核電廠規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查方法初探

孫中平，賈 祥，姜 俊，曹 飛，王昌佐

(1．北京師范大學地理學與遙感科學學院遙感科學國家重點實驗室，北京100875;2．環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應用

中心，北京100094;3．中國原子能科學研究院，北京102413;4．環(huán)境保護部核電安全監(jiān)管司，北京100035)

目前，我國核電發(fā)展進入體系化、規(guī)?；男聲r期，已經(jīng)成為全球核電發(fā)展的重心之一。經(jīng)過20多年的建設，我國核電事業(yè)得到了長足的發(fā)展，目前我國建成發(fā)電的核電機組有15臺，在建核電機組有30臺［1］。由于核電廠對地方經(jīng)濟的拉動作用，部分核電廠規(guī)劃限制區(qū)人口機械增長明顯［2］，也存在化工廠等固定危險源建設問題，核電廠規(guī)劃限制區(qū)的發(fā)展與限制矛盾日趨突出。目前，由于人員和經(jīng)費的限制，各級部門對核電廠規(guī)劃限制區(qū)的管理工作難以有效開展。如何有效地管理核電廠規(guī)劃限制區(qū)，使之不妨礙應急防護措施的有效實施，保證核電廠運行安全，是我國核電廠面臨的一個挑戰(zhàn)。

遙感技術具有快速、連續(xù)、精度高、覆蓋范圍廣等優(yōu)越性特點，在土地利用變化監(jiān)測與管理中發(fā)揮了重要作用［3-4］。20世紀90年代以來，國際原子能機構(IAEA)組織開展了基于衛(wèi)星遙感技術的核設施監(jiān)測研究與應用工作［5］，以便掌握和了解各成員國未申報或可疑的秘密核活動［6］，Vatsavai等采用地理空間影像挖掘技術初步構建了核設施監(jiān)測工作基本框架［7］。2009年以來，環(huán)境保護部衛(wèi)星中心利用環(huán)境一號衛(wèi)星和其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)，每半年對我國所有擬建和在建核電項目預選或建設廠址進行遙感監(jiān)測，形成監(jiān)測報告并上報環(huán)境保護部，為核電項目監(jiān)管提供了有力支持，有效地遏制了未批先建或違規(guī)建設現(xiàn)象。國內(nèi)學者也對核電廠規(guī)劃限制區(qū)監(jiān)管存在的問題進行了研究［2，8］，但是，有關核電廠規(guī)劃限制區(qū)監(jiān)查方法的研究成果鮮見發(fā)表，尚未形成一套完整和可行的技術方法。本研究面向核電廠規(guī)劃限制區(qū)管理，選擇秦山核電基地作為研究區(qū)，以中、高分辨率衛(wèi)星影像為主要數(shù)據(jù)源，在構建遙感監(jiān)查分類體系的基礎上，初步構建了一套核電廠規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查技術方法，以期為核電廠限制區(qū)管理工作提供技術支持。

一、規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查方法

1．規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查分類體系構建

依照《中華人民共和國放射性污染防治法》《核動力廠環(huán)境輻射防護規(guī)定》(GB 6249—2011)及《浙江省核電廠輻射環(huán)境保護條例》等法規(guī)和標準，核電廠規(guī)劃限制區(qū)管理主要包括兩個方面:一是限制影響核電廠應急計劃實施的設施新建與擴建，如大型的工業(yè)和民用設施、大型的醫(yī)院和監(jiān)獄等，用以限制人口大規(guī)模地機械增長，從而保證應急計劃實施的可行性;二是限制可能影響核電廠安全運行的設施建設，如化工廠、煉油廠等可能引發(fā)重大外部事件的設施，以防止這些設施在事故條件下影響核電廠的安全運行［8］。

本文根據(jù)核電廠規(guī)劃限制區(qū)管理的主要內(nèi)容，結合中、高空間分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的信息量與地物可分性，參考《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2007)，構建規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查土地利用分類體系(見表1)，并初步確定主要監(jiān)查對象。

2．規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查技術流程

核電廠規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查以30 m空間分辨率的中分辨率影像、2 m高分辨率影像為主要數(shù)據(jù)源，并輔以行政區(qū)劃圖、規(guī)劃限制區(qū)圖、DEM等輔助數(shù)據(jù)。

表1 核電廠規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查分類體系

通過遙感影像幾何校正、掩膜、影像融合等處理步驟，生成研究區(qū)范圍內(nèi)的正射影像圖。利用面向對象分類和人工目視解譯相結合的方法，生成兩期遙感監(jiān)查土地利用分類圖，通過疊加對比分析，生成核電廠規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查分類變化圖。

