發(fā)布時(shí)間：2020-11-10 00:12

　　 水表薄油膜厚度遙感定量研究對(duì)于監(jiān)測(cè)海上石油滲漏、估測(cè)水表溢油量范圍有著重要的意義。當(dāng)前水表油膜遙感常用直接統(tǒng)計(jì)關(guān)系模式估算水表油膜厚度信息,算法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性差、物理機(jī)理不明確。由于海上近岸水體組分物質(zhì)的多樣性引起的其光學(xué)性質(zhì)復(fù)雜化導(dǎo)致水表油膜遙感檢測(cè)方法呈現(xiàn)出很強(qiáng)的區(qū)域性,在建立水表油膜厚度遙感估算模式時(shí)要深入了解當(dāng)?shù)厮w環(huán)境背景和水表油膜的光學(xué)性質(zhì)及其相互關(guān)系。為更加準(zhǔn)確的估算水表油膜厚度信息需要更深入的了解油膜和水體各組分的光學(xué)特性和光學(xué)輻射在水中的輻射傳輸問(wèn)題,以及基于高光譜數(shù)據(jù)的水表油膜厚度探測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行中的波段選擇和精度保證問(wèn)題提供理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。本研究基于以上目的,選擇渤海遼東灣海域?yàn)檠芯繀^(qū),通過(guò)大量的室內(nèi)純水實(shí)驗(yàn)和實(shí)地水體光學(xué)調(diào)查分析,初步探討了水表油膜厚度估算問(wèn)題。 本文以水表薄油膜厚度輻射傳輸模型的構(gòu)建為主線,從光學(xué)輻射在水表油膜層中和水下光場(chǎng)中的衰減、散射過(guò)程的角度來(lái)系統(tǒng)分析研究水表油膜遙感檢測(cè)中的厚度估算問(wèn)題,以獲取水表油膜厚度變化與油膜固有光學(xué)特性,尤其是和整個(gè)水體組分物質(zhì)固有光學(xué)特性的相互關(guān)系和影響規(guī)律。并通過(guò)對(duì)油膜與水色組分光學(xué)參數(shù)研究、水表油膜厚度的輻射傳輸模型的研究和油膜厚度的半分析算法研究這樣三個(gè)層次來(lái)展開(kāi)分析。主要得到的研究結(jié)論和成果有： (1)根據(jù)水色輻射傳輸理論,建立了水上薄油膜輻射傳輸參數(shù)化模型,模擬了不同油膜厚度條件下總遙感反射率光譜的變化趨勢(shì),分析了模型應(yīng)用邊界條件問(wèn)題。通過(guò)從Onmm到120nmm的油膜厚度變化的模擬,水體反射率分別在純水和高渾濁水體的環(huán)境中在可見(jiàn)光波段能下降75%和50%的幅度,呈負(fù)指數(shù)幅度下降,油膜的衰減效應(yīng)大于其散射效應(yīng),表明水表的油膜探測(cè)集中在短波藍(lán)光波段較為有利。通過(guò)對(duì)葉綠素和懸浮物質(zhì)的不同濃度條件下的反射率光譜模擬效果看,模型的主要適用范圍在于葉綠素、懸浮物質(zhì)濃度為中、低濃度的條件下效果較好,高濃度下的水體組分光學(xué)參數(shù)難以獲取。 (2)進(jìn)行了室內(nèi)純水背景下的薄油膜光譜采集實(shí)驗(yàn),研究了純水環(huán)境下油膜遙感優(yōu)化探測(cè)波段和估算算法。研究指出近紅外光譜區(qū)間(450-800nm)為油膜的敏感反射光譜響應(yīng)波段,建立的模型在油膜厚度低于lμm的范圍內(nèi)適應(yīng)性比較好,油層厚度增厚時(shí),可見(jiàn)光波段的輻射不能穿透油膜表明而使油膜光譜信號(hào)出現(xiàn)過(guò)飽和狀態(tài),使得估算精度不理想。選擇相關(guān)系數(shù)較高的薄油膜厚度敏感波段進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)回歸算法和半分析算法對(duì)比驗(yàn)證,比較統(tǒng)計(jì)和半分析估算算法的結(jié)果表明：純水環(huán)境下,利用可見(jiàn)光/近紅外光譜范圍的波段(500nm和580nm)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸估算油膜厚度的方法能獲得較好的精度,其采用單波段和雙波段比值模型的估算值與實(shí)際值的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2分別可以達(dá)到0.94和0.96；而采用拉凡格氏法(Levenberg-Marquardt)半分析算法進(jìn)行估算的光譜曲線能較好的保留實(shí)測(cè)光譜的光譜形態(tài),其計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值的復(fù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98,較經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)算法穩(wěn)定,對(duì)于不同水域的油膜厚度的估算具有更好的通用性和可對(duì)比性。 (3)在水表油膜輻射傳輸理論模型的基礎(chǔ)上,利用拉凡格氏法(Levenberg-Marquardt)迭代計(jì)算方法對(duì)遼東灣海域水表油膜濃度進(jìn)行了估算。結(jié)果表明,半分析算法計(jì)算出的總遙感反射率曲線和實(shí)測(cè)光譜非常接近。對(duì)反演結(jié)果和實(shí)測(cè)濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析表明,油膜和懸浮物的濃度估算精度在總體上較高,而葉綠素物質(zhì)的濃度估算在高濃度區(qū)域精度較低,其估算值較實(shí)際值相對(duì)低一些。懸浮物濃度的平均誤差是21.8%,葉綠素濃度的平均誤差是42.5%,油膜物質(zhì)濃度估算的平均誤差是17.8%。選擇579nm波段為主要特征波段,分別擬合固有光學(xué)參數(shù)與表觀光學(xué)參數(shù)以及水表油膜濃度之間的函數(shù)關(guān)系式,最終實(shí)現(xiàn)水表油膜表觀光學(xué)參量與濃度的遙感反演。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：TP79;X834
【部分圖文】：

