随着全球人口与经济的快速增长,海洋油气开采已成为国际能源发展的重要趋势与全球能源增长的主要助力。南海是全球碳氢能源贮藏的富集区,亦是我国未来重要的能源接续区。重要的油气资源战略价值促使南海成为各方矛盾和利益角逐的核心区域,是南海局势日益紧张化、复杂化、国际化因素之一。目前,跨区域海洋油气生产信息零散分布于各国(海洋)能源管理部门以及不同的海洋油气开发商。出于国家利益和商业机密的考虑,跨区域海洋油气生产信息极少公开共享:目前,可收集的油气生产统计数据来源于美国能源信息署(EIA)和英国石油(BP)等机构收集汇总的能源开发年鉴,但这种以国家为尺度的统计数据很难空间细化,并反映不同油气生产海域的油气生产活动的时空变化;可获取的油气生产空间数据来源于奥斯陆与巴黎协议国(OSPAR)提供的欧洲北海区域的海上设施数据库和美国安全与环境执法局(BSEE)公布的美国墨西哥湾区域的油气平台数据库。但对于海域广阔且充满争议的南海而言,跨区域海洋油气生产信息的孤岛效应,导致南海油气资源数据匮乏、油气开发过程理解欠缺,严重阻碍了我国海域安全管理、能源安全与海洋权益维护。遥感技术能够克服南海抵近困难、有效数据不足的缺陷,这为南海油气生产信息收集提供契机。考虑到南海海域空间范围广、油气生产持续时间长,单一数据源难以全面覆盖的现状,综合多源遥感数据成为南海油气生产活动全方位监测的重要手段。然而,利用多源遥感技术对海洋油气生产活动监测面临一系列难点与挑战:首先,在无/稀少地面控制点的区域,如何相对统一定位精度迥异的多源影像数据?其次,在浩瀚海洋的复杂背景下,如何精确识别目标特征微弱的油气平台?再次,基于多源影像时间序列,如何深入挖掘平台的多维状态/属性信息?最后,对于影像可见的平台,如何有效建立石油产量与遥感特征的关联?针对以上海洋油气生产活动遥感监测的难点,研究综合长时间序列、协同低-中-高多分辨率、光学-雷达、白天-夜间在内的多源遥感影像数据集(光学影像:1992-2011 年 Landsat-4/5 TM,1999-2013 年 Landsat-7 ETM+,2013-2016 年Landsat-8 OLI;SAR 影像:1993-1998 年 JERS-1 SAR Mosaic,2006-2011 年ALOS-1 PALSAR;夜间灯光影像:DMSP/OLS 1992-2013 年,共计 87200 余景),提出了影像时间序列策略,研发了平台空间位置识别算法、平台状态/属性提取方法以及石油产量遥感估算模型,开展了海洋油气开发平台“位置识别-属性提取-产量估算”一体化监测研究,分析了南海整体及其周边各国海洋油气资源开发的历史、现状与趋势,支持我国海洋资源开发和海洋权益维护。本文的主要研究结果和结论包括:(1)创新海洋油气开发平台位置识别方法。结合有着较高定位精度的中等分辨率光学影像(如Landsat-7 ETM+、Landsat-8 OLI等)以及SAR影像(如ALOS-1 PALSAR等),基于海洋油气开发平台在时间序列遥感影像中位置不变和大小不变特征,采用时序累加策略,结合顺序统计滤波、云掩膜噪声去除等技术,提出了一种可适用于光学/雷达影像的海洋油气开发平台位置识别方法。该方法解决了遥感影像中目标小、特征微弱、虚警干扰强等难点,实现了大范围、自动化海洋油气开发平台识别。集成各传感器平台识别结果,研究获取了1992-2016年南海海洋油气开发平台空间分布(共1143个)。高分影像验证表明,南海油气开发平台空间位置识别精度较高:正确率为93.5%,错判率仅为4.2%,漏判率仅为2.3%。(2)提出海洋油气开发平台状态/属性提取方法。针对低定位精度中等分辨率遥感数据(如Landsat-4/5TM、JERS-1 SAR等)在无/稀少地面控制地的海域,空间定位精度迥异、难以统一的问题,研究以海洋油气开发平台空间位置为海域地面控制点,进行低定位精度遥感影像几何精校正。在此基础上,以平台在中分时间序列下稳定的统计特征结合时序模式识别、经验修正函数等方法,研究提取了海洋油气开发平台的工作周期、运行状态、大小/类型和作业水深等多维属性信息。实验结果表明,以时间序列下稳定的统计特征代替单一时相特征,有效规避了平台状态/属性提取的不确定性:80.5%的海洋油气开发平台工作状态判定误差小于1年,87.5%的平台工作状态判定误差小于2年;平台大小模拟的相对误差在30%以内,类型划分的总体精度达89.6%,Kappa系数为0.791。(3)探索海洋油气开发平台石油产量估算。利用不同作业方式(油气开发、渔业生产等)在夜间灯光数据中灯光亮度值和亮光稳定性的差异,研究构建了基于夜间灯光时空二维统计量的特征空间,高精度分离了海上石油生产对应的夜间灯光靶区,解决了夜间灯光数据中油气火光、渔业灯光和噪声亮光相互混淆、难以区分的难题。在此基础上,研究以全球化相对定标的夜间灯光数据为纽带,以灯光亮度总和量化海上石油开采强度,建立了北海区域海上石油产量估算模型,并探讨模型向南海移植的可行性与不确定性。实验结果表明,海上石油产量估算模型的数值范围覆盖0.1-2×10~5ksm~3,相关系数R2达0.946,且具有一定的区域泛化性:该模型应用于南海整体上效果较好,误差绝对值仅2.92%,但应用于南海周边各国上存在一定的偏差,误差绝对值均值约为28.93%。(4)厘清了南海海洋油气开发活动。总体而言,南海油气生产表现出开发快速化、平台小型化、作业深海化和矛盾加剧化趋势,表现在:①开发快速化:1992-2016年海洋油气开发平台数量线性增长趋势明显,从153个增长至996个,年均增加35个,石油产量从1992年的0.383×10~5 ksm~3增至2013年的1.066×10~5ksm~3。②平台小型化:1992-2016年小型平台(面积小于1600 m~2)所占比例从37.2%攀升至63.5%,海洋油气开发平台均值大小由6852 m~2锐减至2930 m~2。③作业深海化:1992-2016年海洋油气开发平台离岸距离均值从1992年的71.9 km上升到2016年的101.5 km,作业水深均值由42.6 m增加到59.1 m,最大作业深度则由122 m激增至1471 m。④矛盾加剧化:南海争议区1992-2016年的海洋油气开发平台数量由1个增至89个呈加速增长趋势,年均增长率由2005年前的1.1个增至2005年后的7.2个,至2013年年际石油产量可达5475 ksm~3。综上,论文提出了基于长时间序列、多源遥感影像的海洋油气开发活动分析方法,突破了海洋油气开发监测的空间配准难、位置识别难、属性获取难和产量估算难等难题,建立了南海海域全覆盖(包括泰国湾)的海洋油气开发平台的时空数据集,厘清了南海周边各国海上油气资源开发的空间扩张和非法开采情况,为我国南海能源开发,海域安全管理、主权维护等提供了技术支持和决策支撑。