SAME子刊的首期文章已正式出版。长春理工大学姜会林院士受邀在《光学学报》SAME子刊首期发表了题为“复杂海况下海洋生态环境多维度光学监测方法”的综述文章。该文章面向溢油、赤潮等典型海洋生态环境污染和灾害的监测,对比多种光学监测手段的优缺点,提出“光谱+偏振+红外”的多维度光学监测方法。同时针对海洋目标多维度光学信息获取机制、复杂海况下多维度光学特性生成机理和传输演化机理、海洋目标多维度高分辨信息解混、重构与增强方法,以及目标识别反演方法等5个重点发展方向,指明了技术路线和解决途径,为机载多维度高分辨海洋光学监测系统的深入研究与应用提供重要参考。
史浩东, 王稼禹, 李英超, 付强, 马毅, 朱京平, 李树涛, 马岩, 姜会林. 复杂海况下海洋生态环境多维度光学监测方法[J]. 光学学报, 2022, 42(6): 0600004
溢油、赤潮等典型海洋生态污染和灾害造成的海洋环境安全问题日益突出，阻碍了我国海洋经济的健康发展。传统的海洋遥感（雷达或光谱遥感）可以通过获取海洋目标的电磁或光学散射特征实现对溢油和赤潮的监测，但受海雾、耀斑、复杂光照等多种海况因素干扰，对海洋监测时往往存在“看不远”“辨不出”“认不清”的三大难题，其严重影响溢油种类、赤潮优势种等重要指标的精准监测，对海洋环境污染和生态灾害的精准溯源、有效评估、高效治理等提出严峻挑战。
偏振用于描述光的非对称振动特性，其不仅对油膜与海水的差异敏感，还对赤潮藻种的结构以及生物量的变化较为敏感。更重要的是，偏振探测具有 “凸显目标”“抑制耀斑”“穿透云雾”的能力，可显著提升目标在复杂环境下的探测效能。此外，因溢油和海水存在微弱温差、赤潮生物具有趋温特性，高灵敏长波红外探测在海洋环境监测领域大有可为。因此，将光谱、偏振、红外三者结合，同时获取强度、光谱、偏振以及辐射等多维度光学信息，在发挥光谱识别反演方面优势的同时，可大幅提高目标的成像对比度和检测精度，有望解决复杂海洋环境下溢油、赤潮的精准监测难题。
长春理工大学姜会林院士团队联合国内优势单位，围绕复杂海况下海洋生态环境监测的“三不”难题，针对溢油种类、赤潮生物优势种的反演识别，重点梳理了典型海洋目标多维特性生成、传输、获取、处理与识别反演方法的研究进展与技术瓶颈，提出了针对海洋目标的多维高分辨信息获取机制、目标多维特性生成机理、多维特性传输演化机理、多维图像重构增强方法以及多维光学遥感识别反演方法等五个重点发展方向，为读者开展相关研究提供了参考。
近10年来，科研人员相继提出了液晶相位延迟器型、计算层析型、偏振光栅型、声光可调滤光器型等多种偏振光谱信息一体化获取机制，同时也发展了基于微偏振片阵列的分焦平面红外偏振成像机制。但将多维信息获取机制应用到海洋目标监测领域仍面临两方面的挑战：一是由于溢油、赤潮等浮于海面之上且随海浪不断变化，需要发展同视场、同口径、同探测器偏振光谱多维信息一体化获取机制；二是为了获取宽谱段的海洋目标特征信息，需要将可见近红外光谱偏振成像与长波红外偏振成像进行系统匹配。
针对上述难题，本团队提出利用高保偏分光片将可见近红外和长波红外分光，其中：可见近红外光路采用静态无源干涉光谱偏振图像获取方法，实现时空精准匹配，通过单光路、单探测器同时获取目标的光谱与偏振信息；长波红外光路采用金属线栅偏振片成像方法获取长波红外偏振信息，从而实现光谱、偏振、红外信息的多维度获取。
国内外学者针对溢油主要开展了光谱、红外、偏振等光学散射特性研究，建立了溢油探测识别的数值经验模型；针对赤潮主要开展了光谱及红外特性研究，发现赤潮水体光谱中吸收峰和反射峰的规律性，建立了赤潮监测、生物量反演模型。
但是，受复杂海况的影响，溢油、赤潮中多维特性的生成机理不清，导致轻质油种类难以分辨、赤潮生物优势种难以判别。因此，掌握复杂海况条件下油膜光滑面元偏振光谱反射辐射机理和藻粒海水散射与透射的偏振耦合机理成为提高目标识别反演精度的理论基础和前提。针对上述问题，需要构建复杂光场作用下溢油、赤潮偏振光谱红外反射散射特性模型，分析多维光学特性随材质属性、油量、生物量、入射光场、观测角度等参量的变化规律，从而掌握海面溢油和赤潮的偏振光谱红外特性生成机理。
国内外学者广泛研究了气溶胶粒子对偏振、光谱、红外多维信息散射特性的影响，研究难点在于粒子形状的描述以及对散射过程的数值计算。目前所用到的计算方法主要有有限差分时域法、分离变量法、点匹配法、离散偶极子近似以及T-矩阵等。
