一种基于多源数据融合的溢油探测分析方法及系统与流程

本发明涉及溢油监测，具体为一种基于多源数据融合的溢油探测分析方法及系统。

背景技术：

1、目前，海上溢油监测主要依赖雷达遥感、人工巡检及单一光学检测等手段，但这些方法在实际应用中均存在明显缺陷。

2、雷达遥感，比如合成孔径雷达sar，虽能实现大范围、全天候监测，但其对薄油膜的识别能力不足，尤其厚度微米级，并且易受海面生物油膜、低风速区等似然物的干扰，产生较高虚警率。

3、人工巡检方式是依赖于人工往复查看是否溢油，该方式效率低、时效性差，难以应对突发性大规模溢油事故。或是使用视频监控系统，其虽然可以提供直观的图像信息，以便于人工观察和记录，但采集图像时易于受光照以及天气影响，并且缺乏定量检测能力，比如获取油膜厚度，识别油种类别等，无法实现自动化预警。

4、相比之下，基于多源数据融合的溢油探测器利用石油类物质，尤其是多环芳烃物，在紫外光激发下发射特征荧光的天然属性，具有非接触、灵敏度高、响应快等优点。溢油探测器的原理为：传感器向水面发射特定波长，如355nm或405nm的紫外激光，当激光照射到油膜时，油分子吸收能量后跃迁至激发态，随后发射出波长更长的荧光信号，如400~600nm；再通过光电倍增管或ccd接收该荧光信号，同时水体会产生拉曼散射光，可简称为水拉曼，通过分析荧光强度、光谱特征以及拉曼散射光谱信息，即可实现微米级油膜厚度识别、油品种类区分以及秒级响应的实时监测。

5、例如专利号为cn110160452a所公开的一种基于激光拉曼及激光荧光的水面油膜厚度的测量方法，该专利中提出关于油膜厚度计算公式，通过在待测水域，现场测量水表面距离探测系统相同距离的无油膜处忽略荧光背景后的水拉曼信号强度及有油膜覆盖处波长为处的荧光信号强度，通过油膜厚度计算公式即可得到在不同距离获得水面油膜厚度。专利号为cn111141684a所公开的一种海洋溢油可见光/红外偏振特性探测方法，该专利中提出通过强度探测与偏振探测相结合方法，比较分析海洋常见溢油的可见光/红外偏振特性，实现对溢油油种的区分。

6、然而，真实海况的环境极为复杂，比如水面波浪、洋流、白天的强光照、水体浊度以及海中所存在能产生荧光信号的海面浮游植物，使得现有采用激光诱导荧光技术仍面临严峻挑战。具体为：海面波浪会导致激光入射角、光斑位置及油膜厚度分布发生动态变化，造成荧光信号波动较强；洋流会使得油膜随水流运动，现在所采用固定点位探测会出现漏测概率；太阳辐射造成的强背景光，强光照可能淹没微弱的荧光信号，甚至使探测器饱和；浊度较高的水体会造成激光穿透能力下降，到达油膜及接收荧光信号会衰减；也会产生荧光的海面浮游植物的荧光光谱特征会对油膜探测过程中的光谱特征造成干扰。

7、因此，亟需研发一种能够融合多源信息并具备抗干扰能力的溢油探测方法。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于多源数据融合的溢油探测分析方法及系统，目的是为了通过融合视频图像信息与激光诱导荧光光谱信息，构建一套能够自适应复杂海洋环境、具备逐点可靠性评估能力和空间一致性校验能力的智能溢油探测技术方案，以克服现有技术中因水面波浪、洋流漂移、强光照、水体浊度及荧光生物干扰等因素导致的检测精度低、虚警率高、薄油膜识别困难以及缺乏定量化置信度评估机制的技术缺陷，从而实现高灵敏度、高可靠性、强鲁棒性的海上溢油实时监测与自动报警。

