不同空間分辨率熱紅外數(shù)據(jù)在近海核電廠溫排水監(jiān)測(cè)一致性研究

張彩，朱利，賈祥，趙利民

（1.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京100094；2.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球所，北京100094；3.東華理工大學(xué)，江西省南昌市330013；4.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413）

不同空間分辨率熱紅外數(shù)據(jù)在近海核電廠溫排水監(jiān)測(cè)一致性研究

張彩1，2，3，朱利1，賈祥4，趙利民2

（1.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京100094；2.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球所，北京100094；3.東華理工大學(xué)，江西省南昌市330013；4.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413）

針對(duì)近年來(lái)我國(guó)核電廠大力發(fā)展而引起的核電溫排水體污染的問(wèn)題，該文利用相同日期的環(huán)境一號(hào)B星（HJ－1B）紅外相機(jī)與Landsat ETM＋熱紅外波段數(shù)據(jù)，均采用輻射傳輸模型法反演出大亞灣區(qū)域海表溫度，通過(guò)同日期MODIS海溫產(chǎn)品作為基準(zhǔn)，比較HJ－1B數(shù)據(jù)、Landsat ETM＋數(shù)據(jù)溫度反演的差別，在此基礎(chǔ)上，基于同一基準(zhǔn)溫度提取方法，開(kāi)展HJ－1B數(shù)據(jù)、Landsat ETM＋數(shù)據(jù)及MODIS反演結(jié)果3種不同空間分辨率數(shù)據(jù)在近海核電站溫排水監(jiān)測(cè)的一致性進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。研究表明：ETM＋數(shù)據(jù)溫度反演精度高于HJ－1B結(jié)果，且更能體現(xiàn)高溫升區(qū)監(jiān)測(cè)精度；基于劈窗算法的MODIS海溫反演精度更高，但不能反映溫排水溫升分布細(xì)節(jié)；綜合考慮具有較高時(shí)間分布率和較大幅寬的HJ－1BIRS數(shù)據(jù)更能滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求。

MODIS；Landsat ETM＋；HJ－1B；核電廠溫排水；污水監(jiān)測(cè)

1 引 言

近年來(lái)我國(guó)核電廠大力發(fā)展，核電廠安全監(jiān)管越來(lái)越得到重視。相對(duì)于火電，核電熱效率偏低，近2／3的熱量被冷卻水帶走，大量高于環(huán)境水溫6℃～10℃冷卻水不斷地排入受納水體，對(duì)附近海域內(nèi)的海洋浮游生物、魚(yú)類(lèi)、蝦類(lèi)、貝類(lèi)種群以及漁船、養(yǎng)殖場(chǎng)等產(chǎn)生不同程度的危害，形成水體熱污染［1－2］，對(duì)核電溫排水引起的水體熱污染實(shí)施動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和影響評(píng)估是具有重要意義的［3－4］。遙感具有動(dòng)態(tài)連續(xù)、成本低、速度快、大面積同步觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，是開(kāi)展溫排水監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的主要途徑之一［5］。Tang D L等［6］利用重訪周期為1天的AVHRR熱紅外數(shù)據(jù)開(kāi)展了大亞灣核電站溫排水水污染監(jiān)測(cè)，但較低的空間分辨率（空間分辨率1000m）無(wú)法準(zhǔn)確獲得溫排水溫升分布細(xì)節(jié)。針對(duì)以上空間分辨率的不足，有不少學(xué)者［7－9］利用Landsat系列TM／ETM熱紅外數(shù)據(jù)（空間分辨率分別為120m／60m）反演核電站附近海表水溫，并對(duì)核電站溫排水開(kāi)展了有效地監(jiān)測(cè)，但Landsat系列衛(wèi)星重訪周期為16天，并且2003年之后的ETM＋數(shù)據(jù)存在條帶缺失，加上沿海區(qū)域經(jīng)常性的云覆蓋影響，有效數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率過(guò)低，難以滿(mǎn)足核電站溫排水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)需求。自從我國(guó)于2008年9月6日成功發(fā)射了HJ－1A／B星，越來(lái)越多的學(xué)者利用環(huán)HJ－1B星上紅外相機(jī)開(kāi)展大亞灣、田灣等核電站溫排水遙感監(jiān)測(cè)［10－12］，其空間分辨率為300m，重訪周期為4天，且免費(fèi)獲取，可以較好地滿(mǎn)足沿海核電站溫排水熱污染監(jiān)測(cè)的需求。對(duì)于不同空間分辨率熱紅外遙感數(shù)據(jù)，其近海溫度反演算法精度有何差異，展示的核電廠溫排水溫升細(xì)節(jié)有何差異，是目前國(guó)內(nèi)外研究較少涉及的。對(duì)于日常核電廠環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理而言，需要綜合考慮觀測(cè)頻率和成像質(zhì)量，選擇最合適管理需求的遙感數(shù)據(jù)，這對(duì)于開(kāi)展溫排水遙感業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)具有重要意義。

