基于遥感技术的海上溢油应急响应

    夏威

    

    

    摘 要：近年来，随着全球海上石油运量的持续上升、海洋石油开采的不断发展，海上溢油的风险也在加大，为我国海上应急保障工作敲响了警钟。本文针对我国溢油应急响应中的现状和不足进行分析，基于遥感监测技术，研究了应急响应与决策系统，通过遥感影像监测，客观真实地再现溢油污染范围、污染程度，评估溢油污染损害，为海上应急管理机制的完善和溢油响应技术的发展提供参考。

    关键词：遥感技术 溢油 交通运输应用 应急响应系统

    随着世界各国对石油需求的日益增长，石油贸易逐年上升，海上石油的勘探、开采和运输带了严重的污染。据不完全统计，每年通过各种渠道倾注到海洋的石油和石油产品，约占全世界石油总产量的0.5%，倾注到海洋的石油量达200万吨～1000万吨。2006年，中国成为第二大原油消费国，伴随着我国海上石油运量、石油开采的持续上升，海上溢油风险也在加大。我国海上各种大小污染事故每年发生数百起，给海洋生态环境带来严重影响，对沿海渔业资源和人身健康造成了严重损害。

    溢油事故不但因石油流失带来直接经济损失，还会影响海洋生态环境，造成海洋动植物大量死亡，污染船舶和设备，影响渔业的捕捞、养殖以及相关水产品加工产业链。如果溢油发生在近海港口或旅游区，将影响水上运输、海港货物装卸、沿岸旅游，造成间接经济损失。石油中含有致癌物质，直接污染海产品，在焚烧或蒸发过程中污染大气，对人群健康带来长期影响。如何有效地对溢油污染进行监控与应急响应显得日益迫切。海上溢油由于扩散范围广、离岸距离远，往往不易直接观测，给应急处理工作带来了挑战。利用遥感技术对海上溢油等灾害进行应急动态监测，可获取油污位置、面积、油膜厚度等信息；同时，结合风向信息，可以动态分析溢油污染扩散态势及影响，从而为跟踪控制溢油污染、快速组织治理提供重要的技术手段，本文针对遥感技术在溢油应急响应中的应用进行研究，探讨遥感的关键应用技术并设计溢油应急处理系统。

    现状分析

    1、溢油污染类型

    根据污染来源，溢油污染可以分成以下几类：

    1.1海上油井污染

    因石油的勘探、开发而导致的油井原油泄漏。油井事故使大量的石油进入海洋，给海洋生态带来严重破坏，一旦发生，通常属于严重事故，如：2010年5月，我国当时最大的海上油气田中海油天津南海一号钻井平台发生溢油事故；2011年6月，中海油与美国康菲合作开发的渤海蓬莱19-3油田发生海底油井溢油事故，造成渤海面积的7%被污染。

    1.2石油装卸污染

    近岸输油管线泄漏，以及油船装货时发生溢油。事故往往是由于人员操作不当，或者输油器材老化、松动引起。近年来的此类重大事故有：2010年7月，大连新港中石油输油管线爆炸；2013年11月，中石化东黄输油管线发生爆炸，直接经济损失75172万元。

    1.3船舶事故溢油

    船舶因碰撞、搁浅等事故后油箱的泄漏溢油。如果是普通船只，溢油量取决于油箱容量，造成的污染有限；如果是油轮事故，往往造成大量的石油泄漏到水域和陆地，对环境危害严重。

    1.4油船污水排放

    油船在运输过程中，贮油舱产生大量压载水、洗舱水等含油污水，这些污水如直接排放即容易造成对水体的污染。

    1.5船舶用油泄漏

    船只在加装燃油或者日常航行过程中，因燃料泄漏，或者机油、润滑油等的渗漏，都可以造成水域的污染。

    2、问题与不足

    海洋是可持续发展的战略空间和潜力巨大的资源宝库，是世界贸易的大动脉，更是国际政治、经济、科技和军事竞争与合作的重要舞台。但是，只要对石油的依赖不改变，溢油事件就无法彻底避免。近年来，我国海上溢油事故在不断发生，并且逐步升级，为海上应急保障工作敲响了警钟。2014年1月，国务院安委会提出，必须强化油气应急管理，制定事故专项应急预案，全面提高应急处置水平。但是，目前与发达国家相比，我国在海上溢油污染应急响应方面的能力还存在不足，突出问题主要体现在以下方面：

