王 義，李 麗

(中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

南海蘊藏著豐富的油氣資源[1]。近年來，南海周邊國家對南海油氣資源的開采力度不斷加大，油氣開采狀況變化很快[2-3]，嚴重侵害了我國的海洋資源權益。常規(guī)的現(xiàn)場調(diào)查方法因距離、成本、效率等諸多原因無法滿足大范圍海域調(diào)查的需求，而遙感技術的發(fā)展為海上油氣鉆井平臺的監(jiān)測提供了良好契機[4-6]。遙感技術不受地域和人為因素的影響，能夠克服南海海域現(xiàn)場調(diào)查困難的問題。近10 a衛(wèi)星發(fā)射進入快速上升通道，遙感衛(wèi)星數(shù)量日益增多，衛(wèi)星種類更豐富、空間分辨率更高、覆蓋范圍更廣、重訪周期更短等優(yōu)勢越發(fā)明顯，為海上油氣鉆井平臺分布及變化狀況的遙感監(jiān)測提供了豐富的數(shù)據(jù)源。國內(nèi)外學者充分挖掘遙感影像信息的內(nèi)涵，研究發(fā)展了一系列適合不同影像類型的海上鉆井平臺位置提取方法與策略，也嘗試了對平臺開發(fā)及變化狀況的初步監(jiān)測。本文對近年來學者們在海上，特別是南海海上油氣鉆井平臺遙感識別和監(jiān)測的研究成果進行了概括總結。主要從遙感影像的數(shù)據(jù)源選擇和識別方法2個方面進行闡述，并結合目前海上油氣鉆井平臺的監(jiān)測需求，分析了當前研究面臨的問題和挑戰(zhàn)，提出了下一步研究方向。

1 海上油氣鉆井平臺遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)源

隨著遙感技術的快速發(fā)展，研究人員開始逐步利用各種類型的遙感影像開展海上油氣鉆井平臺的識別和監(jiān)測研究，包括夜間燈光/火光影像、合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)影像、光學影像以及多源遙感影像，等等。海上油氣鉆井平臺大小不一，長度范圍從幾十米到一二百米不等，寬度則以幾十米為主。且平臺構造多以金屬結構為主，在遙感影像上與海洋背景對比強烈，形狀規(guī)則，多呈線條狀或塊狀。

1.1 夜間燈光/火光影像

1973年，Croft[7]利用從美國空軍DAPP系統(tǒng)獲取的夜間燈光影像對油氣田中廢氣燃燒進行監(jiān)測分析，并認為該研究可加強對世界范圍內(nèi)的油氣資源開發(fā)情況的分析。Elvidge等[8-10]利用美國的 DMSP/OLS 燈光數(shù)據(jù)進行了全球尺度的廢氣燃燒監(jiān)測，包含了對海上油氣平臺廢氣的燃燒監(jiān)測。隨著技術的進步，美國發(fā)射的Suomi NPP環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星所搭載的可見光/紅外成像輻射儀(Visible Infrared Imaging Radiometer,VIIRS)將燈光數(shù)據(jù)的分辨率提高了一倍。Elvidge等[11]利用VIIRS數(shù)據(jù)對海上廢氣的燃燒點(包含海上油氣鉆井平臺)進行了識別。蘇偉光[12]利用 DMSP/OLS 數(shù)據(jù)提取了馬來西亞和越南2007—2012年間在我國“九段線”領海內(nèi)建造的油氣鉆井平臺情況。李強等[13]利用VIIRS數(shù)據(jù)開展了珠江口盆地海上油氣鉆井平臺提取技術研究。然而，夜間燈光/火光數(shù)據(jù)的空間分辨率比較低，多為450 m以上甚至1 000 m左右，而海上油氣鉆井平臺的大小多在數(shù)十米和百米級別，因而識別精度較低且不能分辨出位置較近的平臺。同時，利用該類型數(shù)據(jù)可能忽略沒有或僅有少量伴生天然氣焚燒的平臺。

