T/CIN 072-2025 基于高光谱成像的水面溢油岸基遥感监测系统技术要求

　　团 体 标 准

　　T/CIN 072—2025

　　基于高光谱成像的水面溢油岸基遥感监测

　　系统技术要求

　　Technical requirements for shore-based remote sensing monitoring system of water

　　surface oil spills based on hyperspectral imaging

　　2025-06-04 发布 2025-09-04 实施

　　中国航海学会 发 布

　　前 言

　　本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　注意本标准的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

　　本文件由中国航海学会提出并归口。

　　本文件起草单位：交通运输部水运科学研究所、河北先河环保科技股份有限公司、中华人民共和国广东海事局、生态环境部长江流域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心。

　　本文件主要起草人：申伟、崔厚欣、栗茂峰、白景峰、邱光胜、彭一峰、董杨、吴宣、刘天睿、袁赛波、王英才、邓家春、于彩虹、李瑞雯。

　　基于高光谱成像的水面溢油岸基遥感监测系统技术要求

　　1 范围

　　本文件规定了基于高光谱成像的水面溢油岸基遥感监测系统的系统构成、硬件性能、软件功能、设备安装、调试运行 、数据处理和系统维护等技术要求。

　　本文件适用于湖泊、河流、近海等水域的基于高光谱成像的水面溢油岸基遥感监测系统的建设和应用。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 21247—2007 海面溢油鉴别系统规范

　　GB/T 31010—2014 色散型高光谱遥感器测试室光谱定标

　　HJ 212—2017 污染物在线监控(监测)系统数据传输标准

　　JT/T 761—2009 航标灯通用技术条件

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　3. 1

　　水面溢油 spilled oil on the water surface

　　溢漏或漂浮在水面上的石油及其炼制品。

　　[来源：GB/T 21247—2007， 2.1，有修改]

　　3. 2

　　油膜 oil film

　　肉眼可见的水面上非常薄的层状或膜状的石油及其炼制品。

　　3. 3

　　高光谱 hyperspectral

　　光谱分辨率达到 10-2 λ 量级以上，λ为工作波长，且具有地物连续、完整特征的反射率光谱曲线数据。

　　[来源：GB/T 31010—2014， 3.1，有修改]

　　3. 4

　　高光谱成像 hyperspectral image

　　通过传感器在连续且窄波段上捕获目标物反射或辐射的光信号，扫描成像形成“图谱合一”三维高光谱数据的技术。

　　3. 5

　　高光谱水面溢油反演热力图 spilled oil heatmap on water surface of hyperspectral image

　　将高光谱水面溢油反演数据按照区间极值(最小值、最大值)范围选择分割策略进行密度分割，用以表征溢油的二维空间分布图。

　　3. 6

　　电子白板 electronic whiteboard

　　通过传感器等装置获取太阳辐射实时谱图，用于遥感监测系统的辐射自动定标的电子设备。

　　3.7

　　扫描角度 scanning angle

　　高光谱主机在扫描目标水体时相对于零点位置的起始角度和停止角度的夹角。

　　4 系统构成

　　4,1 基于高光谱成像的水面溢油岸基遥感监测系统包括高光谱主机、高精度扫描转台、电子白板及控制、传输系统和数据存储模块，如图 1 所示。

　　标引序号说明：

　　1——高光谱主机

　　2——高精度扫描转台

　　3——电子白板及控制

　　4——传输系统

　　5——数据存储模块

　　图1 系统构成

　　4.2 高光谱主机

　　用于接收水面溢油反射光，记录不同像素点位置的不同波长下的光谱响应数值。

　　4. 3 高精度扫描转台

　　用于驱动高光谱主机按照预设参数旋转、对监测区域进行扫描的装置。

　　4,4 电子白板及控制

　　用于测量太阳天空漫反射光，系统按照一定时序控制电子白板曝光，实时为高光谱主机做辐照度定标。

　　4.5 传输系统

　　传输系统包括内部传输和外部传输。内部传输用于将高光谱主机和电子白板的数据传输到数据存储模块，供软件进行数据处理和分析。外部传输用于通过有线或无线网络将溢油种类、分布、面积、厚度等信息传至监控中心，数据包结构协议可参考附录A。