針對變化區(qū)域，利用近期高分辨率衛(wèi)星影像，結合分類體系，輔以監(jiān)查對象解譯標志，提取規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查對象分布圖。通過現(xiàn)場核查，核實提取的土地利用類型變化區(qū)域，最終形成核電廠規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查報告，為國家、地方政府提供數(shù)據(jù)支持。核電廠規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查技術流程如圖1所示。

圖1 核電站規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查技術流程

二、研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1．研究區(qū)概況

秦山核電基地位于浙江省嘉興市海鹽縣秦山街道，是我國第1座一址多堆、多堆型的核電基地。自1991年第1臺機組并網(wǎng)發(fā)電以來，經(jīng)過20年的建設，目前基地正在運行的有3座核電廠(秦山核電廠、秦山第二核電廠和秦山第三核電廠)，7臺機組(5臺壓水堆和2臺重水堆機組)，發(fā)電能力達430萬kW［9］，另外，還有2臺百萬千瓦級壓水堆機組在建。秦山核電基規(guī)劃限制區(qū)以各座反應堆分別界定5 km的外包路線為統(tǒng)一的規(guī)劃限制區(qū)進行設置，主要位于秦山街道境內(nèi)，少部分在武原街道、澉浦鎮(zhèn)境內(nèi)(如圖2所示)。秦山核電基地機組的建設和運營不斷帶動當?shù)亟?jīng)濟的快速發(fā)展，規(guī)劃限制區(qū)的發(fā)展與限制矛盾日益突出。

圖2 秦山核電基地及規(guī)劃限制區(qū)

2．數(shù)據(jù)情況

由于秦山核電基地并網(wǎng)發(fā)電前缺乏高分辨率遙感影像覆蓋，本研究所采用的基期遙感影像為LandsatTM影像，軌道號為118/39，空間分辨率為30 m，獲取時間為1990年6月11日。用于對比分析的遙感影像為環(huán)境一號B星CCD影像，軌道號為451/80，空間分辨率為30 m，獲取時間為2012年5月6日。為了實現(xiàn)多源遙感影像的優(yōu)勢互補，通過融合處理得到既有高空間分辨率又有高光譜分辨率的遙感影像，高分遙感影像數(shù)據(jù)采用資源三號全色和多光譜兩種數(shù)據(jù):正視NAD數(shù)據(jù)，軌道號為880/149，空間分辨率為2．1 m，獲取時間為2012年6月18日;多光譜MUX數(shù)據(jù)，軌道號為881/149，分辨率為5．8 m，獲取時間為2012年11月11日。所選遙感影像紋理清晰，研究區(qū)域云量極少，含云量均不超過5%。兩期中分辨率遙感影像的獲取時相、空間分辨率、光譜波段基本一致，便于變化信息提取。

三、數(shù)據(jù)處理與分析

1．遙感影像預處理

本研究首先利用比例尺為1∶50 000的DEM數(shù)據(jù)對所選遙感影像進行幾何精校正，校正時均方根誤差控制在0．5個像元內(nèi)?；谇厣胶穗娀匾?guī)劃區(qū)邊界，對精校正后的遙感影像進行掩膜處理，并對影像進行增強處理，得到研究區(qū)影像數(shù)據(jù)?？紤]到研究區(qū)海鹽縣秦山街道地勢比較平坦，地類相對簡單，采用HIS變換方法［10］，對兩景資源三號高分辨率遙感影像進行了融合處理，形成高分遙感融合影像，融合后影像特征得以加強，影像可識別度大大提高。數(shù)據(jù)預處理工作均基于ERDAS2010進行。利用已有高分辨率遙感影像，結合有關文件資料，對核電廠規(guī)劃限制區(qū)主要監(jiān)查對象遙感影像圖形結構、紋理特征進行了分析研究，構建了監(jiān)查對象解譯標志庫。

2．分類及變化提取

傳統(tǒng)的基于像素的遙感影像分類方法以像素作為識別的基本單元，僅能夠利用影像的光譜信息，信息提取精度比較低［11］。為了充分利用遙感影像的光譜、紋理、形狀、上下文等信息，本研究采用Sun Z P［12］提出的面向對象的分類方法，在基于eCognition 8．0軟件進行面向對象信息提取的基礎上，后期加入人工判讀，得到兩期遙感監(jiān)查分類結果。利用ArcGIS 10．0軟件，對兩者進行疊加分析，提取生成研究區(qū)土地利用變化信息，生成秦山核電基地規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查分類變化圖(如圖3所示)。

圖3 秦山核電基地規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查分類變化

3．精度評價

遙感圖像的分類精度驗證與評價一般通過專家判讀及外業(yè)調(diào)查等手段獲取地塊的實際屬性，并以此為依據(jù)，對識別結果進行檢驗和評價。本研究采用目前較常用的混淆矩陣(confusion matrix)法進行分類精度驗證，精度評價指標包括總體精度、用戶精度、生產(chǎn)者精度和Kappa系數(shù)等。本研究采用的資源三號多光譜融合影像，其空間分辨率較高，可以直接在影像上解譯，采用簡單隨機抽樣法在分類結果上選擇300個測試樣本，通過人工判讀獲取地物的信息，作為參考數(shù)據(jù)對分類結果進行精度評價。精度評價結果見表2。