1.2 合成孔徑雷達影像

合成孔徑雷達影像技術近年來得到了迅猛發(fā)展。SAR影像具有全天時、全天候和不受天氣條件影響等優(yōu)勢。海上油氣鉆井平臺的上層建筑多為金屬結構，對微波雷達信號能產(chǎn)生很強的反射作用，在SAR影像中以亮目標的形式出現(xiàn)，便于識別和提取。2007年，張露等[14]利用SAR影像識別包括海上油氣鉆井平臺在內(nèi)的海上靜止目標。Peng等[15]利用先進的合成孔徑雷達(Advanced Synthetic Aperture Radar,ASAR)數(shù)據(jù)識別了南海西部的海洋油氣鉆井平臺分布。2012年，Casadio 等[16]完成了利用SAR 影像和順軌掃描輻射計(Along-Track Scaning Radiometer,ATSR)提取海上油氣鉆井平臺的研究。2013年,王加勝等[17]利用ASAR 數(shù)據(jù)(150 m分辨率)實現(xiàn)了對越南東南海域海洋油氣鉆井平臺的提取。2014年,萬劍華等[18]利用1景RadarSat-2數(shù)據(jù)(10 m分辨率)和2景TerraSAR-X數(shù)據(jù)(2 m分辨率)對南海某區(qū)域的油氣鉆井平臺進行了提取和研究。2019年，張靜[19]采用Radar-Sat-2影像(100 m分辨率)和GF-3雷達影像(40 m分辨率)對我國南海北部灣盆地和珠江口盆地的海上油氣鉆井平臺進行了提取和研究。相較于夜間燈光影像數(shù)據(jù)，SAR影像具有較高的空間分辨率(<150 m)，可以提高海洋油氣鉆井平臺識別的準確性。常用的RadarSat-2衛(wèi)星可提供多種工作模式的產(chǎn)品，分辨率范圍為1～100 m,重訪周期為24 d，幅寬最大為500 km×500 km。但是，SAR影像的采集效率較低，成本高，無法滿足南海大范圍區(qū)域覆蓋和識別的要求。而且雷達影像存檔數(shù)據(jù)較少，不能進行長時期歷史開發(fā)過程的動態(tài)監(jiān)測。

1.3 光學影像

相比雷達影像，光學影像具有更豐富的光譜信息。隨著傳感器種類越來越豐富，衛(wèi)星重訪周期越來越短，光學影像在采集效率和頻次、覆蓋范圍等方面都更具優(yōu)勢。近10 a來基于光學影像(以Landsat TM/ETM+/OLI影像為主)的海上油氣鉆井平臺提取的研究逐漸增多。孟若琳等[20]采用Landsat TM影像對海上船舶和油氣鉆井平臺進行了識別，但未區(qū)分海上油氣鉆井平臺與船舶目標。2016年，Liu等[21]采用 Landsat-8 OLI影像提取了泰國灣、墨西哥灣和波斯灣3個海域的油氣平臺。趙賽帥等[22]采用Landsat影像篩選出南海南部的海洋油氣鉆井平臺。Landsat系列光學衛(wèi)星影像的空間分辨率可以達到30 m,全色波段分辨率為15 m，重訪周期為16 d，幅寬為185 km×185 km，主要覆蓋范圍為陸地及近海區(qū)域。從1980年至今已有近40 a的光學影像存檔數(shù)據(jù)，便于開展油氣鉆井平臺歷史開發(fā)過程的動態(tài)監(jiān)測。但光學影像的一個缺點是多變的海洋天氣，云雨天氣對影像提取質(zhì)量有較大影響。此外，單一的光學影像數(shù)據(jù)源所能提供的信息有限，不能滿足海上油氣鉆井平臺的屬性提取(位置、大小、水深、類型等)和動態(tài)監(jiān)測需求。

