温增量对比法。
使用非天顶观测角度时，辐射亮温和光谱系数具有较强的极化特征。只需利用油、水模型的两个极化系数，即可完成含油量估算，且可在环境要求较高的条件下使用，减少了监测难度。光谱分析法识别油污时，油污亮温曲线中的振动频率随着污染物质含量的上升呈正相关，当油污数量为确定值时，其光谱的发射率和振动频率之间呈现出较强的关联关系，但该方法的劣势是无法精准了解到目标污染物质的具体含量、特征与种类。
微波遥感与光学遥感相比，具有实时性高、穿透能力强、光照依赖度较低等优势，并且在
油类污染信息识别领域中应用潜力大，实现场景多。但微波解译目标需要在监测污染区域之前先掌握客观环境及油污的各项参数指标，且微波辐射的信息会随着污染物质含量的改变而产生周期性变化，因此，需要采用多频段的参考数值才能做到精准识别，且测量时需要对偏振方向的数值进行不断调整对比，导致试验的最终结果可能出现误差。
2 基于偏振遥感的油气污染监测研究
2.1 光学系统机理与偏振遥感原理
偏振遥感是指矢量波动态变化，具体用来表现空间某一固定点所监测到的矢量波随时间变化的特征。通常用斯托克斯（Stokes）参数来表示光的偏振态。Stokes参数的大小表示光的强弱，若想要获得入射目标光束的Stokes参数及相应的偏振度（Degree of Polarization）和偏振角（Brewster's angle），就需对同一光谱波段的三个偏振通道分别选取0°、60°和120°这三个偏振监测方向进行测量[13-14]，偏振遥感器偏振探测系统光学基本原理图及偏振遥感成像构成示意如图1和图2所示。
图1 偏振遥感器偏振探测系统光学基本原理
图2 偏振遥感成像构成示意图
当目标辐射光束经过理想偏振片后，在任意一个偏振方向ε上的透射光强由入射光的Stokes参数 （I、Q、U、V） 表示为[15]：
其中，I—非偏振光强；Q—X方向上的线偏振光强；U—Y方向上的线偏振光强；V—圆偏振光强；V非常微小，可忽略不记；ε—参考方向与偏振片透光轴的夹角，选取0°、60°和120°方向的偏振光总强度I(ε)就能够求得I、Q、U的Stokes参数，进而求得目标辐射光束的偏振信息：
x、y两个偏振方向的相位状态及辐射强度由Ex(t)、Ey(t)、δx(t)、δy(t)表示；[E(t)]用以说明电场强度的时间加权平均值。将ε为0°、60°和120°三个偏振方向，化简为公式（3）：
通过Stokes参数口可以赋值偏振角θ与偏振度P[16-17]：
偏振遥感是由光纤线偏振片、光纤相位延迟机这两种光学组件构成的偏振监测系统，通过不同方向光的辐射强度，来获得目标地物反射光的Stokes矢量。
现阶段已获得的偏振卫星遥感数据主要来自由法国空间研究中心（CNES）的PARA SOL卫星，搭载在其上的POLDER仪器分别由：装有偏振片和滤光片的转轮、CCD（Charge Coupled Device）面阵探测器、沿轨道方向和横跨轨道方向的宽视场远心电子光学器件组成。该仪器（见图3）能够反映较清晰与完整的偏振二向分布函数（BPDF）与双向反射分布函数（BRDF）数值[18]。
图3 POLDER多角度观测示意图
2.2 基于偏振遥感的油类污染监测原理
参考以往偏振遥感对于土壤测量工作机理的文献资料结果，利用菲涅尔定律（Fresnel formula），油污染土样的偏振遥感即反应反射/折射与试点角度之间的关系。在理想环境下，完全风干并未被石油污染的土样表面被一束入射光照射后，发生土壤漫反射现象，偏振方向反射的光为自然光。当倒入适量的石油原液后，土壤颗粒会被原油分子包裹上一层油膜，形成镜面反射，从而使反射光中偏振光的含量进一步增加。当含水量增加时，土壤剖面内的水分可在颗粒表面、颗粒间隙以及土壤孔隙内以薄膜形式出现，土壤表观粘结力强；此时再倒入原油，由于油层斥水，过饱和的水分子和原油之间相互排斥，使得原先挤
压、凝聚的土壤团聚体间隙逐渐增大，使反射光中的偏振光含量逐渐降低。
田间试验中的土壤在自然气候环境下，需要将土壤含水量考虑为大气降水。在干燥通风环境下的清洁土壤有一定的田间持水量，但因为含水量较少，此时土壤表面表观仍是漫反射效应；当大气中的液态或固态水进入土壤后，被原油浸入的土壤颗粒表层由于油膜的保护，隔开了容纳在土粒内部与孔隙的水分子；在极高的日照强度下，仅有少部分漂浮在油膜外界的水分被蒸发，偏振反射特性表现较为明显。
实验室模拟环境下与田间实验鉴别时，通过在近红外偏振光遥感中使用偏振光在总光强度的比例作为参考指标，可以用来监测土壤是否被石油污染及污染程度情况。偏振度随着土壤含水量的增大而呈现明显的正相关表征，当土壤含水量较少时，未污染土壤的偏振度为0；原油逐渐进入土壤表层后，土壤偏振度表征大于0，并且随着污染程度的加深，偏振度曲线快速上升；对于含水量较高的土壤，其偏振度会随着受污染程度表现出负相关表征，即随原油含量的增多而逐渐降低。
3 结论
笔者对几种通过遥感技术监测与识别油类污染的方法进行研究，同时，对几种常用方法作了优缺点对比与分析。分析结果表明，基于偏振遥感技术的信息识别手段在观测油气田油污染泄露方面有着传统遥感所不具备的优点，油污染的土壤表面反射光的偏振度与土壤的含油量具有一定的相关性，可作为传统高光谱遥感探测方法的有益补充。利用偏振遥感可以从多角度、多元化、多角度信息获取石油污染信息，从而提供更加科学的治理依据。但由于实际环境中土壤表面构成较为复杂，对于油类污染的偏振光谱测量受土壤粗糙度、种类、测量条件与环境、研究依据较少、试验数据缺乏等诸多因素的影响，精确描述土壤偏振度与其含油量的变化关系还有待进一步深入研究。
参考文献
【相关文献】
[1]JINZHU MA，FENG PAN，JIAHUA HE，et al.Petroleum pollution and evolution of water quality in the Malian River Basin of the L-ongdong Loess Plateau，Northwestern China[J].Environmental E-arth Sciences，2012，66（7）：1769-1782.
[2]MAHYAR SAKARI.The History of petroleum pollution in malaysia；urgent need for integrated prevention approach[J].Environment Asia，2010（3）：131-142.
