Применение технологий дистанционного зондирования при обнаружении и мониторинге разливов нефти

Введение

Разливы нефти остаются одной из наиболее заметных и разрушительных форм загрязнения морской среды. От катастрофического взрыва Deepwater Horizon в 2010 году до небольших хронических утечек из судоходства и трубопроводов выпуск нефти в окружающую среду требует быстрого обнаружения и устойчивого мониторинга, чтобы свести к минимуму экологические и экономические последствия. Традиционные методы, такие как визуальный осмотр с самолетов или лодок, ограничены в пространственном охвате и могут быть серьезно затруднены темнотой, туманом или бурным морем. За последние три десятилетия технологии дистанционного зондирования появились в качестве незаменимых инструментов для обнаружения и мониторинга разливов нефти. Используя датчики, установленные на спутниках, самолетах, беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) и даже беспилотных летательных аппаратах, реагирующие органы могут быстро определить степень и эволюцию разлива, часто в режиме реального времени и на обширных территориях. Эта статья обеспечивает всесторонний обзор платформ дистанционного зондирования и типов датчиков, используемых в реагировании на разливы нефти, обсуждает их сильные стороны и ограничения и исследует новые инновации, которые обещают дополнительно повысить точность обнаружения и эксплуатационную эффективность.

Обзор технологий дистанционного зондирования

Дистанционное зондирование — это наука о получении информации об объекте или области без физического контакта. В контексте разливов нефти системы дистанционного зондирования полагаются на электромагнитное излучение, отраженное или испускаемое смесью нефти и воды. Выбор датчика зависит от области длины волны используемого электромагнитного спектра, высоты платформы и условий окружающей среды. Большинство оперативных датчиков дистанционного зондирования разлива нефти подразделяется на две широкие категории: пассивные датчики, которые обнаруживают естественное излучение (например, солнечный свет или тепловое излучение) и активные датчики, которые излучают свою собственную энергию и измеряют возвращенный сигнал (например, радар или лидар).

Платформы варьируются от низколетящих дронов до геостационарных спутников. Каждая платформа предлагает различные компромиссы между пространственным разрешением, временной частотой, охватом и стоимостью. Например, небольшой беспилотник может обеспечить изображения с разрешением субметра на небольшой площади в течение нескольких минут, в то время как спутник на низкой околоземной орбите может снимать тысячи квадратных километров за один проход, но может только пересматривать одну и ту же область каждые несколько дней. Эффективный мониторинг разливов нефти часто использует многоплатформенный, многосенсорный подход, который сочетает в себе сильные стороны нескольких систем.

Ключевые технологии дистанционного зондирования для обнаружения разливов нефти

Оптические датчики

Оптические датчики являются одними из самых простых инструментов дистанционного зондирования. Они захватывают отраженный солнечный свет в видимых (400-700 нм) и ближне-инфракрасных (700-1300 нм) частях спектра. Нефтяные пятнышки появляются иначе, чем чистая вода, потому что нефть изменяет шероховатость поверхности и отражательную способность. В видимых длинах волн толстое масло может казаться темно-коричневым или черным на ярком водном фоне, в то время как тонкие блески производят характерный серебристый или радужный блеск. Оптические изображения интуитивно понятны для аналитиков-людей и могут быть получены от камер потребительского класса на дронах или от сложных спутниковых инструментов, таких как на спутниках НАСА Terra и Aqua (FLT:0) NASA Terra ]. Однако оптические датчики требуют дневного света и ясного неба; облака, туман и темнота делают их неэффективными. Кроме того, отличить нефть от других темных особенностей, таких как водная растительность, нижняя тень или спокойные водные

Радар с синтетической апертурой (SAR)