從精度評價表可以看出，總體精度為89．67%，Kappa系數(shù)為0．85，說明研究區(qū)整體分類效果較好。

表2 分類精度評價結果

4．遙感監(jiān)查對象變化信息提取

為減少工作量，提高遙感監(jiān)查精度，本研究僅針對變化區(qū)域進行遙感監(jiān)查對象識別。將核電廠規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查分類變化圖和現(xiàn)勢高分辨率遙感融合影像進行疊加，依據(jù)監(jiān)查對象解譯標志庫，結合土地利用類型，進行人工判讀目視解譯，得到規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查對象分布圖。以地面現(xiàn)場核查數(shù)據(jù)為依據(jù)，對監(jiān)查對象變化信息提取精度進行核實，盡可能地減少錯提、漏提分類變化和監(jiān)查對象分布信息，從而確保提取信息空間位置和屬性的準確性。

5．監(jiān)查結果與分析

1990—2012年，秦山核電基地規(guī)劃限制區(qū)整體土地利用格局基本不變，占地面積由大到小依次為耕地、住宅用地、水域、林草地、工礦用地、交通用地、公共用地，其中耕地比重最大，超過一半。研究變化的22年間，耕地、住宅用地和林草地面積有所下降，而工礦用地和交通用地顯著增長，分別增長4．1倍和1．2倍(見表3)。

表3 秦山核電基地規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查分類面積及其變化統(tǒng)計 hm2

1990—2012年，秦山核電基地規(guī)劃限制區(qū)主要監(jiān)查對象共新增或擴建了38處(見表4)，包括中型企業(yè)、中型生活居住區(qū)、醫(yī)院、學校、政府機關，以及化工廠、采石廠、加油站和港口碼頭等。經(jīng)過整理、統(tǒng)計，構建形成規(guī)劃限制區(qū)監(jiān)查對象信息庫，提供準確的空間定位和信息統(tǒng)計，為規(guī)劃限制區(qū)管理提供較好的數(shù)據(jù)支持。

表4 秦山核電基地規(guī)劃限制區(qū)遙感監(jiān)查對象信息統(tǒng)計

總的來說，雖然秦山核電基地目前已有較大的發(fā)展，其規(guī)劃限制區(qū)范圍內(nèi)的經(jīng)濟發(fā)展仍得到了一定控制，至今仍未產(chǎn)生萬人以上的城鎮(zhèn)，人口增長得到了控制，也不存在大型企業(yè)，交通條件得到了很大的改善。規(guī)劃限制區(qū)的人口分布和生產(chǎn)企業(yè)分布能滿足基地實施核事故應急措施的要求，不存在執(zhí)行場外應急計劃不可克服的條件。但也存在一些問題可能影響核電廠安全及核應急工作的有效實施，如隨著工業(yè)的快速發(fā)展，特別是紡織服裝等勞動密集型企業(yè)的增長，外來人口增加明顯;限制區(qū)內(nèi)存在化工廠、采石廠等固定危險源，在一定程度上影響核電廠的安全穩(wěn)定運行。

四、結 論

研究結果表明，利用衛(wèi)星遙感影像，提取核電廠規(guī)劃限制區(qū)監(jiān)查對象變化信息是可行的，能夠達到預期的結果，可以為核電廠規(guī)劃限制區(qū)管理提供有效的數(shù)據(jù)支撐。受高分辨率遙感數(shù)據(jù)覆蓋所限，研究用的兩期對比影像分辨率為30 m，分辨率較低，對于更詳細的地物特征不容易反映出來，導致分類的結果不盡詳細，存在加油站等較小地物漏判的現(xiàn)象，從而使監(jiān)查的精度受影響。

近幾年，資源一號02C、資源三號、高分一號等國產(chǎn)高分辨率遙感衛(wèi)星相繼發(fā)射，形成了穩(wěn)定、高分辨率、高重訪周期的衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源，這為核電安全遙感監(jiān)測范圍從核電廠址擴展到核電廠周圍規(guī)劃限制區(qū)提供了數(shù)據(jù)保障。全部應用多時相高分辨遙感影像后，會大大提高影像的識別精度，同時可直接通過基于對象的變化檢測方法來提取變化，將會進一步減輕工作量，提高精度。但目前尚無統(tǒng)一的分割精度評價標準，如何合理地選取最優(yōu)分割尺度需要進一步深入研究［13］。另外，監(jiān)查對象的分級標準特別是重點監(jiān)查對象的內(nèi)涵和規(guī)模也需要進一步的研究確定。

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