　　4.6 数据存储模块

　　用于同步接收高光谱主机探测器保存的三维光谱数据，并保存数据处理的结果。

　　5 硬件性能

　　5.1 监测环境

　　a) 空气温度范围为 -15℃~+50℃;

　　b) 空气相对湿度不大于 90%;

　　c) 海况要求三级海况及以下;

　　d) 光照条件要求高光谱主机曝光时间不超过 10ms;

　　e) 能见度不小于 1000m。

　　5.2 高光谱主机

　　高光谱主机性能指标应满足表1要求。

　　表1 高光谱主机性能指标要求

　　5.3 高精度扫描转台

　　高精度扫描转台性能指标应满足表2要求。

　　表2 高精度扫描转台性能指标要求

　　5. 4 电子白板及控制

　　电子白板性能指标应满足表3要求，并且具有自清洁功能，可采用电动清洁刷或其他方式，防止光学窗口被泥污遮挡。电子白板接收系统指令，在每个监测周期内测量太阳辐射光谱，实时为主机提供辐照度进行定标。

　　表3 电子白板性能指标要求

　　5.5 传输系统和数据存储模块

　　5.5.1 高光谱主机以USB接口或网络接口RJ45方式传输数据。如以USB接口，传输速度不低于5Gbit/s，

　　采用 USB 3.0 及以上接口;如以RJ45 接口传输，网口接口应带供电功能，工控机电脑网卡配置要百兆网卡及以上;高光谱主机与工控机之间的数据传输延迟不应超过 1s。

　　5.5.2 数据接收与存储：接收和存储数据的工控机应采用 SDD 硬盘，硬盘容量不小于 2T，硬盘瞬时存储速度应在 4200MB/s 及以上。

　　5.6 设备绝缘性和防腐要求应符合 JT/T 761—2009 中 3.5 及 3.6.8 的要求。

　　6 软件功能

　　6. 1 数据采集

　　应具备数据采集工作时间段设置、在工作时段内周期性自动曝光、光源光谱自动采集、高光谱数据采集、辅助摄像头数据及转台控制等功能。

　　6. 2 数据处理

　　应具备镜头校正、计算实时暗场、自动辐射校正、反射率校正、大气校正、水体范围提取和水面溢油的光谱数据反演识别等功能。

　　6.3 结果分析

　　应具备反演分析、相关性分析、极值统计、分布统计、分析图像和数据统计表格显示以及数据上传到监控中心等功能。

　　6,4 数据存储

　　应具备存储30天以上的原始结果数据和保存6个月以上的系统工作日志等功能。

　　6.5 溢油预警

　　应具备当发生溢油事件时，将自动监测和生成的溢油种类、分布、面积、厚度等关键信息的预警报告上传至监控中心的功能。

　　6.6 一站多发

　　应具备将检测结果同时发送到不同的监控平台的传输功能。

　　6.7 故障警示

　　应具备系统故障提示和在日志里保存故障记录等功能。

　　7 设备安装

　　7. 1 设备选址应综合考虑监测目标区域的水流特征、航运密度及地形条件，选取视野开阔、无建筑物遮挡且能覆盖主要溢油风险区域的位置，以确保监测数据的完整性和代表性。选址过程应进行现场勘查，并记录选址依据。

　　7. 2 准备与设备安装有关的基础设施，如地基、立杆、电源等，安装及监测示意图见图 2。安装条件与测量范围关系可参见附录 B。

　　7.3 安装应符合以下要求：

　　1) 高光谱主机监测的方向尽量背离太阳光，防止太阳光水面的直接反射光带来的影响;

　　2) 高光谱主机的视场角β不小于 20º;

　　3) 高光谱主机安装高度距离水面 h 不低于 5m，具体安装高度与需要监测的区域范围大小要求有关;

　　4) 高光谱主机中轴线(图 2 中虚线所示)与水平面夹角 θ不小于 30º;

　　5) 电子白板入光窗口应朝上安装，周边无任何物体遮挡太阳光的辐射;

　　6) 安装位置应选择在便于施工和布线的地点。

　　标引序号说明：

　　1——高光谱主机

　　2——水平面

　　3——测量范围远点

　　4——测量范围近点

　　图2 安装及监测示意图

　　8 调试运行

　　8. 1 初始参数设置

　　8.1.1 设备安装完成后，通电试运行，应保证软硬件能正常运行。

　　8.1.2 设备正常运行情况下，设置控制模块与各执行模块之间的通信接口和扫描角度，启动扫描，获取到初始图像。观察是否涵盖目标区域，通过调整设备安装的方位和俯仰角等，以确保目标区域在设备扫描范围内。

