基于Landsat数据的海上油气开采平台提取方法研究.pdf
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1、总第352期1引言习主席指出,海军是战略性军种,在国家安全和发展全局中具有十分重要的地位,海洋战争是未来战争的主战场。随着各国在海上军事行动的日益频繁,海上安全航行保障显得尤为重要。海水中各种障碍物的存在严重威胁了舰船的航行安全,其中海上油气开采平台,是一种十分危险的航行障碍物1。因此海上油气开采平台的探测提取成为目前研究的热点。相对于海洋的辽阔,海上油气开采收稿日期:2023年4月1日,修回日期:2023年5月20日基金项目:国家自然科学基金项目(编号:42071439,41901320,41871369)资助。作者简介:杨一曼,女,硕士,讲师,研究方向:地理信息提取、遥感反演。于彩霞,女,
2、博士,副教授,研究方向:海洋地理信息工程。董箭,男,博士,副教授,研究方向:海洋划界,海洋地理信息工程。基于Landsat数据的海上油气开采平台提取方法研究杨一曼1,2于彩霞1,2董箭1,2(1.海军大连舰艇学院军事海洋与测绘系大连116018)(2.海军大连舰艇学院海洋测绘工程军队重点实验室大连116018)摘要针对目前利用遥感影像提取海上油气开采平台存在的不足,提出了一种基于Landsat7遥感影像的海上油气开采平台的提取方法。首先对Landsat 7影像进行数据辐射校正和陆地掩膜等预处理,然后采用阈值分割法去除海水和厚云,对海上油气开采平台进行提取,再利用云层位置差进行叠置分析,去除薄云
3、和舰船等虚警,最后叠加频率计算分析的方法对开采平台进行分类,筛选出海上油气开采平台。研究选择文莱与马来西亚交界的海域为研究区,通过1999年至2008年共8景Landsat影像,共检测到61个油气平台,其中位于我国九段线内的有1个,经纬度为(4471.6N,1132823.3E)。该结果对我国掌握水下障碍物,保障舰艇航行安全具有提供参考价值。关键词油气开采平台;阈值分割;虚景去除;叠置分析;频率统计中图分类号P237DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2023.10.025Research on Extraction Method of Offshore Oil and
4、Gas ProductionPlatform Based on Landsat DataYANG Yiman1,2YU Caixia1,2DONG Jian1,2(1.Department of Military Oceanography and Hydrography&Cartography,Dalian Naval Academy,Dalian116018)(2.Key Laboratory of Hydrographic Surveying and Mapping,Dalian Naval Academy,Dalian116018)AbstractIn view of shortcomi
5、ngs of extracting offshore oil and gas production platforms using remote sensing images,a method for extracting offshore oil and gas production platforms based on Landsat 7 images is proposed.Firstly,the landsat 7 image is preprocessed with radiometric correction and land mask,and then the sea water
6、 and thick clouds are removed by threshold segmentation method,and the offshore oil and gas production platform is extracted.Then,the cloud positon difference is used for overlayanalysis to remove the false alarms such as thin clous and ships.The final overlay frequency calculation and analysis meth
