应用GF-3数据对北极油气区海上构筑物遥感监测

刘玉芳，邹亚荣

(1.航天宏图信息技术股份有限公司，北京 100195；2.国家卫星海洋应用中心，北京 100081；3.自然资源部 空间海洋遥感与应用重点实验室，北京 100081)

0 引言

人类对北极地区的油气资源开发已有100多年的历史。多年来，北极周边地区国家对北极地区陆续开展了一系列的勘探活动。除了北极地区的5个国家(美国、加拿大、俄罗斯、挪威和格陵兰)，重要的油气进口国如日本、韩国和印度等也都在通过各种途径积极介入。俄罗斯和美国、加拿大的北冰洋海洋油气产区分别位于北极东北航道和西北航道上；全球探明储量的10%的石油和25%的天然气分布在北极海域，其中绝大多数位于俄罗斯海域，且俄罗斯的主要油气产区在北冰洋。

由于北极地区自然条件恶劣，难以采用常规手段对北极油气区海上构筑物进行调查。随着遥感技术的发展，利用遥感手段对北极油气区海上构筑物遥感监测，能实时提供北极油气区海上构筑物状况，为北极科考船和商船提供环境保障，并为石油国际贸易提供基础信息。

各国学者对于北极地区油气资源储量、开发等进行的探讨[1-4]，多是基于勘探数据以及现场数据[5]；而利用遥感技术开展北极油气区海上构筑物的研究并不多见。GF-3卫星具有多模式、多分辨率等特点，本文利用GF-3数据开展北极油气区海上构筑物遥感探测研究。

1 数据和方法

1.1 数据组成及其来源

GF-3卫星具有12种观测模式，多种极化方式，分辨率从1～650 m。本文采用2017年7月11日全极化GF-3二级产品数据，方位向分辨率为8 m，距离向分辨率为6～9 m，幅宽为30 km，中心经纬度58.1°E，69.2°N，覆盖伯朝拉海部分海域。

1.2 研究方法

(1)

可以得到阈值Ic，其中Pfa为虚警概率。

对于给定的Pfa，可以通过二分法近似地得到方程(1)的解。寻找一个正整数，满足

F(I)≤1-Pfa且F(I+1)>1-Pfa

(2)

则此时的I就为阈值Ic。

由式(2)可知，对杂波背景的分布模型进行估计，是CFAR检测的基础，也是降低虚警、不丢失目标的关键。一般认为，以海洋为背景的杂波通常服从K分布和Weibull分布模型。但是由于溢油信息比海面的灰度值低，在进行CFAR检测之前，需要将图像进行反转，反转后的图像的杂波模型会有很大变化。本文通过实践，选取Weibull分布作为杂波模型。

Weibull分布的概率密度函数表示为式(3)。

(3)

式中：参数b为尺度参数；c为形状参数。当c=2时，Weibull分布蜕化为Rayleuht分布；当c=1时，Weibull分布蜕化为指数分布。

利用上述杂波模型，对于每一个AOI定义一个局部窗口，这样，每个AOI就被划分为保护窗口和背景窗口(图1)。背景窗口用于背景杂波统计，从而计算出目标检测阈值。使用保护窗口的目的是为了防止目标像素泄露到背景窗口而影响背景杂波统计的正确性。保护窗口的尺寸根据经验来选择，本算法将其长宽设为AOI长宽的3/5。

图1 窗口结构

根据背景窗口的数据，利用Weibull分布的性质，可以通过Weibull分布的一阶矩和二阶矩的相互关系，求得Weibull分布的尺度参数和形状参数。Weibull分布的一阶矩和二阶矩分别为式(4)、式(5)所示。

(4)

(5)

定义

(6)

式(6)的一个最佳的多项式曲线拟合如式(7)所示。

(7)

式中：参数a2=0.079 1；a1=0.848 1；a0=0.081 7。

2 分析

2.1 散射分析

极化散射能够反映出目标的散射特性，对提取目标极化散射参数进行分析，能揭示目标的散射特性。对GF-3数据进行极化参数计算[8]，得到熵、散射角、反熵参数，如图2所示。3个参数对油井均有表现，油井平台散射属于二次散射，散射较强，在图像上表现为亮点。从H-A平面看(图3)，油井的熵值处于0.15～0.70之间，说明为弱去极化，散射以二次、多次散射为主。在熵、散射角、反熵图像中，均可提取出油井与船只信息，但二者在图像上难以区分。通过Pauli分解[9]，结果如图4所示，在图像上可以明确地获得油井与船只信息，反映出油井与船只的偶次散射机制，在图像上有明显表现，为油井与船只信息提取提供了依据。

图2 熵、散射角、反熵图

图3 H-A平面图

2.2 检测结果

基于上述分析，油井船只在GF-3图像上表现为亮斑，因而能够在海水背景中提取油井信息。但由于油井与船只均为偶次散射，难以区分二者。本文采用双窗口CFAR模型开展油井船只检测。海杂波尾部参数化模型拟合结果放大显示，可以发现G0分布拟合结果最好(图5)。算法设定虚警率为1E-7，对应的检测门限值为T=6.590 2。经过软件计算，检测结果一共3个目标，结果如图6、表1所示。由于平台的散射为多次散射，在SAR图像上表现为亮斑(图6)。平台的后向散射均值为-2.20 dB，

图5 整体海杂波参数化模型拟合结果

表1 检测结果

图6 平台检测结果

海水为-17.98 dB，二者相差15.78 dB，采用2种方法，基于前一观测数据与当前观测数检测的目标结果进行位置比对，位置不变的为平台，变化的为船；基于几何特征，平台一般较大，且形状接近方形，而船是长条形的，且一般尺寸较小。上述2种方法联合使用，可有效区分平台和船舶。

2.3 结果比对

本文中采用的数据覆盖伯朝拉海部分海域，主要为俄罗斯Medynskoye-more油井开发区，据文献[10]，俄罗斯的油气资源主要分布于北极西部、东部。本文的油井位于medynskoye-more油井区，探测与实际油井位置相符。

3 结束语

油气资源是北极地区重要资源之一，对北极油气资源的开发利用具有重要意义。GF-3卫星具有12种模式，对极区的探测具有优势。全极化数据在油井监测方面能够提供多层次信息，能够反映出油井船只散射特性，可为油井信息提取提供散射机制。但在图像上油井、船只信息难以区分。本文在对油井、船只散射分析的基础上，采用改进CFAR 方法进行油井检测，能够有效地提取油井信息。本文的方法在算法上不采用迭代公式求解，避免了用二分法寻找阈值的循环解算过程，提高了检测精度与速度，可大面积、快速、准确地提取油井信息，服务于北极油气资源开发。