1.4 多源遙感影像

近5 a來，利用多源遙感影像開展南海油氣鉆井平臺提取和動態(tài)監(jiān)測的研究逐步成為熱點。成王玉[23]采用分步策略，首先利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)獲取南海油氣鉆井平臺位置靶區(qū)，再采用Landsat-8 OLI影像提取平臺的準確位置，最后利用早期遙感影像實現(xiàn)深度、類型等屬性特征的提取。李強[24]以珠江口盆地為例比較了VIIRS燈光數(shù)據(jù)和RadarSat-2 雷達數(shù)據(jù)提取海上油氣鉆井平臺的效果，進一步提取了整個南海的油氣鉆井平臺分布情況。孫超[3]綜合利用燈光數(shù)據(jù)、雷達影像、光學影像開展了長時間序列的多源遙感影像的南海油氣開發(fā)活動監(jiān)測研究，更為詳細地提取了海上油氣鉆井平臺的位置、屬性以及石油產(chǎn)量的信息。目前，用于海上鉆井平臺信息提取的光學影像多為中等分辨率(30 m)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，隨著米級高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的廣泛應用，利用多源遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，尤其是高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展油氣鉆井平臺監(jiān)測的研究將會越來越多。

2 海上油氣鉆井平臺識別方法

當前海上油氣鉆井平臺遙感監(jiān)測的主要工作集中在平臺位置的識別方法研究上，此外，對平臺其他要素(深度、年齡、類型)的監(jiān)測工作也已經(jīng)初步展開。在海上油氣鉆井平臺位置的識別方法方面，除了采用人工目視解譯方法外，針對不同類型遙感影像，國內(nèi)外學者研究發(fā)展了適合相應影像類型的方法和策略。

2.1 夜間燈光/火光影像

在夜間燈光/火光數(shù)據(jù)方面，主要有閾值分割和空間濾波類方法，基本原理是利用油氣鉆井平臺上燈光及廢氣燃燒塔的火光影像數(shù)據(jù)來提取目標，并與發(fā)出燈光的漁船進行區(qū)分。蘇偉光[12]采用目視解譯方法從覆蓋我國“九段線”領海區(qū)域的 DMSP/OLS 數(shù)據(jù)中提取了海上油氣鉆井平臺的位置。Casadio等[16]選用夜間順軌掃描輻射計(Along Track Scaning Radiometer,ATSR)短波紅外數(shù)據(jù)，將2倍探測器噪聲強度作為固定閾值提取了北海區(qū)域2008年度海洋油氣鉆井平臺的位置信息。Anejionu等[25]利用高通濾波器和雙重閾值分割方法從夜間中分辨率成像光譜儀(Maderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)數(shù)據(jù)中分析了尼日爾三角洲天然氣焚燒源分布變化。李強等[13]在利用VIIRS數(shù)據(jù)開展南海北部海上油氣平臺提取研究時，提出了一種卷積運算臨界值法，提高了閾值選取的準確度。雖然夜間燈光/火光數(shù)據(jù)的海上油氣鉆井平臺識別的精度較低，難以分辨單個平臺與多個平臺的集合，但該方法識別成本低、速度快，適合初期圈定海上油氣鉆井平臺的目標區(qū)域。

2.2 SAR影像

海上油氣鉆井平臺遙感影像特征與海上艦船相似，因而基于SAR影像的海上油氣鉆井平臺識別方法通常首先借鑒海上艦船識別的方法識別出海上目標；其次，海上油氣鉆井平臺本身具有位置不變的特性，利用這一特性通過多時相海上目標的比對去除虛警完成鉆井平臺的識別。其中，艦船識別中的雙參數(shù)恒虛警率(Constant False Alarm Rate，CFAR)方法[26-27]通過滑動窗口中局部背景像素值的統(tǒng)計特性來計算每個窗口中目標的閾值，能夠更好地適應海洋背景雜波的變化特性，成為海上油氣平臺提取使用最廣泛的方法。Peng等[15]綜合雙參數(shù)CFAR方法和多時相對比，從4景ASAR數(shù)據(jù)中識別了南海西部部分區(qū)域的海洋油氣鉆井平臺分布。Cheng等[28]使用類似組合策略并提出固定目標自動匹配的三角形不變規(guī)則，提高了海洋油氣鉆井平臺的識別精度。王加勝等[17]在利用 2景ASAR 數(shù)據(jù)實現(xiàn)越南東南海域海洋油氣鉆井平臺提取時同樣使用了雙參數(shù)CFAR方法。在這些針對局部海域的研究中，雙參數(shù)CFAR方法均取得了較好的識別效果。但是方法本身的虛警率控制系數(shù)往往通過人為反復設置或根據(jù)經(jīng)驗值判斷得來，過程復雜，結果的主觀性較強。張靜[19]提出使用一種最大熵雙參數(shù)CFAR方法，對自動確定虛警率控制系數(shù)進行了探索，并基于2景SAR影像提取了南海北部的油氣鉆井平臺分布信息，識別結果更加客觀。萬劍華等[18]基于3景南海某小范圍區(qū)域的SAR影像驗證了采用自適應濾波處理和多時相對比方法識別油氣鉆井平臺的可行性。受限于影像精度和影像數(shù)據(jù)尤其是多時相影像獲取的難度，上述基于SAR影像的研究多集中于局部區(qū)域海上油氣鉆井平臺的識別。對大范圍海域和大量遙感影像數(shù)據(jù)的場景，方法的識別效果和效率有待驗證。同時需要加強自適應、自動化確定控制系數(shù)方面的研究。