2、本发明提供了一种基于多源数据融合的溢油探测分析方法，所述方法包括以下步骤：

3、数据采集步骤，实时采集视频图像和外界环境数据，以获取当前时刻的环境特征；

4、该步通过采集当前时刻的环境特征以及视频图像，为后续激光参数自适应调整和环境干扰消除提供数据基础；

5、激光照射参数获取步骤，基于预设的环境参数映射关系，利用所述环境特征获取激光照射参数，所述环境参数映射关系基于预先实验标定；

6、通过预先标定实验获取环境特征与激光参数之间的关联，将复杂的在线优化问题转化为查表匹配问题，降低计算复杂度，保证实时性，并且利用先验标定知识确保参数调整的科学性和有效性；

7、执行激光照射步骤，根据激光照射参数控制阵列式分布的激光发射器执行照射，采集各个照射点的荧光光谱，并根据荧光光谱判断是否存在油膜，若存在油膜则提取检测油膜特征；

8、阵列式独立可控激光器实现多点照射和信息采集，增大监测范围，并依据激光照射参数执行激光照射进行溢油监测，通过荧光光谱初步判定油膜是否存在作为后续置信度计算的前置筛选条件，减少无效计算；

9、置信度计算步骤，计算并根据单点置信度和空间一致性置信度得到最终置信度，所述单点置信度反映对应照射点采集到的油膜特征的置信度，所述空间一致性置信度反映对应照射点在全部照射点分布上的一致性；

10、分析每个照射点的测量可靠性和该点在空间分布中的一致性来综合得到此点的置信度，构建了从点到面的可靠性评估，进而提升溢油风险判定的准确性；

11、溢油结果输出步骤，根据照射点的最终置信度与对应的检测油膜特征计算出该点的溢油风险值，并将溢油风险值与预设溢油报警阈值比较，超过溢油报警阈值则触发溢油报警；

12、将置信度作为每个照射点检测油膜特征的可靠性修正因子，实现通过原始判据与可靠度综合分析的风险量化机制，在保持对真实油膜判定灵敏度的同时，有效抑制因波浪、光照等环境干扰的虚警，提升报警准确性。

13、进一步地，所述环境参数映射关系的获取策略包括：

14、通过造波机产生多种不同参数的波浪，模拟不同的水面波纹幅度和水面漂移速度，并结合不同的光照强度和水体浊度，构建多组环境特征组合；

15、针对每组环境特征组合，选取激光照射参数中照射密度、照射角和照射功率的不同取值组合并执行油膜检测，将油膜检测准确率最高或满足预设准确率阈值条件时所对应的激光照射参数记录为当前环境特征组合的最优激光照射参数；

16、将全部环境特征组合与其对应的最优激光照射参数存储为所述环境参数映射关系。

17、通过可控实验标定替代现场反复试错，降低了系统部署和调试的难度与成本，在可控实验下获取不同环境特征条件下对应的最优激光照射参数，并且映射关系中覆盖光照、波浪、浊度等多维环境因素的组合空间，确保溢油探测方法在各种海况下的适应性。

18、进一步地，所述单点置信度用于表征反映照射点在当前局部波纹状态和当前激光照射条件下采集到的油膜检测数据的可靠性，所述单点置信度的单点置信度分析子策略包括：

19、获取每个照射点在所述视频图像中对应的局部水面区域；

20、根据所述局部水面区域提取照射点的局部波纹特征；

21、根据所述局部波纹特征和照射点对应的激光照射参数，确定照射点的测量可靠程度；

22、根据所述测量可靠程度生成照射点的单点置信度。

23、通过视频图像信息对每个照射点进行局部分析，分析每个局部区域中的波纹特征和对应点的激光参数作为该照射点的可靠性评估框架，从而考虑环境干扰和系统设置的双重影响，使得可靠性判断更加准确。