本文選擇高、中、低不同空間分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源，以廣東大亞灣核電基地溫排水為遙感監(jiān)測(cè)示范區(qū)，分別開(kāi)展核電站附近海域海表溫度反演和溫排水溫升區(qū)提取，比較分析3種不同數(shù)據(jù)源在溫度場(chǎng)反演和溫升面積提取上的異同，以期彌補(bǔ)目前研究空白，為基于國(guó)產(chǎn)自主衛(wèi)星的業(yè)務(wù)化溫排水監(jiān)測(cè)及相關(guān)管理提供技術(shù)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

大亞灣核電基地位于深圳市東部大亞灣畔，目前共有6臺(tái)百萬(wàn)瓦機(jī)組（大亞灣核電站2臺(tái)，嶺澳核電站4臺(tái)）正在投入運(yùn)行。大亞灣核電基地的溫排水系統(tǒng)采用箱涵方案，大亞灣核電站和嶺澳核電站二者合一通過(guò)一個(gè)排水渠向東排放。排放口附近海域?yàn)榇髞啚?，其水體透明度年均為4.5m，由灣頂向?yàn)晨谥饾u增大。冬季水體為相對(duì)低溫高鹽，夏季為高溫低鹽，水溫變化范圍在15.4℃～30.7℃之間，鹽度在29.7‰～34.36‰之間，夏秋兩季水溫在22℃～28℃之間。大亞灣核電基地在國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展核電站溫排水遙感監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少相關(guān)的研究［6－12］。

本研究選取了2010年3月11日上午過(guò)境大亞灣區(qū)域的Terra MODIS、Landsat－7ETM和HJ－1B IRS數(shù)據(jù)，進(jìn)行海表溫度反演和溫排水溫升區(qū)分布的提取。3種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的主要參數(shù)如表1所示。由于3種衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間為上午11：00左右，前后相差半個(gè)小時(shí)左右，可認(rèn)為衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間差異對(duì)海表溫度遙感反演影響較小。

表1 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源及相關(guān)參數(shù)比較

2.2 海表溫度反演

2.2.1 MODIS海表溫度算法

本文研究MODIS溫度反演采用的是MODIS二級(jí)產(chǎn)品（MOD28）的標(biāo)準(zhǔn)算法［13－16］。

其中，中T31和T32分別是MODIS在31和32通道的亮溫，T3132是31和32通道的亮溫之差，θ是觀測(cè)角度，c1、c2、c3、c4為算法系數(shù)，具體取值如表2所示。

表2 MODIS海溫反演算法系數(shù)表

2.2.2 基于輻射傳輸模型的單通道海表溫度反演算法

ETM和IRS均為單通道熱紅外數(shù)據(jù)，本文研究利用時(shí)空插值后的NCEP大氣廓線數(shù)據(jù)，結(jié)合近地面氣象觀測(cè)信息，基于輻射傳輸模式MODTRAN獲得通道等效大氣參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)ETM和IRS熱紅外遙感數(shù)據(jù)的大氣校正，進(jìn)而獲得研究區(qū)海表溫度。

晴空條件下，不考慮多次散射，假設(shè)水平均勻大氣，根據(jù)輻射傳輸模型，當(dāng)?shù)乇頊囟葹門(mén)s時(shí)，其輻亮度L（Ts）為：