圖2.1研究區(qū)范圍圖F一92.1maPofstudyarea2.2薄油膜物理、化學(xué)性質(zhì)石油是地球在其形成的不同歷史時(shí)期，由植物或動(dòng)物等有機(jī)物殘骸生成的包含碳?xì)浠衔锏幕旌匣衔飈8v]。原油因產(chǎn)地的不同顏色非常豐富，有墨綠、紅、黑、縣至透明，原油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的含量越高，它的顏色就越深。原油的密度一般}丁以達(dá)到0.89，/cl。3一1.09/cm3，粘度范圍很寬，沸點(diǎn)范圍一般在常溫至500Oc以上。油膜都一!lJ’以溶于有機(jī)溶劑中，但不溶于水，在水體表}自l的油膜與水發(fā)生乳化作用，形成水包油或油包水形態(tài)的乳化液。石油的化學(xué)組成元素主要是碳(53%一57%)和氫(11%一14%)，其余為硫(0.06%一0.8%)、氮(0.020;0一1.70，0)、氧(0.08%一1.82%)及微量金屬元素(鎳、釩、鐵等)。石油質(zhì)量的95%一99%上要是由碳和氫化合物所組成的烴類物質(zhì)構(gòu)成，不同

溫以及生物活動(dòng)等的影響，其物理化學(xué)性質(zhì)將隨著時(shí)間不斷發(fā)生變化。隨著時(shí)間的推移，石油物質(zhì)在自然水休環(huán)境中的演化進(jìn)程是比較復(fù)雜的，進(jìn)一步加劇了海上油膜檢測(cè)的困難程度1881。在自然水體環(huán)境中的石油歸宿示意圖(如圖2.2)所示，其物理化學(xué)性質(zhì)將隨著時(shí)間不斷發(fā)生變化，主要演化過(guò)程包括有水體表面擴(kuò)展過(guò)程、空氣揮發(fā)過(guò)程、水體溶解過(guò)程、光化學(xué)氧化作用、微生物群降解吸收和沉積等過(guò)程，叫油膜的風(fēng)化過(guò)程189】。在這個(gè)過(guò)程中，油膜一水通過(guò)機(jī)械振動(dòng)(海流、潮汐、風(fēng)浪等)，以分散的形式形成細(xì)小的微粒相互存在于對(duì)方介質(zhì)中，共同組.成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的分散體系，可以進(jìn)一步促進(jìn)生物體對(duì)浮油類的分解作用。這些過(guò)程主要受到環(huán)境溫度、溶解氧含量、波浪、油膜的生物化學(xué)構(gòu)成、光照和微生物種群等的影響。擴(kuò)展過(guò)程包括表面慣性擴(kuò)展、重力粘滯擴(kuò)展、表面張力擴(kuò)展的凡個(gè)階段1891。它一方而擴(kuò)大了油膜在水表的覆蓋范圍，另一方面增大了油膜和空氣的接觸面，使更多的油膜通過(guò)揮發(fā)作用進(jìn)入大氣中，從而加快了油膜在水體中的降解過(guò)程。揮發(fā)是水體中油膜類物質(zhì)經(jīng)過(guò)自然過(guò)程消失的主要途徑之一

室內(nèi)薄油膜高光譜遙感實(shí)驗(yàn)是模擬純凈水體環(huán)境下的油膜等厚度變化時(shí)的油膜光譜變化過(guò)程。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)為獲取油膜等厚度連續(xù)變化過(guò)程中的光譜曲線，因此在實(shí)驗(yàn)中主要考慮的因素有:一是要保持水體環(huán)境光學(xué)背景以及燒杯附近的光散射場(chǎng)的穩(wěn)定，二是要精確的進(jìn)行每次添加等量的油膜，從而能穩(wěn)定的控制每次形成的油膜的厚度，這樣就能對(duì)薄油膜的厚度變化與光譜上的響應(yīng)做出定量的分析。圖2.3是本研究中室內(nèi)薄油膜實(shí)驗(yàn)的示意圖，用一塊完整的黑布料包裹實(shí)驗(yàn)用廣口玻璃燒杯的外杯壁和杯底，在實(shí)驗(yàn)時(shí)倒入一定量的純凈水來(lái)模擬無(wú)底環(huán)境下的水體基木背景光一潛特征哪l。另外，由于水體與油膜的表面張力不同，水對(duì)玻璃器皿來(lái)說(shuō)是浸潤(rùn)物質(zhì)，因此會(huì)在玻璃器皿中形成個(gè)凹液面，如圖2.4中藍(lán)色的水體凹液面。石油與水是不相溶的，但是石油也容易粘附到玻璃器皿的四壁，形成“掛壁”的現(xiàn)象。水體的凹液而和石油類物質(zhì)分子自身的較大吸引力，因此通過(guò)嚴(yán)格控制的手段可以在水體凹液面上形成一個(gè)厚度不斷變化的薄油膜凸液而，并可以避免掛壁現(xiàn)象1961。光源
【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 馬俊;;傳統(tǒng)水表檢測(cè)裝置的改造及檢測(cè)方法的改進(jìn)[J];工業(yè)計(jì)量;2011年04期