24、进一步地，所述局部波纹特征包括局部波纹幅度、局部波纹变化频率、局部水面漂移速度、局部反光扰动强度中的至少一种；

25、所述根据所述局部波纹特征和照射点对应的激光照射参数，确定照射点的测量可靠程度，包括：

26、根据所述局部波纹特征确定照射点的波纹稳定程度；

27、根据照射点的实际照射角、实际照射功率和实际照射密度中的至少一种，与当前局部波纹状态下推荐的照射角、照射功率和照射密度中的至少一种之间的匹配情况，确定照射点的照射参数适配程度；

28、根据所述波纹稳定程度和所述照射参数适配程度确定照射点的测量可靠程度。

29、将每个照射点的测量可靠性程度分析由局部波纹稳定程度与照射参数适配程度两个维度综合确定，从而给出判定点个照射点检测结果可靠性的可量化的评估维度和具体判断逻辑。

30、进一步地，所述获取每个照射点在所述视频图像中对应的局部水面区域，具体为：使用紫外波段专用相机获取包含所有照射点位置的第一图像，通过宽光谱分光棱镜将第一图像与视频图像完全重合，将照射点的位置叠加至视频图像中，以确定每个照射点所对应的局部水面区域。

31、使用紫外波段专用相机获取激光光斑位置的第一图像，通过宽光谱分光棱镜将第一图像与视频图像完全重合，实现空间位置的精确叠加，从而解决激光光斑位置与视频图像像素区域的精确对应，并且避免复杂的坐标变换和标定误差积累，为单点置信度分析中的局部波纹特征提取提供了位置保障。

32、进一步地，所述空间一致性置信度用于表征对应照射点的检测结果在多个照射点分布中的连续支持程度，所述空间一致性置信度的空间一致性置信度分析子策略包括：

33、根据各个照射点在待检测水面中的空间位置，构建照射点邻接关系；

34、针对任一目标照射点，获取其邻接照射点的油膜判断结果和检测油膜特征；

35、根据所述目标照射点与所述邻接照射点之间的油膜判断结果一致情况，以及检测油膜特征相似情况，确定所述目标照射点的邻域支持程度；

36、根据所述目标照射点与周围照射点是否形成连续油膜检测区域，确定所述目标照射点的连通支持程度；

37、根据所述邻域支持程度和所述连通支持程度生成所述目标照射点的空间一致性置信度。

38、基于油膜的空间连续性的约束，通过构建照射点邻接关系，获取邻接点的油膜判断结果和油膜特征，根据目标照射点与邻接照射点之间的判断结果一致性和特征相似性确定邻域支持程度，以及分析是否形成连续油膜区域确定连通支持程度，综合得到目标照射点的空间一致性置信度，从而有效识别并抑制孤立的噪声点或干扰点，且分析邻域支持和连通支持两个维度实现既考虑局部相似性，又考虑区域完整性，使得评估更加全面可靠。

39、进一步地，所述目标照射点与所述邻接照射点之间的空间距离越近，且所述检测油膜特征相似程度越高，则所述邻接照射点对所述目标照射点的邻域支持程度越高；

40、当所述目标照射点与多个相邻照射点具有一致的油膜判断结果并形成连续分布时，所述目标照射点的连通支持程度提高；

41、当所述目标照射点为孤立油膜检测点，且其邻接照射点未检测到对应油膜特征时，所述目标照射点的连通支持程度降低。

42、进一步限定空间一致性置信度分析过程中的具体判定规则，给出近则增强支持度，而远则降低支持度，和形成连通区域的群组点则增加支持度，而孤立点则降低支持度的具体量化规则，使得空间上置信度评估更加准确。

43、进一步地，在所述置信度计算步骤之后，还包括复核处理步骤：

44、若照射点的单点置信度低于预设单点置信度阈值，则降低照射点在溢油风险值确定过程中的影响权重，或者控制激光发射模块对照射点进行重复照射检测；

45、若照射点的空间一致性置信度低于预设空间一致性阈值，则将照射点标记为孤立疑似点，并结合其邻接照射点的后续检测结果进行复核。

46、通过构建复核处理机制，为单点不可靠和空间不协调的两种低置信度情况，分别构建不同复核策略，具有容错和复核功能，避免因单次测量偏差导致误判，以提高最终决策的可靠性。