Радар с синтетической апертурой широко рассматривается как рабочая лошадка обнаружения разливов нефти из космоса и воздуха. SAR является активным датчиком, который передает микроволновые импульсы и измеряет обратно рассеянную энергию. Взаимодействие радиолокационного сигнала с поверхностью моря регулируется шероховатостью поверхности. Чистая вода с капиллярными волнами, генерируемыми ветром, создает сильные обратное рассеяние (яркие области). Нефтяные пятнышки ослабляют эти короткие волны, уменьшая обратное рассеяние и создавая темные пятна на радиолокационном изображении. Способность работать днем и ночью через облака и в неблагоприятную погоду делает SAR незаменимым для мониторинга разливов в отдаленных или постоянно облачных регионах, таких как Арктика. Спутниковые системы SAR включают в себя созвездие Европейского космического агентства Sentinel-1 (C-диапазон), канадскую RADARSAT-2 (C-диапазон), и итальянскую созвездие COSMO-SkyMed (X-диапазон). Например, во

Инфракрасные и тепловые датчики

Инфракрасные (ИК) датчики обнаруживают тепловое излучение, испускаемое с поверхности. Масляная щель может изменять температуру поверхности относительно окружающей воды. В дневное время нефть может поглощать больше солнечного излучения и становиться теплее воды, особенно более толстые эмульсии. Ночью масляная пленка может охлаждаться быстрее, иногда проявляясь холоднее. Поэтому тепловые инфракрасные камеры могут обнаруживать масляные щели как в теплые, так и в холодные аномалии, в зависимости от времени суток и толщины масла. Эти датчики обычно устанавливаются на самолетах и БПЛА для тактического реагирования. Ключевым недостатком является то, что тепловые сигнатуры часто являются переходными и могут маскироваться атмосферными условиями или температурами смешанного водяного масла. Тем не менее, тепловизионная съемка оказалась полезной для выявления самых толстых, наиболее извлекаемых частей разлива во время операций очистки.

Многоспектральная и гиперспектральная визуализация

Многоспектральные датчики захватывают изображения в нескольких дискретных спектральных диапазонах (обычно 4-10), в то время как гиперспектральные датчики записывают сотни смежных узких полос по видимой, ближней инфракрасной и коротковолновой инфракрасной областям. Детальная спектральная информация позволяет аналитикам отличать нефть от других веществ на основе уникальных особенностей поглощения и отражения. Например, масло сильно поглощается в ультрафиолетовом и некоторых инфракрасных длинах волн. Гиперспектральные данные также могут обеспечить оценки толщины пленки и типа масла. Существует несколько воздушных и космических гиперспектральных датчиков, таких как AVIRIS НАСА и немецкая миссия EnMAP. Основными проблемами являются огромные объемы данных, сложность обработки и необходимость специализированной атмосферной коррекции. Оперативное использование все еще растет, но гиперспектральное зондирование имеет большие перспективы для точной характеристики масла.

Флуоресцентные датчики (лидарные и пассивные)

При освещении ультрафиолетовым светом масляные флуоресценции — излучение света на более длинных волнах — с характерными спектрами в зависимости от его состава. Системы активного флуоресцентного лидара (светодетектирование и диапазон), а также пассивные ультрафиолетовые датчики могут использовать это свойство для обнаружения масла даже в очень тонких оттенках. В воздухе флуоресцентный лидар используется некоторыми национальными агентствами для наблюдения, но он еще не распространен на спутниковых платформах. Этот метод обеспечивает очень высокую чувствительность и может отличать масло от натурального фонового органического вещества.

Преимущества дистанционного зондирования при мониторинге разливов нефти

Дистанционное зондирование обеспечивает несколько критических преимуществ для мониторинга разливов нефти, которые трудно достичь только с помощью измерений на месте или визуального наблюдения. Во-первых, синоптический охват на обширных территориях , возможно, является наиболее значительным преимуществом. Один спутниковый проход может отображать тысячи квадратных километров, позволяя респондентам быстро отображать полную степень разлива. Во-вторых, дистанционное зондирование может работать в суровых и опасных средах , таких как Арктика, отдаленные океанские бассейны или зоны конфликтов, где пилотируемые полеты или исследования кораблей непрактичны. В-третьих, своевременность обнаружения улучшается быстрым временем повторного посещения спутниковых группировок. Например, пара Sentinel-1A и 1B программы Европейского Коперника обеспечивает глобальное покрытие каждые шесть дней в средних широтах, а с несколькими спутниками SAR, находящимися сейчас на орбите, некоторые районы могут получать ежедневные изображения. Для тактического реагирования БПЛА могут предоставлять изображения в течение нескольких минут после запуска. В-