    2.1缺乏系统性的应急协调机制

    海上应急工作机制还不够健全，相关事故处理手段亟待提高，经常出现多个部门各自为战的情况，容易造成资源的浪费和信息的不对称。没有建立由多个权威部门共同参与、统一协调、分工负责的应急反应协调机制，难以迅速调集各方反应力量，并保证各相关方之间紧密合作。

    2.2缺乏快速高效的信息获取分发体系

    海上事故发生后，指挥人员必须在第一时间对危害和风险进行辨识和评估，杜绝盲目处置。而在以往的多起重大溢油事故中，由于信息的复杂多变，经常需要在指挥人员赶往事发区后才能做出决策，很容易造成工作的延误。因此，从信息管理的角度而言，尚缺乏多种监测手段、多种平台结合的信息快速获取、组织和分发体系。

    2.3缺乏高效运转的指挥系统

    在应急救援工作的部署方面，需要指挥人员以最快的速度将有效资源部署到污染区域，并与上级领导部门、应急作业人员、跨行业专家以及公众保持有效的沟通。与欧美发达国家相比，我国在大型事故的快速部署和大范围的联络指挥方面还有一定的差距。2010年美国在处理墨西哥湾溢油事故时，成立了大型指挥中心，包括联络处、信息发布与宣传报道组、油污清理组、专家技术组等相关机构，并与美国当地政府积极配合，不但能够指挥部署专业工作人员，同时也将当地居民纳入到保卫家园环境的工作中，并形成了一整套规章制度，包括招募、审核、培训和监管等，组织的作业船舶超过6000艘。目前，我国的指挥系统尚不能在短时间内确立行之有效的保护策略并调用和组织如此庞大的应急队伍。

    2.4溢油自动检测与预测模拟的研究有待提高

    在预警方面和事故处置时，为了在短时间内自动发现问题，需要多种监测手段协同配合，将通过航空和卫星遥感监测、浮标探测等技术获取的多源数据融合。由于海上环境复杂多变，溢油在风浪海流等自然因素的联合作用下，扩散范围和形态会不断变化，因此，清除回收溢油的成果在很大程度上也依赖于对溢油场景动态模拟和有效预测。目前，各发达国家都开发了溢油预测模拟信息系统，如美国Oilmap系统、英国OSIS系统、挪威Oscar系统等。纵观目前的发展趋势，溢油的分析与GIS技术、通讯技术的结合越来越紧密，我国仍需在这些方面加强研究，提高溢油的分析预测能力。

    遥感技术的应用分析

    为了提高对海洋溢油的监测监控与应急管理功能，需要提高信息获取、指挥调度和应急处置能力，对应急响应进行信息化的规范管理。对这一需求，遥感技术提供了良好的解决手段。遥感图像覆盖面积大，一景图像通常可对应数百平方公里区域，宏观性强，可以直接叠加气象、水文、应急人员与装备分布等信息，有利于制作专题图，将丰富的海上状况信息直观地展现给相关人员进行分析决策和指挥调度。高分辨率遥感影像能够精确地提供油膜的几何形状和分布信息，并可以根据影像反射情况，分析出油膜厚度、乳化和分解程度，适合对海洋这种大范围区域的监控。遥感的信息获取，可以通过卫星和无人机实现，不需要人工实地勘测，特别是雷达SAR遥感，不易受地表环境（海上气候）的限制，能够以较低的成本快速获取地形信息。

    1、关键技术

    根据所采用的电磁波波段，目前的主流监测技术可分成以下几种：

    1.1雷达遥感技术

    雷达影像只需经校正、去噪等基本处理，即能够以目视辨认溢油区域。如图1所示，该图为RADARSAT-2卫星的合成孔径雷达（SAR， Synthetic Aperture Radar）影像，2010年7月拍摄于大连附近海域，图中白色区域为陆地，黑色区域（红圈中）为海上溢油。溢油在影像中呈现黑色是因为，溢油形成的油膜抑制了海面上的毛细波纹，海面比没有油膜的海面更加光滑，雷达波照射下为低散射。在实际应用中，除了图1 的合成孔径雷达SAR外，还可以使用侧视机载雷达（SLAR， side-looking airborne radar），其造价相对便宜，缺点是SLAR天线尺寸大于同等分辨率的SAR天线。