47、进一步地，所述根据照射点的最终置信度和对应的检测油膜特征确定照射点的溢油风险值，包括：

48、根据所述检测油膜特征确定照射点的油膜风险值；

49、将所述最终置信度作为所述油膜风险值的可靠性修正依据，得到照射点的溢油风险值。

50、将置信度作为油膜风险值的可靠性修正因子，使得原始油膜特征很强，若置信度低，最终风险值也会被有效压制，显著降低虚警率，并且整体形成置信度评估、修正到最终判定的完整闭环。

51、本发明还提出一种采用上述基于多源数据融合的溢油探测分析方法的探测系统，所述系统包括：

52、激光探测模块，所述激光探测模块的激光发射端按照阵列式多个激光发射器，且可独立控制每个发射器的开关、功率以及照射角度，用于发射预设波长激光束照射水面，并接收荧光信号采集荧光光谱；

53、环境采集模块，用于实时获取探测区域的外界环境数据；

54、视频采集模块，用于实时获取探测区域视频图像数据；

55、数据处理模块，用于对外界环境数据、视频图像数据以及荧光信号进行滤波、去噪以及特征提取；

56、溢油识别与报警模块，内置有置信度评估模块以计算最终置信度，并利用最终置信度进行溢油风险判定和报警。

57、本发明的有益效果：

58、本发明通过预先实验标定建立环境特征组合与最优激光照射参数之间的映射关系，并在实时探测过程中根据当前时刻的环境特征动态匹配最优的照射密度、照射角度和照射功率，实现了激光照射策略对复杂海况的自适应调节，有效避免了传统固定参数探测方式在波浪、光照、浊度等环境因素变化时信号质量下降甚至失效的问题，使得探测系统能够在不同海况下始终保持最优的激发条件，显著提升了荧光信号的稳定性和油膜检测的灵敏度；同时阵列式独立可控的激光发射模块可根据激光照射参数控制进行最优照射。

59、本发明引入置信度计算步骤，从单点和空间分布两个维度对每个照射点的检测结果进行可靠性量化评估，在单点维度上通过分析每个照射点对应局部水面区域的波纹幅度、波纹变化频率、水面漂移速度和反光扰动强度等局部波纹特征，并结合该点实际激光照射参数与当前局部波纹状态下推荐参数的匹配程度，综合判定该点采集到的油膜检测数据的可信程度；在空间维度上通过构建照射点邻接关系并分析目标照射点与邻接照射点在油膜判断结果和检测油膜特征上的一致性和连续性，有效识别并抑制孤立噪声点对检测结果的干扰，这种从微观到宏观的多层次置信度评估机制使得系统不仅能够给出是否检测到油膜的定性结论，还能够给出该检测结果有多可靠的定量评价，为后续的溢油判定决策提供更加丰富和科学的信息支撑。

60、本发明将最终置信度作为检测油膜特征的可靠性修正因子，通过将原始油膜风险值与对应的置信度进行融合计算得到最终的溢油风险值，实现了对检测结果的可信度加权修正，使得在波浪剧烈、光照强烈等不利探测条件下即使原始荧光信号出现一定波动，系统也能够依据置信度的高低合理调整该点在最终报警判定中的影响权重，从而在保持对真实溢油事件高灵敏响应的同时大幅降低因环境干扰导致的虚警率，并且置信度计算步骤之后所设置的复核处理步骤进一步为低置信度点提供了降低权重或重复照射的容错机制，为空间孤立疑似点提供了结合邻接点后续检测结果进行复核的追踪验证机制，形成了从数据采集、参数适配、置信度评估到风险判定与复核修正的完整闭环处理链路，进而显著提升溢油探测系统的工程可靠性和实际部署价值。