Remote sensing of marine oil slicks with hyperspectral camera and an extended database
Télédétection de nappes d'hydrocarbures marines avec une caméra hyperspectrale et une base de données étendue
Résumé
In the field of offshore oil slicks at the sea surface, radar or optical imagery can provide much useful information. Regarding optical imagery, detection relies on the differences between the reflectance of water alone and oil-covered water. As soon as the thickness of the oil layer is large enough to induce a spectral difference between the reflectance of water and oilcovered water, spectral indices are good candidates for detection. Thereafter, identification and quantification require extended optical and physical knowledge regarding oil properties. To this end, various products have been characterized in the laboratory. Hyperspectral reflectance and transmission measurements have been performed for various pure or emulsified products. This has enabled the definition of two theoretical thickness boundaries: a minimal thickness leading to a noticeable spectral attenuation effect on the reflectance between oil and water and a maximal thickness after which the spectral reflectance no longer evolves with thickness. For some products, these theoretical minimal and maximal thicknesses may not be realistic values for slicks at the sea surface, meaning that they will never be reached. However, they do give a thickness range in which thickness assessment could be performed with optical imagery and modeling. To go deeper into the understanding of oil behavior at sea, experimentation has also been done using a large tank filled with sea water, thus providing more realistic spectral signatures than in the laboratory. From this experiment, the thickness of a small amount of oil freely spread on a plane water surface has been assessed and compared with the boundaries established using the laboratory measurements. The database of spectral signatures built for product identification has been extended with the thickness boundaries and the experimental thicknesses for quantification purpose. This database has been successfully used to identify a product detected on an airborne hyperspectral image and to assess the corresponding oil slick volume, in the case of the NOFO2015 emulsion. © The Authors. Published by SPIE under a Creative Commons Attribution 4.0 Unported License. Distribution or reproduction of this work in whole or in part requires full attribution of the original publication, including its DOI.
Dans le domaine offshore, l'imagerie radar ou optique peut fournir de nombreuses informations utiles. En ce qui concerne l'imagerie optique, la détection repose sur les différences entre la réflectance de l'eau seule et celle de l'eau recouverte d’hydrocarbure. Dès que l'épaisseur de la couche d'hydrocarbure est suffisamment importante pour induire une différence spectrale entre la réflectance de l'eau et celle de l'eau couverte d'hydrocarbure, les indices spectraux sont de bons candidats pour la détection. Par la suite, l'identification et la quantification nécessitent des connaissances optiques et physiques étendues concernant les propriétés de l'hydrocarbure. À cette fin, divers produits ont été caractérisés en laboratoire. Des mesures de réflectance et de transmission hyperspectrales ont été réalisées pour différents produits purs ou émulsifiés. Ceci a permis de définir deux limites théoriques d'épaisseur : une épaisseur minimale conduisant à un effet d'atténuation spectrale notable sur la réflectance entre l'hydrocarbure et l'eau et une épaisseur maximale au-delà de laquelle la réflectance spectrale n'évolue plus avec l'épaisseur. Pour certains produits, ces épaisseurs minimales et maximales théoriques peuvent ne pas être des valeurs réalistes pour les nappes à la surface de la mer, c'est-à-dire qu'elles ne seront jamais atteintes. Cependant, elles donnent une plage d'épaisseur dans laquelle l'évaluation de l'épaisseur pourrait être effectuée à l'aide d'imagerie optique et de modélisation. Pour approfondir la compréhension du comportement des hydrocarbures en mer, des expériences ont également été réalisées à l'aide d'un grand bassin rempli d'eau de mer, fournissant ainsi des signatures spectrales plus réalistes qu'en laboratoire. Cette expérience a permis d'évaluer l'épaisseur d'une petite quantité d’hydrocarbure librement répandue sur une surface d'eau plane et de la comparer aux limites établies à l'aide des mesures en laboratoire. La base de données des signatures spectrales construite pour l'identification des produits a été complétée par les limites d'épaisseur et les épaisseurs expérimentales à des fins de quantification. Cette base de données a été utilisée avec succès pour identifier un produit détecté sur une image hyperspectrale aéroportée et pour évaluer le volume de la nappe d’hydrocarbure correspondante, dans le cas de l'émulsion NOFO2015.
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