    雷达波对油膜的存在是比较敏感的，这一特点使得其应用十分广泛，是遥感领域目前最主要的溢油探测手段。由于雷达波可以穿透云层探测地表，所以不易受天气状况的影响，也可以在夜晚工作。

    1.2红外＼紫外辐射技术 （IR＼UV）

    红外光谱具有识别不同温度目标的功能，而油膜覆盖的海面可以吸收太阳辐射并以特定波长释放，所以可利用这一特点探测海上油膜。在红外图像中，厚油膜发出较高温度热辐射，中油层则显示相对较低温度。

    红外图像难以区分薄油层，这一问题可以利用紫外光谱弥补，紫外波段对于很薄的油层（<0.05μm）也有较高的辐射度，对溢油同时进行红外和紫外的扫描就可以分析油膜的厚度。

    1.3高光谱技术

    高光谱遥感技术是一种新型的对地观测技术，具有不同于传统遥感的特点，主要表现在：成像光谱仪可以为每个像元提供数十至数百个波段的光谱信息，光谱分辨率可达纳米数量级。由于包含了丰富的光谱，不同类型的溢油（原油、汽油、柴油、润滑油）等能够在图像中体现不同的光谱曲线，因此，可以为不同的海上目标建立光谱库，通过将油污的光谱与标准光盘库进行特征比对（如：计算光谱角距离），从而实现对溢油种类的识别。

    1.4激光识别

    油膜在激光下产生荧光，可以用于鉴别溢油种类、探测油膜厚度。在激光下，油膜发出的荧光和其他海上目标的荧光波长有较大差异，所以可以用机载LiDAR等技术手段，精确分析溢油情况。但是激光的成本较高，目前应用较少。在实际应用中，主要使用的是远红外、多光谱（覆盖蓝光、绿光、红光、近红外）光学遥感影像和SAR雷达遥感影像。

    2、ROI对象

    在对溢油事故进行应急处置时，除直接使用遥感分析油膜外，同时还应对可能受到溢油影响的海上目标进行监测，即对潜在的感兴趣目标区域（ROI，Region of Interest），进行ROI提取；然后有针对性地制作数字正射影像（DOM）和制作相关专题分析产品（比例尺在1：5000、1：1万左右），以更好地服务于应急工作需求。

    表1给出了需要关注的对象和其对应的监测内容。通常，海上日常监测所需的遥感影像空间分辨率为0.5米-15米，时间分辨率为半个月/次（执法与应急情况下则拍摄频率优于1天且具有一定机动性），目标相对定位精度优于5米。

    基于遥感的溢油应急响应系统设计

    海上溢油应急反应和清污作业的环境条件通常比较恶劣和复杂，溢油在风浪、光照等自然因素的作用下，位置和形态又在不断地变化，因此，建设科学的海上溢油应急响应系统涉及卫星遥感、雷达探测、航空遥感、导航定位、数学计算模型等多种技术手段的有机结合。系统构成如图2所示，主要包括以下内容：

    1、溢油状态（位置、范围、溢油量、油污类型）探测

    使用航空遥感和卫星遥感技术手段，快速获得大范围的溢油监测图像，然后根据光谱特征和反射率识别油污。理论研究和应用实践表明：雷达、热红外、紫外是最重要的溢油成像波段，利用多遥感器（机载＼星载的合成孔径雷达SAR、红外扫描仪、多光谱和高光谱成像仪）的集成，结合统一时空框架组织的多源信息融合技术，识别油污的位置和范围。

    2、溢油漂移变化预测

    遥感影像获得的是溢油瞬时状态的基本范围和属性信息，要想动态跟踪溢油变化，可以在油污区抛设浮标，对溢油漂移动态进行跟踪定位；可结合船载、岸基雷达装备，进行实时监测，以补充遥感技术手段在实效性方面的不足；进而，将多种传感器的监测信息进行时空关联，进行天基（遥感）-船基-浮标基-岸基的联合监测与跟踪。