目前的研究仅局限于室内均匀介质和球形、各向同性的粒子。但真实海况条件下，从海面向上的多层传输介质是非均匀的，其中的颗粒一般呈非球形、非各向同性，故需要对海雾环境进行分类分级描述和定量表征，需要根据不同波长偏振光与粒子相互作用时的反射、散射特征，建立“三非”条件下不同波长偏振光与非球形、非各向同性的单一和多种海雾粒子的散射模型，从而揭示复杂海雾介质中偏振红外特性传输的演化机理。
近年来，国内外学者针对复杂海况下图像的增强主要开展了图像去噪、去雾、去耀斑的复原重构方法等研究。去噪方面，学者们提出空间域滤波、变换域滤波和基于学习等多种图像去噪方法；去雾方面，提出了包括基于图像增强、光散射模型和偏振成像的去雾方法；去耀斑方面，根据待修复区域周围的图像内容特点和图像统计特性，复原丢失的图像信息，使修复区域可以自然地融入周围图像。
但海雾耀斑干扰影响因素众多，且多维度光学监测系统获取的信息相互混叠，导致图像重构模型难以精准建立。因此，建立全链路图像退化模型、目标先验约束的多维图像解混重构方法以及海洋目标特性图像融合增强方法尤为重要。针对上述问题，通过构建光谱偏振信息混叠模型，优化设计解混框架，形成对抗网络的多维高分信息解混方法，综合利用多维度互补特性和多维先验知识，有望实现海洋多维度高分辨图像的解混、重构与增强。
近年来，溢油识别方面，学者们构建了包含不同海拔高度和地理位置溢油图像的数据集，并对多种神经网络方法进行训练，实现92%的溢油分类精度。赤潮识别方面，学者们提出结合辐射传输模型的高光谱反演算法，实现了内陆水域的蓝藻和有害藻华的区分。此外，学者们还提出基于高光谱遥感数据的机器学习方法，成功预测出长江口赤潮爆发的优势种及其空间分布。
但由于轻质油多维特征提取方法欠缺，轻质油种类识别困难；赤潮生物反演参数模型欠缺，赤潮优势种难以判别。因此，若要实现溢油种类识别，需要综合利用高光谱、偏振和红外数据，提取溢油和海水多维度特征差异，建立多维度光学特征的溢油非监督检测模型和深度学习监督检测模型；若要实现赤潮优势种的高精度识别，需要通过提取赤潮水体与正常水体的多维度特征信息，构建赤潮生物优势种多维光学特征数据集，发展多核支持向量机分类器识别方法。
通过对“光谱+偏振+红外”的多维度海洋监测机制、机理和方法研究，将三种技术有机结合，优势互补，有望实现溢油油种识别和赤潮优势种的精准监测。未来，随着我国海洋强国战略的逐步实施，人们对海洋环境监测技术与装备的全覆盖、精细化、智能化的需求不断提升，故迫切需要进一步开展适用于更多监测平台、更多监测维度、更多监测对象、更多技术手段的理论、技术与装备研究，实现更高精度的海洋目标监测，从而为我国海洋环境治理与海洋经济健康可持续发展提供有力支撑。
长春理工大学姜会林院士带领的科研团队，紧紧围绕国家重大战略需求和国家安全需要，致力于多维度高精度海洋目标光电监测理论研究与技术应用。与西安交通大学、自然资源部第一海洋研究所、湖南大学等单位的专家、学者一起，通过探索偏振光谱红外多维度一体化信息获取机制、挖掘典型海洋目标多维度特性生成机理和传输机理、发展新型多维度信息重构增强方法和识别反演方法，为破解复杂海洋环境干扰下海洋目标“看不远”、“辨不出”、“认不清”的难题提供理论和技术支撑。
1. 李嘉晋, 廖然, 马辉. 海洋颗粒物的原位细致分类、应用与展望[J]. 光学学报, 2022, 42(6): 0600005
2. 王浩, 黄文骞, 吴迪, 程益锋. 基于自适应经验半解析模型的无控水深反演方法—以中国南海为例[J]. 光学学报, 2022, 42(6): 0601002
3. 肖懿哲, 王桂芬, 徐文龙, 姜龙, 吴祥柏, 何金燕, 张银雪. 基于走航观测的长江口邻近海域悬浮颗粒物高频变化研究[J]. 光学学报, 2022, 42(6): 0601004
4. 王璐, 殷高方, 赵南京, 甘婷婷, 亓培龙, 丁志超, 华卉, 陈敏, 马明俊, 杨瑞芳, 方丽. 基于可变荧光统计学分布的水体藻类活体细胞数分析方法[J]. 光学学报, 2022, 42(6): 0617001
5. 何玉青, 姜梦蝶, 胡秀清, 刘明奇, 金伟其, 胡奇. 基于洋面场景的MERSI偏振辐射特性反演及其分析方法[J]. 光学学报, 2022, 42(6): 0628002