　　8.1.3 再次运行扫描，获取目标区域图像，作为背景底图。

　　8. 2 水体范围选取

　　8.2.1 水体范围选取应通过手动或系统自动识别的方式进行，如采用自动识别的方式，应具有手动调整的功能。

　　8.2.2 系统应支持在背景底图范围内选取多个封闭的水体范围。

　　8.2.3 在背景底图中，对于高光谱成像仪扫描视场范围内包含其他非目标区域的情况，需在控制软件上选取合适的监控目标区域，以减少视场干扰和计算量。

　　8. 3 运行参数设置

　　在全自动运行之前，应根据监测需求和要求，配置合适的运行参数，包括站点信息、监测采样周期、工作时段、数据传输协议、监控平台信息等。其中：

　　a) 站点信息应至少包括站点编号、站点名称、经纬度坐标及与设备有关的其他信息;

　　b) 应根据监测的需求，设定监测采样周期，如 10min、30min、60min 等;

　　c) 工作时段应设置启动时刻和结束时刻;

　　d) 数据传输协议应包括 FTP 文件上传协议和 HJ 212—2017 数据包格式协议;

　　e) 监控平台信息应包括联网地址、用户名、用户密码等，以确保系统能正常联网通信。

　　8.4 系统校正

　　8.4.1 在目标区域内选取 3-5 个点位，进行手工采水样，点位尽量均匀分布在整个目标区域内。将采集到的水样进行光谱反射率测量，同时记录好采样的时刻和具体位置。

　　8.4.2 通过手动采样的测量结果与设备自动监测的结果进行比对，求出校准系数，将校准系数输入到软件中进行数据校正，对设备自动监测的反射率数据进行校正。

　　8.5 设备运行

　　8.5.1 系统应具备现场手动和远程启动功能;

　　8.5.2 系统应具备全自动运行功能;

　　8.5.3 系统应具备断电后再启动时仍按照上次配置自动运行功能;

　　8.5.4 系统应具备在非工作时段处于待机状态的功能。

　　9 数据处理

　　9. 1 数据预处理

　　9.1.1 镜头校正

　　基于镜头畸变模型，消除因狭缝扫描导致的几何畸变，完成对图像进行几何校正。

　　9.1.2 反射率转换

　　基于同步采集的暗场和电子白板数据，将辐射亮度(DN值)转换为反射率值，反射率范围为0-100%。

　　9.2 水体区域数据提取

　　采用算法自动识别水体区域或通过人工目视解译框选，生成水体掩膜文件，限定分析范围。

　　9.3 溢油识别

　　根据图像中的各像素点光谱特征，通过分类模型，进行溢油识别，准确率≥80%。

　　当识别出监测区域内有溢油发生，如需进行手工采样进一步鉴别分析，可参照GB/T 21247—2007。

　　9.4 数据上传

　　9.4.1 系统按照给定的传输协议和接收端信息，将数据结果传输到监控中心。

　　9.4.2 数据结果应至少包含但不限于两类：

　　1) 空间分布的图像数据;

　　2) 监测结果的统计数据。

　　9.4.3 图像数据宜采用 FTP 协议，统计数据宜采用 HJ 212—2017 所规定的协议传输到监控中心，相关说明见附录 A。

　　10 系统维护

　　10.1 每周需维护内容如下：

　　a) 查验设备扫描后的图像，确认是否有与实际监测区域不符现象，验证高精度扫描转台是否正常工作;

　　b) 检查电子白板清洁刷是否正常工作。

　　10.2 每月需维护内容如下：

　　a) 组织一次系统整体巡检，检查各子系统之间的连接线缆是否存在破损、松动情况，确保信号传输正常;

　　b) 查看系统运行日志，分析是否存在异常错误信息，及时发现潜在问题并处理。

　　10.3 每 3 个月需维护内容如下:

　　a) 检查并清理高光谱主机光学窗口，确保表面无灰尘、污渍，保证光线的正常传输;

　　b) 进行一次高光谱主机和电子白板波长准确度的检查校验。

　　10. 4 如遇极端天气(如雷暴、冰雹、大风、高温、严寒等)，应对系统进行全面检查，加固设备安装支架，检查防护措施是否完好，确保系统在恶劣环境下仍能正常工作。

　　附 录 A

　　(资料性)

　　基于高光谱成像的水面溢油岸基遥感监测系统数据上传协议

　　数据上传格式见HJ 212—2017，通过串口或网络通信主动传输。

　　A.1 通信协议数据结构

　　所有的通信包都是由ASCII 码(汉字除外，采用UTF-8 码，8 位，1 字节)字符组成。通信协议数据结构如图A.1 所示。

　　图 A.1 通信协议数据结构

　　A.2 通信包

　　通信包结构组成，见表A.1。通信包中标点符号为英文半角，且通信包中不含空格，其中长度为最大长度，不足位数按实际位数。

　　表 A.1 通信包组成表

　　A.3 数据段结构组成

　　数据段结构见表A.2，其中长度为最大长度，不足位数按实际位数。

　　表 A.2 数据段结构组成表

　　表 A.2 数据段结构组成表(续)