其中，Lsensor為表觀輻亮度（單位：Wm－2sr－1μm－1），由衛(wèi)星影像定標(biāo)而得；Lup和Ldown分別為大氣上、下行輻射（單位：Wm－2sr－1μm－1）；τ（θ）為大氣路徑的透過(guò)率，其中θ為衛(wèi)星針對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)天頂角；ε為地物比輻射率。以上各項(xiàng)均為波長(zhǎng)λ的函數(shù)。在熱紅外波段，海表比輻射率ε隨λ的變化比較平緩，本文用通道中心波長(zhǎng)處的比輻射率代替；而對(duì)于ETM波段6和IRS波段4這樣的寬通道，Lup、Ldown、τ3 個(gè)參量利用輻射傳輸模型MODTRAN（版本4.0），基于中緯度冬季大氣模式，輸入衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻本地的地面氣象數(shù)據(jù)和NCEP大氣廓線數(shù)據(jù)，結(jié)合兩個(gè)寬通道的波段響應(yīng)函數(shù)f（λ），計(jì)算出調(diào)查區(qū)觀測(cè)天頂角條件下的通道等效大氣上行輻射、下行輻射和大氣透過(guò)率，如表3所示。

其中，B（λ，Ti）為溫度Ti、波長(zhǎng)為λ（單位：μm）的黑體輻亮度，由普朗克方程計(jì)算得出；f（λ）為λ處離散化的IRS4光譜響應(yīng)函數(shù)取值。利用式（2）建立溫度Ti（i＝1，2，3，…，n）與Beff（Ti）的查找表，在建立查找表的過(guò)程中，Ti＋1－Ti取0.25K，Ti∈［260～320］。

表3 Landsat－7ETM和HJ1－B IRS海表溫度反演參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 IRS海表溫度反演精度地面驗(yàn)證

2011年12月18日和22日HJ－1B紅外相機(jī)過(guò)大亞灣海域前后半小時(shí)，本文開(kāi)展了星地同步試驗(yàn)，利用溫鹽深測(cè)儀CTD獲得了地面海表溫度［17］。去除無(wú)效數(shù)據(jù)，共有153組參與精度評(píng)價(jià)。在非溫排水等人為干擾區(qū)域，地面測(cè)量結(jié)果與衛(wèi)星反演精度標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.07℃，平均誤差為0.23℃，如圖1所示。

圖1 實(shí)測(cè)SST與環(huán)境星RTM算法反演SST的關(guān)系

3.2 ETM與IRS海表溫度反演精度比較

利用前述方法獲得基于MODIS、ETM＋和IRS反演2010年3月11日上午11點(diǎn)左右大亞灣海域的海表溫度，如圖2所示。由圖可知，MODIS、LandsatETM＋和IRS反演的海表溫度變化趨勢(shì)相同，從北到南溫度逐漸升高，在大亞灣核電基地附近有明顯溫升區(qū)域；從圖中可以明顯看出，MODIS展示的核電溫排水溫升細(xì)節(jié)最差，ETM＋展示細(xì)節(jié)最好，IRS居中。

圖2 基于3種遙感數(shù)據(jù)源的海表溫度反演分布圖

由于劈窗的設(shè)置，在相同分辨率的基礎(chǔ)上，MODIS數(shù)據(jù)反演的海表溫度的絕對(duì)精度最高，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的大洋浮標(biāo)數(shù)據(jù)以及船舶數(shù)據(jù)的驗(yàn)證表明，MODIS海溫產(chǎn)品精度在0.053℃～0.66℃之間［16］。由于缺乏海表實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)，以MODIS海溫產(chǎn)品為參考真值［18］，分別比較ETM＋和IRS海表溫度反演的精度。

在精度驗(yàn)證的過(guò)程中，采用了局部驗(yàn)證和整體驗(yàn)證相結(jié)合的方法，局部驗(yàn)證是選取相同位置的點(diǎn)進(jìn)行比較，整體驗(yàn)證是用整幅影像反演結(jié)果誤差分布進(jìn)行比較。對(duì)于2010年3月11日的Landsat ETM＋和環(huán)境星HJ－1B影像數(shù)據(jù)，用輻射傳輸模型反演出海表溫度，并將兩幅影像取出與MODIS反演結(jié)果相同行列號(hào)的溫度值進(jìn)行對(duì)比，分別比較了反演SST的最大值、最小值和平均值，與MODIS反演結(jié)果比較的最大誤差、最小誤差和平均誤差（表4）。表4中，反演結(jié)果的最大值、最小值可以看出ETM＋反演的溫度范圍在14℃～22℃與MODIS反演結(jié)果的15℃～21℃范圍較為吻合；IRS反演結(jié)果在13℃～20℃；以MODIS反演結(jié)果為真值，Landsat ETM＋反演的平均誤差為0.374℃，環(huán)境星HJ－1B反演的平均誤差為0.996℃，二者反演平均誤差均小于1℃。