7、od is usedto classify the production platform and screen the offshore oil and gas production platform.The sea area at the border of Brunei andMalaysia is selected as the research area.Throuth 8 Landsat images from 1999 to 2008,61 oil and gas platforms have been detected,including one located in the
8、nine-segment line of China,with a longitude and latitude of(447 1.6 N,11328 23.3 E).The results have reference value for China to master underwater obstacles and ensure the navigation safety of ships.Key Wordsoil and gas production platform,threshold segmentation,virtual scene removal,overlay analys
9、is,frequency calculationClass NumberP237舰 船 电 子 工 程Ship Electronic Engineering总第 352 期2023 年第 10 期Vol.43 No.10114舰 船 电 子 工 程2023 年第 10 期平台显得极其渺小,仅利用海洋调查的方法进行探测成本高、效率低。近年来遥感探测技术大力发展,为海上油气开采平台的探测提供了方便快捷的方法。国内外学者采用各种算法进行油气开采平台的探测和提取。国外方面,早期主要采用基于历史数据统计的方法进行油气开采平台提取(1995年,Olsgard等)2。后期主要利用遥感影像进行海上油气开采平台
10、提取,方法包括油气开采平台的动静差异、提取伴生燃烧火炬获取油气开采平台的精确位置以及通过多层降噪优化策略等(2009 年,KiranChand 等;2012 年,Casadio 等;2013 年,Cheng 等;2015年,Anejionu等;2016年,Liu等)34。近年来,随着我军海上活动的日益频繁,海上油气开采平台提取的有关研究在国内也越来越受到关注。在2011年,郎印海等将数值模拟的方法用于早期缺乏信息数据海上油气开采平台数据的研究46。2013年,孟若琳,邢前国采用Landsat遥感影像提取舰船和海上油气开采平台,利用目标有无判定算法、迭代最优阈值法和滑动窗口7三个部分对海上油气开
11、采平台进行提取。不过该方法没有对云下部分再进行研究,没能进一步提取有可能被云覆盖住的平台,也没有区分海上油气开采平台和舰船10。2017年,李强等针对VIIRS数据所具有的强大夜间光探测能力,提出了一种卷积运算临界值法对海上油气开采平台进行提取11。油气开采平台和舰船在遥感影像上的特征相似,但油气开采平台具有位置不变的特征,可以利用不同时间序列的影像数据叠加进行区分;目前的提取方法中主要是利用油气开采平台在油气资源生产过程中的伴生天然气焚烧使其在遥感影像上具有发热发亮的特点10。但是一些停止使用的荒废油气开采平台也是舰船航行安全的重要障碍物,目前的研究中没有考虑到该问题。同时,由于遥感影像上云
12、的影响也较为严重,目前的海上油气开采平台提取研究中也没有考虑去除云层影响的方法。针对上述问题,本文采用Landsat 7 ETM+遥感影像作为研究数据,首先对数据进行辐射校正和陆地掩膜等预处理;然后采用阈值分割法对去除海水背景和厚云的影响,提出一种利用云层位置差进行叠置分析的方法,去除舰船和薄云等虚警,找到所有的疑似为油气开采平台的目标;再利用频率统计计算分析方法,对得到的数据进行分类,最终得到油气开采平台和疑似油气开采平台,为舰艇航行安全提供技术保障。2数据与方法2.1数据介绍Landsat 7是美国陆地卫星计划(Landsat)中的第七颗,主要传感器为增强型主题成像仪(ETM+)11。20
13、03年5月31日,Landsat 7 ETM+机载扫描行校正器(SLC)发生故障,严重影响了 Landsat ETM 遥感影像的使用。此后生产的Landsat 7数据都是异常的,需采用SLC-off模型进行校正。Landsat7 ETM+影像数据共有8个波段,其中波段1-5、7的空间分辨率为30m,波段6的空间分辨率为60m,波段8的空间分辨率为15m,为全色波段。本文以Landsat 7ETM+遥感影像数据作为研究数据12。2.2方法1)阈值分割阈值分割是图像处理技术中常用的方法,用于将图像中的像素分为不同的区域,根据像素的灰度值与预设的阈值进行比较来决定其所属区域。阈值分割可以应用在许多不