2 張健;李昊洋;張?jiān)婪?李艾螢;;水表智能液體流量檢定裝置控制系統(tǒng)[J];油氣田地面工程;2011年05期

3 張亞鵬;王香婷;張廣;陳炎;;基于MSP430的遠(yuǎn)程水表監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J];儀表技術(shù);2011年08期

4 王妍;;某高級(jí)住宅小區(qū)熱水系統(tǒng)的探討[J];科技信息;2011年17期

5 孫新會(huì);李維煒;張巍峰;;淺談多層住宅建筑給排水設(shè)置[J];科技信息;2011年18期

6 王艷斌;;建筑給排水設(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題及處理措施[J];科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào);2011年18期

7 靳華安;王錦地;肖志強(qiáng);李喜佳;;遙感反演時(shí)間序列葉面積指數(shù)的集合卡爾曼平滑算法[J];光譜學(xué)與光譜分析;2011年09期

8 劉超;;美科芯的“芯”戰(zhàn)略[J];供熱制冷;2011年09期

9 郭忠明;王寧練;;雪粒徑遙感反演研究進(jìn)展[J];冰川凍土;2011年03期

10 朱瑩;;對(duì)建筑給排水節(jié)能節(jié)水技術(shù)的探討[J];黑龍江科技信息;2011年17期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 肖劍偉;水表薄油膜厚度的輻射傳輸模型及遙感估算研究[D];南京大學(xué);2011年

2 呂杰;基于機(jī)器學(xué)習(xí)和輻射傳輸模型的農(nóng)作物葉綠素含量高光譜反演模型[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京);2012年

3 勞彩蓮;基于蒙特卡羅光線跟蹤方法的植物三維冠層輻射傳輸模型[D];中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué);2005年

4 馮春;基于輻射傳輸模型的遙感定量化關(guān)鍵關(guān)鍵問(wèn)題研究[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）;2005年

5 王東偉;遙感數(shù)據(jù)與作物生長(zhǎng)模型同化方法及其應(yīng)用研究[D];北京師范大學(xué);2008年

6 鄧孺孺;青藏高原地表反照率反演及冷熱源分析[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（遙感應(yīng)用研究所）;2002年

7 王強(qiáng);基于多角度混合模型的長(zhǎng)白山地區(qū)針葉林區(qū)葉面積指數(shù)反演[D];東北林業(yè)大學(xué);2009年

8 帥永;典型光學(xué)系統(tǒng)表面光譜輻射傳輸及微尺度效應(yīng)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

9 姜志偉;區(qū)域冬小麥估產(chǎn)的遙感數(shù)據(jù)同化技術(shù)研究[D];中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院;2012年

10 李剛;呼倫貝爾溫帶草地FPAR/LAI遙感估算方法研究[D];中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院;2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 侯慶強(qiáng);移動(dòng)式水表在線校準(zhǔn)系統(tǒng)研制[D];中國(guó)計(jì)量學(xué)院;2012年

2 杜正;水表和渦輪流量計(jì)內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值模擬[D];中國(guó)計(jì)量學(xué)院;2012年

3 任彬;一種新型的水表聯(lián)網(wǎng)抄表系統(tǒng)[D];大連理工大學(xué);2000年

4 高進(jìn)勝;山東省水表行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量管理體系研究[D];山東大學(xué);2010年

5 陳靜瓊;基于無(wú)線通信的智能抄水表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D];南京林業(yè)大學(xué);2011年

6 張煒;基于M-BUS的水表聯(lián)網(wǎng)抄表系統(tǒng)[D];南京氣象學(xué)院;2004年

7 蘇敏;IC卡式水表水費(fèi)收繳管理信息系統(tǒng)的研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2002年

8 邢著榮;基于輻射傳輸模型和CHRIS數(shù)據(jù)反演春小麥LAI[D];山東科技大學(xué);2010年

9 戴亞文;數(shù)字圖像處理技術(shù)在水表讀數(shù)識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D];武漢理工大學(xué);2003年

10 趙昭;基于VHDL的水表抄表器的邏輯設(shè)計(jì)及仿真[D];山東科技大學(xué);2004年

本文編號(hào)：2877165