2.3 光學影像

基于光學影像的海上油氣鉆井平臺的提取方法以滑動窗口和多時相對比方法為主[3]?；驹硎歉鶕?jù)海上油氣鉆井平臺在遙感影像的高亮特征與背景差異明顯的特點，利用滑動窗口識別出初步的海上油氣鉆井平臺目標。再根據(jù)海上鉆井平臺的位置不變特性，利用不同時期多時相影像的對比剔除虛警，識別出真實油氣鉆井平臺目標。孟若琳等[20]主要使用目標有無判定算法及迭代最優(yōu)閾值分割滑動窗口進行目標識別的策略，對單一時相Landsat TM影像進行海上目標識別，大大提高了識別效率，但未能實現(xiàn)對海上油氣鉆井平臺與船舶目標的有效區(qū)分。2016年，Liu等[21]主要采用多層降噪優(yōu)化和多時相對比策略并基于Landsat-8 OLI 影像提取了海上油氣鉆井平臺。趙賽帥等[22]采用滑動窗口和多時相對比策略在Landsat影像中提取了南海南部的海洋油氣鉆井平臺分布，并初步對平臺開發(fā)的歷史過程進行了動態(tài)監(jiān)測。成王玉[23]采用多時相對比和分層篩選策略并基于Landsat-8 OLI 影像識別了南海全覆蓋的海上油氣鉆井平臺空間位置信息。綜上，基于光學影像識別方法的研究能夠在南海大范圍海域獲得應用。

2.4 多源影像及其他要素的識別與監(jiān)測

基于多源影像數(shù)據(jù)的海上油氣鉆井平臺的識別方法多采用上述不同影像類型識別方法和策略的組合，來實現(xiàn)更加準確地識別鉆井平臺的位置信息。此外，也用于對鉆井平臺的其他要素(深度、年齡、類型等)進行初步識別和監(jiān)測。

其中，成王玉[23]綜合利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和Landsat-8 OLI光學影像識別了海上油氣鉆井平臺的準確位置，再基于長時間序列的Landsat-8 影像，利用目視判別方法識別了平臺年齡、類型等屬性，基于英國海洋數(shù)據(jù)中心的水深數(shù)據(jù)識別了平臺的深度屬性，完成了南海油氣鉆井平臺多要素的初步識別和監(jiān)測。孫超[3]綜合利用燈光數(shù)據(jù)、雷達影像、光學影像，提出一種時序累加策略，結合順序統(tǒng)計濾波、云掩膜噪聲去除等技術，研發(fā)了一種適用于光學/雷達影像的海洋油氣鉆井平臺位置的識別方法。此外，還提出了基于時間序列統(tǒng)計特征的平臺屬性識別方法，提取了平臺的工作狀態(tài)、大小/類型、生產(chǎn)任務等屬性要素。在這些方法基礎上開展了整個南海海域的海上油氣鉆井平臺的識別與監(jiān)測研究，取得了較好效果。由此可知，除油氣鉆井平臺位置信息外的其他要素的識別和監(jiān)測研究已經(jīng)逐漸起步。

3 面臨的問題和挑戰(zhàn)

