基于烃类石油荧光效应原理的溢油检测设计

陈 翀

（中海油信息科技有限公司湛江分公司，广东湛江 524000）

海洋面积约为3.6×108km2，其约占地球表面积的71 %。近几十年来，工业发展取得了辉煌的成就，而海洋的污染问题日益加重，水体水质遭到破坏，这不仅不利于海里生物的生存生长，而且影响人类的身体健康。海上溢油是全球海洋的主要污染之一，石油污染会在海面形成很大一层油膜，使得海内的浮游生物，鱼虾和贝类等生物缺氧甚至大量死亡，其死亡后产生的毒素可以通过食物链毒害人体，导致经济的严重损失和人体健康的损害[1，2]。为保证及时发现溢油情形并且准确处理溢油事故，就需要对采油附近海面进行溢油检测，及时做出预警，以减少溢油事故造成的海洋破坏。刘丙新[3]提出了一种基于光谱特征的决策树溢油和MNF 的决策树溢油的信息提取方法，他认为可以根据水体、表面油膜的光谱特征，再利用遥感影像进行溢油检测。该方法适用于出现溢油后，再进行处理，无法在溢油事故初期做出预警。闻心怡等[4]研制出一种能够挂在AUV上的溢油检测系统，该系统可以实现与AUV 无缝连接，可以对海底输油管道进行泄漏检测。Rudolf Ressel等[5]提出了一种采用相干双极化的技术进行溢油检测处理，首次将传统和极化特征相结合应用于溢油检测中。黄徽[6]提出了基于三维荧光光谱的溢油检测方法，他根据交替三线性分解，平行因子分析和自加权交替三线性分解三种方法提出了一种应用组合算法（ACM），通过该算法对油污进行分辨与检测。

上述几种检测溢油的方法虽然在现场环境使用中取得了较为准确的检测效果，但是有些检测方法操作起来比较复杂，有些计算量比较大，在某种程度上可能延长发现溢油事故的时间，从而无法及时处理。针对该类问题，本文提出一种基于烃类石油荧光效应原理的溢油检测方法，用荧光峰值的荧光法对水面溢油进行检测，采用长焦镜头实现较远距离目标图像非接触捕捉，采用基于局部极值的分水岭算法进行目标提取与图像识别，从而建立一个完整的溢油检测系统。该方法流程简单，计算简单准确，能够及时处理海洋溢油事故。

1 荧光检测原理

1.1 荧光的产生

当光照射到某一物质上时，光的能量能够使该物质周围的一些电子从原来的轨道跃迁到更高能的轨道，即由基态跃迁到第一个激发或者第二个激发的单线态等。该单线这种激发态是不稳定的，持续数秒后，它们还会恢复到基态，当电子从第一激发单线态回到基态时，能量将以光或者热的形式释放出来，进而产生荧光[7]。

1.2 荧光检测方法

石油是由碳氢化合生成的烃类物质，而烃类物质具有很高的荧光效率，因此荧光检测方法对于海洋溢油检测具有重要意义。利用石油中烃类物质的荧光特性进行溢油检测，具有灵敏度高和稳定性强、非接触性检测等优点。当激光（波长小于290 nm）激发到含有矿物质油的油水混合物中时，它的荧光峰值波长大约在350 nm～400 nm，254 nm 为其最有效的激发波长[8]。由于激光的能量集中，其纯度高而且反射光容易被滤除，为最理想且适用于溢油检测的照射光源，因此采用半导体激光器搭建激光发射光路，解决激发光源问题。

2 图像提取与目标识别

图像提取与目标识别是将传入的信息与系统中储存的信息作比较，进而对图像进行识别。系统需要将传入的信息做图像预处理、图像分割与特征提取。图像滤波是在保证图像特征的情形下对目标图像进行降噪，为图像后期处理和分析的可靠性提供重要保证。采用轮廓检测和斑点检测算法[9]对图像进行识别，基于局部极值的分水岭算法实现斑点检测。为去除目标图像中的噪声点，首先用一个高斯低通滤波对目标图像进行卷积处理，模型如下所示：