從整體驗(yàn)證來(lái)看（表5），Landsat ETM＋反演結(jié)果絕對(duì)誤差主要集中于小于1℃范圍，分布于0℃～0.5℃的誤差最多，為66.3%；環(huán)境星HJ－1B絕對(duì)誤差主要集中于0.5℃到1.5℃范圍，分布于0.5℃～1.0℃的誤差最多，為42.5%。結(jié)合以上分析，Landsat ETM＋和環(huán)境星HJ－1B反演結(jié)果的誤差都在1℃左右。利用相同的輻射傳輸方法，ETM＋反演的精度略高于環(huán)境星HJ－1B反演的精度。

表4 MODIS、ETM和IRS反演海表溫度比較

表5 絕對(duì)誤差出現(xiàn)頻率的比較

3.3 不同空間分辨率溫排水溫升范圍比較

文中采用前人研究的剔除核電影響的海灣平均溫度法來(lái)提取大亞灣核電基地基準(zhǔn)溫度，不同數(shù)據(jù)源獲得的基準(zhǔn)溫度如表6所示，可以看出雖然3種數(shù)據(jù)源的絕對(duì)溫度有所不同，導(dǎo)致相同計(jì)算方法出來(lái)的基準(zhǔn)溫度也不同。將核電廠排水口的熱污染區(qū)提取出來(lái)并劃分為不同等級(jí)：水溫低于基準(zhǔn)溫度（＜基準(zhǔn)溫度），水溫高于基準(zhǔn)溫度不超過(guò)1℃（＜1℃）；水溫高于基準(zhǔn)溫度1℃不超過(guò)2℃（＋1℃），后面依次類(lèi)推，為＋2℃、＋3℃、＋4℃、＋5℃，水溫高于基準(zhǔn)溫度6℃為＋6℃。按照不同溫升分布獲得3種不同遙感數(shù)據(jù)源的溫排水溫升分布圖（圖3、圖4）。

表6 3種數(shù)據(jù)源基準(zhǔn)溫度的比較

從圖3和圖4可知，ETM＋監(jiān)測(cè)高溫區(qū)域效果最好，可以探測(cè)到1級(jí)～6級(jí)溫升區(qū)，IRS居中，可以探測(cè)到1級(jí)～4級(jí)溫升區(qū)，而MODIS只可探測(cè)到1級(jí)～3級(jí)溫升區(qū)。由于空間分辨率的差異，ETM＋可以很好地反映出核電廠溫排水排放口的各級(jí)溫升的范圍和邊界，IRS也能反映溫升的范圍和細(xì)節(jié)，但監(jiān)測(cè)效果稍差一些，而MODIS受混合像元影響較大，不能監(jiān)測(cè)到核電廠溫排水排放口的溫升范圍。為了更好地比較3種數(shù)據(jù)源監(jiān)測(cè)溫排水溫升的差異，本文研究統(tǒng)計(jì)了不同數(shù)據(jù)源獲得溫升面積、比例和溫升區(qū)的平均溫升溫度（表7）。

圖3 基于3種遙感數(shù)據(jù)源的溫排水溫升分布圖（海灣區(qū)域）

圖4 基于不同遙感數(shù)據(jù)源的溫排水溫升分布圖（排放口附近區(qū)域）

從表7中可知：①隨著溫升等級(jí)的增高，3種遙感數(shù)據(jù)源監(jiān)測(cè)到的溫升面積都在減少，說(shuō)明隨著溫排水熱擴(kuò)散導(dǎo)致了低溫升區(qū)面積最大，而高溫升面積最小，且分布在排水口附近；②3種數(shù)據(jù)源獲得的總溫升分布面積相差不大，但分辨率越高，能監(jiān)測(cè)到的溫升等級(jí)越多，空間分辨率越粗，混合像元作用越明顯；③比較ETM＋和IRS兩種數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)效果，前者過(guò)境時(shí)間要早后者半小時(shí)，前者溫升總面積要大于后者0.463km2，但相同等級(jí)范圍內(nèi)兩者相對(duì)溫度均值基本保持一致；④在1級(jí)～4級(jí)溫升區(qū)內(nèi)，ETM占總溫升面積95%，而IRS為100%，ETM＋和IRS監(jiān)測(cè)的結(jié)果在4°溫升范圍內(nèi)效果基本一致，而MODIS則不能滿(mǎn)足業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)需求。