　　A.4 数据区

　　A.4.1 结构定义

　　字段与其值用‘=’连接;在数据区中，同一项目的不同分类值间用‘，’来分隔，不同项目之间用‘; ’来分隔。

　　A.4.2 数据类型

　　C4：表示最多 4 位的字符型字符串，不足 4 位按实际位数;

　　N5：表示最多 5 位的数字型字符串，不足 5 位按实际位数;

　　N14.2：用可变长字符串形式表达的数字型，表示 14 位整数和 2 位小数，带小数点，带符号，最大长度为 18;

　　YYYY： 日期年，如 2016 表示 2016 年;

　　MM：日期月，如 09 表示9 月;

　　DD：日期日，如 23 表示23 日;

　　hh：时间小时;

　　mm：时间分钟;

　　ss：时间秒;

　　zzz：时间毫秒。

　　A.4.3 字段定义

　　字段名要区分大小写，单词的首个字符为大写，其他部分为小写，见表A.3。

　　表 A.3 字段对照表

　　表 A.4 执行结果定义表

　　表 A.5 请求命令返回表

　　表 A.6 溢油类型列表

　　表 A.7 监测数据结果参数列表及编码

　　A.5 命令编码表

　　对应“图A.1通信协议数据结构”中的命令编码，用4位阿拉伯数字表示，如表A.8中所示。

　　表 A.8 命令编码表

　　A.6 系统编码

　　系统编码分为四类，每个类别表示一种系统类型：

　　10～29 表示环境质量类别;

　　30～49 表示环境污染源类别;

　　50～69 表示工况类别;

　　91～99 表示系统交互类别;

　　A0～Z9用于未知系统编码扩展。系统编码(见表A.9)由两位取值0~9 、A~Z的字符表示。

　　表 A.9 统编码表

　　示例1：##0330QN=20240627110149978;ST=60;CN=2011;PW=123456;MN=000000;Flag=0;CP=&&DT=20240627110145;O 01-O101=32.14;O01-O102=5.14;O01-O103=1.14;O01-O104=15.14;O01-O105=32.14;O01-

　　O106=20240627110145.png;&&DD01，该数据包为监测结果仅含“柴油”时上传实时数据。

　　示例2：##0430QN=20240627110149978;ST=60;CN=2011;PW=123456;MN=000000;Flag=0;CP=&&DT=20240627110145;O 01-O101=32.14;O01-O102=5.14;O01-O103=1.14;O01-O104=15.14;O01-O105=32.14;O01-

　　O106=20240627110145.png;O03-O101=100;O03-O102=12.44;O03-O103=5.5;O03-O104=18.10;O03-O105=132.14;O03- O106=20240627110145.png&&DFF1，该数据包为监测结果含“柴油”和“原油”两种类型时上传实时数据。

　　示例3：##0120QN=20160801085857223;ST=60;CN=2011;PW=123456;MN=000000;Flag=0;CP=&&BT=20160801080000;E T=20160801180000&&DF01，该数据包为提取历史监测数据时需下发的指令格式。

　　B

　　B

　　附 录 B

　　(资料性)

　　安装条件与测量范围关系

　　B.1 概述

　　本附录主要描述设备在不同条件下安装，包括设备的安装高度、水平面夹角、扫描角度以及视场角等与测量范围近点、测量范围远点、测量范围大小和响应的空间分辨率等之间的关系，给出了不同参数的计算公式，并列举了在不同安装条件下通过计算公式得出的测量范围示例。

　　B.2 计算公式

　　B.2.1 测量范围近点计算公式：

　　B.2.2 测量范围远点计算公式：

　　B.2.3 测量范围计算公式：

　　B.2.4 空间分辨率计算公式：

　　式中：

　　l1 ——测量范围近点(m);

　　l2 ——测量范围远点(m);

　　A ——测量范围(m2);

　　θ ——水平面夹角( ° );

　　β ——视场角( ° );

　　γ ——扫描角度( ° );

　　h ——安装高度(m);

　　Δ ——空间分辨率(m);

　　Npixel ——高光谱主机空间维度像素个数(个)。

　　B.3 示例