目标图像f（x，y）用高斯核（方差为σ）进行高斯滤波，对目标图像进行降噪。

目标图像的拉普拉斯图像为：

进而有：

该算法中，目标图像中的二值化斑点，在σ=r/2时，高斯拉普拉斯的响应会达到最大值；当目标图像中的圆形斑点呈黑白反向时，在σ=r/2 时，高斯拉普拉斯的响应会达到最小值。达到峰值的σ 值即为特征尺度。

在空间和尺度上均达到峰值的点为期望得到的斑点。当检测二位图像时，计算该目标图像在各个尺度的拉普拉斯响应值，同时查看空间中的各个点，当该点的拉普拉斯响应值均大于或者小于除此之外的立方空间领域（27 个）的值即为被检测目标图像的斑点。

3 溢油检测系统设计

溢油检测系统的设计主要包括五大部分（时间精确校准、有序采样、信息传输、声光报警和手动复位）。首先，溢油检测系统要设计时间校准模块，保证该系统时间的准确性，以免在出现溢油事故时收到错误通知，系统要求每天对程序时间进行一次校准，确保与GPS时间一致，该模块每天自动执行，能有效的避免因错误指令导致工作人员工作混乱，提前或延后收到溢油警报。其次，设计采样模块，设置程序保证相机每间隔一定时间进行一次海面图片采样工作，其中相机采样间隔为1 s～60 s 可调，默认10 s，时间间隔可根据实际工作条件调整，易溢油区域设置间隔可在10 s 以内，不易溢油区域可调整到15 s 以上，该模块可提高相机的使用价值。然后，设计系统自动将相机采样的图片传送到PC 端，完成目标提取，采用特定的图像算法滤除环境光和风浪引起的浪花干扰问题，进行图像识别。进而，设计声光报警模块，当识别图像中有溢油情形发生，立即启动声光报警信号灯，并且锁定报警位置，通知工作人员立即处理。最后，当溢油事故处理完成后，手动复位，保证系统正常运行。该系统适用于油膜检测厚度为20 μm 以上。溢油检测的工作流程（见图1）。

图1 溢油检测流程图

本文采用Vs2015 c#软件对系统进行编程。该程序可实现上述所示功能，本系统将用于海洋石油平台上。

4 溢油检测测试

构建实验环境，阳光充足的某天，风速3～4 级，选择一处没有任何遮挡的室外空间，在地面上放置四个大型水槽模拟海面，其中三个水面有油称为B、C、D，一个水面无油称为E，将检测设备吊装在水槽上方，检测设备与水面距离可以调整，本实验将检测设备吊装在距离水槽水面3 m 的位置。实验分别选在清晨（A1）、上午（A2）、中午（A3）、下午（A4）、傍晚（A5）和晚上（A6）具有不同光线照射情况的六个时间段进行采样。检测结果按照三种情况进行记录，检测成功为X，检测失败为Y，不确定为Z。检测标准为激光照射浮油产生的圆形光斑亮度远远大于周围水面亮度，也大于激光照射普通水面产生的光斑亮度可判断为有溢油否则无。测得的溢油实验情况（见表1）。检测结果为不确定事件的原因是相机镜头有污渍。

表1 溢油检测实验情况分布表

由表1 实验结果可以看出，针对不同光线照射的六个时间段，检测出的溢油情况除相机镜头有污渍均为准确事件，即工作中，应注意时刻保持镜头无污染。实验表明溢油检测系统具有很高的准确性和实用性，可以应用到海洋溢油检测中。

5 结论

该溢油检测装置，采用半导体激光器搭建激光发射光路；高速工业相机，配合长焦镜头实现较远距离目标图像；采用基于局部极值的分水岭算法进行目标提取与图像识别，滤除干扰等问题，开发相应操作程序完成溢油检测并实时报警。实验验证了该溢油检测方法的可行性与实用性。在海洋采油工作平台上使用该溢油检测方法能够及时且准确的处理海面溢油事故，为确保生态环境以及人类健康做出重要保障。