3.1 面臨的問題

近10 a來，對于南海油氣鉆井平臺的遙感監(jiān)測研究逐漸展開。學者們研究了基于不同影像數(shù)據(jù)的油氣鉆井平臺的識別方法，但也存在一些問題。

(1)以往的研究主要集中在雷達影像數(shù)據(jù)，但受限于影像的數(shù)量和獲取難易程度，多局限在局部小范圍內(nèi)開展可行性研究，不能滿足大范圍甚至整個南海區(qū)域的監(jiān)測需求，對海上油氣鉆井平臺歷史開發(fā)進程的監(jiān)測也存在不足；識別方法本身的虛警率控制系數(shù)尚需要人為反復設置或根據(jù)經(jīng)驗值判斷，缺乏自適應、自動化確定控制系數(shù)方面的研究與應用。

(2)基于光學影像的識別方法在南海較大海域范圍內(nèi)的實際應用中取得了較好的識別效果，但海洋云雨天氣對光學影像提取數(shù)據(jù)的質(zhì)量有較大影響，需開展影像去云技術的研究。此外，多時相比對的方法需要對大量影像數(shù)據(jù)進行處理和比對，工作量大。

(3)基于多源遙感影像數(shù)據(jù)的南海油氣鉆井平臺識別研究已初步展開，但這類研究需要組合利用多種影像數(shù)據(jù)源，通常要設計復雜的分步、篩選和識別策略，流程復雜且對處理解譯經(jīng)驗要求較高，對不同監(jiān)測區(qū)域是否具有普適性有待驗證。

(4)當前，米級高分辨率衛(wèi)星影像應用越來越廣泛，可為南海油氣鉆井平臺識別和監(jiān)測所用的影像數(shù)據(jù)越來越多，但基于海量高分辨率遙感影像的識別方法和策略的研究尚不多見。

3.2 挑戰(zhàn)

隨著南海周邊國際形勢的不斷變化，油氣資源越界開采的矛盾日益突出，對南海油氣鉆井平臺的識別和監(jiān)測提出了更高的要求，主要包括以下幾個方面。

(1)常態(tài)化監(jiān)測的要求。近幾年南海鉆井平臺增速加大，周邊國家海上油氣鉆采活動日益頻繁。以往局部區(qū)域和應急任務式的監(jiān)測無法滿足對南海油氣資源保護的迫切需求，必須開展常態(tài)化遙感監(jiān)測。

(2)特定區(qū)域?qū)崟r動態(tài)監(jiān)測的要求。在特定油氣盆地及其他國家越界開采情況嚴重的局部海域，鉆井平臺的狀態(tài)在單月甚至單周時間內(nèi)會發(fā)生明顯變化。如何開展實時動態(tài)監(jiān)測并快速獲取其月變甚至周變的準確情況，對遙感影像數(shù)據(jù)源的獲取能力和識別方法都提出了更高要求。

(3)海量影像對自動化、智能化識別技術的要求。隨著米級高分辨率衛(wèi)星影像獲得廣泛應用，能夠用于大面積、長時序多源衛(wèi)星動態(tài)監(jiān)測的影像數(shù)據(jù)量將越來越大。如何有效利用這些海量高分辨率數(shù)據(jù)來開展自動化智能化的海上鉆井平臺識別和監(jiān)測是一項重大挑戰(zhàn)。

4 結論與建議

綜合來看，當前南海油氣鉆井平臺的遙感監(jiān)測研究并不能完全滿足目前和今后一段時間內(nèi)對油氣鉆井平臺監(jiān)測的需求。建議從以下2個方面加強研究并推動實際應用。

(1)開展人工智能海上油氣鉆井平臺識別工作，進行自動化、智能化識別技術研究和應用。近年來，人工智能技術飛速發(fā)展，在遙感影像處理中獲得廣泛應用。人工智能技術能夠從海量數(shù)據(jù)中自主學習經(jīng)驗，減少人工干預，自動化完成不同的處理任務。因而，人工智能技術為海上油氣鉆井平臺自動化、智能化識別提供了一條很有前景的途徑。

(2)利用高分多源衛(wèi)星影像和自動識別技術，開展重點關注區(qū)域的常態(tài)化、實時動態(tài)監(jiān)測研究。不斷改進已有的識別方法和策略，提升識別效果并提高其自動化程度，滿足特定區(qū)域常態(tài)化、實時化的監(jiān)測需求，推進利用人工智能技術完成這一需求的研發(fā)和應用工作。