    溢油的动态分析，还可以通过建立数学预测模型实现。溢油在海洋中的行为主要表现为漂移，扩散、蒸发、乳化过程，系统通过建立溢油的行为模型（漂移、扩散）、风化模型（挥发乳化、溶解、降解沉降）等，接入海上环境监测信息（风场、潮流、海温、水深）和溢油属性信息（溢油位置、种类、发生时间），对溢油的走向变化进行动态模拟，判断溢油可能的漂移轨迹、扩散范围、上岸时间地点等，然后根据预测信息，决策人员可以及时调集应急队伍和清理设备到达适当的作业地点，同时向环境敏感区发布污染预警，以便提前预防避免重大污染损失。

    3、危害性评估

    3.1初始评估

    初始评估指的是在发现溢油事故后，通过遥感影像分析、实地考察等手段，识别溢油的种类、油膜厚度等属性，估计溢油量及其可能的污染影响，将调查结果提交给应急救援人员，并给出溢油处理建议。

    3.2施工影响评估

    溢油给海洋生态环境带来了严重的影响，而一些溢油清理手段（如受控燃烧法、喷洒溢油分散剂）同样也会对海上航运、海洋气候带来不利影响。因此，在溢油处理过程中，系统接入溢油海区的监测信息，对溢油带来的环境（海温、海流等）影响进行跟踪。

    4、应急预案管理

    包括事前建立应急预案，事发时的应急效果推演，为应急指挥提供决策辅助。

    4.1应急预案搜索

    事先建立溢油应急事故预案，为不同类型的事故建立与之相应的处理策略（如燃烧法、撇油器回收、喷洒分散剂等），为事故的不同阶段建立处置方案。在事故发生后，根据溢油等灾害发生的位置、危害程度及扩散态势，提供针对性的预案，为应急指挥提供快速的辅助参考方案。

    4.2预案效果推演

    为不同类型的预案提供效果模拟和供应急队伍推演，通过地理信息系统，为指挥中心提供可视化展示功能，在电子海图上生成污染区、环境敏感区和应急人员设备的地理分布信息，有助于决策人员进行分析和应急部署。在未发生应急事故时，还可以用于应急反应计划的演习和人员培训。

    5、远程指挥与协作

    5.1多部门协同会商

    在通讯系统支持下，实现异地水上溢油事故的远程指挥，构建“天空-陆地-海面-现场”一体化的移动应急指挥网络；采用跨平台联动技术，提供海事部门、环保部门、海洋局、军队等多个部门的远程会议支持，进行跨部门的信息联络和统一指挥管理，以支持各个相关部门的协同作业，形成统一的应急处理体系。

    5.2数据分发共享

    面向参与应急救援的多部门，提供数据的推送和共享。将多平台的观测数据、统计报表数据以及分析决策数据推送到应急响应的各个相关单位，包括环保部门、交通部海事局、农业部渔业局、国家海洋局民政部、国家安全生产监管总局、国家气象局和军队等。

    提供溢油灾情的信息报道。系统接入海洋局、气象局的监测信息，对溢油带来的海洋环境（海温、海流等）影响进行跟踪。通过将海洋气象信息（海温、海浪、洋流、海冰等）和环境气候信息显示到系统的电子海图界面，实现综合海洋环境监测信息的可视化，用于处理决策、新闻报道、环境影响评价、污染损害索赔等。

    总结

    溢油属突发性海洋污染事故，海上环境条件通常比较恶劣和复杂，溢油在风浪流及光照等自然因素的联合作用下，位置和形态又在不断地变化，因此，需要作出快速的应急反应，尽可能予以控制、回收和清除，减少所造成的环境污染损害。本文分析了遥感技术在溢油应急响应中的作用，通过综合利用多源异构空间地理信息资源，设计了集 “监测-响应-处置-评估”为一体的溢油应急响应系统，为决策者进行针对性部署、指导和监控溢油处理工作提供辅助和参考。

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    （作者单位：中国交通通信信息中心）