14、同的领域中,例如目标检测、图像增强等。阈值分割法的关键在于确定合适的阈值,把图像分割为具有不同灰度级的几个部分,能够简化图像信息的分析和处理步骤。阈值的选取方法是阈值分割方法中的关键技术13。常用的阈值选取的方法有很多,如人工分析阈值、最大类间方差法(OTSU法)、迭代最优阈值法等13。(1)人工分析阈值人工分析阈值的方法是通过人眼的观察,应用人对图像的知识,在分析图像直方图的基础上,人工选择合理的阈值,并且可以在人工选择出阈值后,根据分割效果,不断地进行交互操作,从而选择出最佳的阈值。人工分析阈值方法适合应用于目标区域像素较少的图像中。(2)最大类间方差法(OTSU)OTSU法是目前公认的对
15、阈值分割选择相对合理且分割效果良好的方法,常用于确定图像的二值化阈值。其基本思想是设定分割阈值,使得图像的前景和背景之间的类间方差最大,使得分割后的两个区域尽可能分离。(3)迭代阈值分割法迭代阈值法是一种基于反馈的阈值选择方法。首先设定初始估计阈值,然后按照某种原则,通过迭代不断改变阈值,直到满足给定的准则为止。迭代法实现了在实际处理中,图像之间有较大变化时,对每一幅图片进行自动估值阈值,能够达到良好的分割效果。115总第352期计算方法14如下:初始化阈值T0;将图像中的像素根据阈值T0分为两类:前景和背景;分别计算前景和背景的平均灰度值u1和u2;跟新阈值T1,将T1设置为(u1+u2)/
16、2;重复步骤,直到满足预定义的停止准则;最终的阈值为迭代完成后的阈值。2)形态学滤波图像中的形态学滤波是数学形态学滤波。它的本质和其他滤波器一样,都能够对图像进行去噪、增强等操作。它包括的运算很多,最基本的两个形态学操作是腐蚀和膨胀,其他的高级形态学操作都是基于这两个基本的形态学操作进行的,比如开运算、闭运算、形态学梯度、顶帽、黑帽等15。(1)腐蚀腐蚀就是求局部最小值的操作。将图像中的高亮区域或白色部分进行缩减细化,其运行结果就是结果图比原图的高亮区域更小。它的主要作用是分割、连接图像,消除图像中的小白点15。(2)膨胀局部最大值运算。与腐蚀是一个相似运算,增大图像中的白色区域,减小黑色区域
17、,最简单认为膨胀就是白色区域扩大的一个过程。作用是分割、连接图像,消除图像中的小黑点15。(3)开运算:先腐蚀再膨胀。由于是先腐蚀,图像中的黑色区域增大,再次膨胀,黑色区域会减小,但是恢复不成原来的样子,减小比增大的要小,所以图像整体的黑色区域会增大,图像中原本细小的白色区域会在一开始的腐蚀中消失,在之后的膨胀过程中不起作用,即开运算可以分割、连接细小连接部分,开运算比起腐蚀运算来说,多了一个膨胀过程,所以比起腐蚀,开运算改变图像的程度稍微要小一点15。(4)闭运算:先膨胀再腐蚀。与开运算是一个相似操作,同理,图像整体的白色区域会增大,图像中原本小的黑色区域会在一开始的膨胀中消失,对之后的腐蚀
18、不起作用15。3海上油气开采平台提取方法海上油气开采平台的尺寸一般是一百米至几百米,在 Landsat 7遥感影像上占用的像元数量不多。影像上影响海上油气开采平台提取的主要因素有海水、厚云、薄云和舰船等。海水和厚云的像元值(以下称DN值)与油气开采平台相差较大,可用阈值分割法进行去除;薄云和舰船等虚警与海上油气开采平台的DN值差异较小,但是具有位置变化的特征,采用叠置分析和频率统计相结合的方法对薄云和舰船等虚警进行去除,进而实现油气开采平台的提取。3.1阈值分割法去除海水背景和厚云在Matlab中采用最大类间方差法(OSTU法)和迭代最优阈值法提取海上油气开采平台,发现其遗漏了许多小型平台,在
19、图像分割上有明显的误差。考虑到在Landsat 7影像中油气开采平台所占像素少、自动计算阈值分割效果较差的特点,本文采用人工分析阈值的方法进行图像分割,首先确定分割前景和海水背景的阈值,去除海水背景;然后确定分割前景和厚云的阈值。1)海水背景分离在遥感影像上,海上油气开采平台和海水背景的DN值差异大,采用阈值分割方法进行海水背景分离。为了增强海水和油气开采平台之间的DN值差异,先对影像进行膨胀运算,再运用人工阈值分割方法进行海水背景分离。阈值确定过程中,分别对海水和海上油气开采平台的DN值及其变化特征进行分析,确定一个可以尽量分离海水而又能保留油气开采平台的阈值范围,确定阈值分割的最小阈值、最
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