表7 基于不同遙感數(shù)據(jù)源的溫排水溫升分布統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用3種不同空間分辨率的熱紅外遙感數(shù)據(jù)，反演出2010年3月11日大亞灣海域的海表溫度，并利用絕對(duì)精度較高的MODIS海溫產(chǎn)品為參考，對(duì)ETM＋和IRS海表溫度反演結(jié)果進(jìn)行比較，同時(shí)在相同基準(zhǔn)溫度提取方法下，比較分析了不同空間分辨率獲得的大亞灣核電基地溫排水溫升空間分布，通過(guò)研究可初步得到以下結(jié)論：3種數(shù)據(jù)源反演的海表溫度在空間分布趨勢(shì)上具有一致性，ETM＋與IRS反演結(jié)果與MODIS海溫產(chǎn)品相差1℃左右，在區(qū)域海域海表溫度變化研究中是可接受的，相對(duì)而言ETM＋反演結(jié)果的精度更高。另外空間分辨率越高，監(jiān)測(cè)到的溫排水溫升等級(jí)越多，展現(xiàn)的溫升細(xì)節(jié)越多。相比而言，1km空間分辨率的MODIS熱紅外數(shù)據(jù)不適合溫排水監(jiān)測(cè)。從展現(xiàn)細(xì)節(jié)來(lái)說(shuō)，60m空間分辨率的ETM＋比較適合溫排水監(jiān)測(cè)，且精度較高。而IRS由于具有較短的重訪周期和較寬的覆蓋范圍，且與ETM＋監(jiān)測(cè)結(jié)果差別不大，可以作為溫排水監(jiān)測(cè)的主要遙感數(shù)據(jù)源。下一步，還需結(jié)合更多時(shí)相的數(shù)據(jù)，開(kāi)展不同季節(jié)時(shí)間點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以增加結(jié)果的說(shuō)服力。

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Consistency of Different Spatial Resolution Thermal Infrared Data in Monitoring Thermal Discharge of Nuclear Power Plant in Coastal Area

ZHANG Cai1，2，3，ZHU Li1，JIA Xiang4，ZHAO Li－min2
（1.Environmental Satellite Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing100094；2.Institute of Remote Sensing Applications，Chinese Academy of Sciences，Beijing100010；3.East China Institute of Technology，Nanchang330013；4.China Institute of Atomic Energy，Beijing102413）

The same date HJ－1Bsatellite infrared Scanner（IRS）and Landsat satellite ETM thermal infrared data were applied in inversing the sea surface temperature in Daya Bay using the single－channel radiative transfer model and the inversion temperature were compared based on the same date Terra satellite MODIS sea surface temperature product.Based on the same reference temperature extraction method，the thermal discharge and rising temperature region results were compared in MODIS，ETM and IRS data.The research showed that the ETM data，with higher temperature retrieval precision and better details in thermal discharge，were more suitable for monitoring high temperature region than IRS data.And MODIS data were not suitable for monitoring the thermal discharge details with 1000meters resolution，although MODIS data with high accuracy in sea surface temperature retrieval.HJ－1Bsatellite IRS data with high time resolution and large scanning width could best meet the thermal discharge monitoring requirements.

MODIS；Landsat ETM＋；HJ－1B；thermal discharge for nuclear power plant；sewage monitoring

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.02.012

X87

A

1000－3177（2015）138－0071－06

2014－02－26

2014－05－30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41101378）；國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)重大專(zhuān)項(xiàng)（E05－Y30B02－9001－13／15－4）。

張彩（1985～），女，碩士，研究方向?yàn)槎窟b感與GIS開(kāi)發(fā)。

E－mail：zcguilin＠163.com

朱利（1978～），男，博士，高級(jí)工程師，主要從事水環(huán)境定量遙感研究。

E－mail：zlpinan＠163.com。