Landsat-8和HJ-1B熱紅外數(shù)據(jù)海面溫度監(jiān)測效果研究

石海崗 梁春利 董雙發(fā) 張春雷 張建永

（核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002）

Landsat-8和HJ-1B熱紅外數(shù)據(jù)海面溫度監(jiān)測效果研究

石海崗 梁春利 董雙發(fā) 張春雷 張建永

（核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002）

依據(jù)2013年11月15日過境的Landsat-8和HJ-1B熱紅外遙感數(shù)據(jù)，分別采用輻射傳輸方程法和單窗算法對(duì)田灣核電基地附近海域溫度分布情況進(jìn)行了遙感監(jiān)測，利用海面實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了監(jiān)測結(jié)果的可靠性，對(duì)比分析了監(jiān)測結(jié)果的一致性。研究結(jié)果表明，Landsat-8和HJ-1B遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于海溫監(jiān)測方面二者兼用效果更好。

Landsat-8；HJ-1B；溫度反演；一致性；遙感監(jiān)測

一、引言

隨著核電站的建設(shè)，核電機(jī)組排放的大量溫排水對(duì)周圍水域環(huán)境造成的熱影響越來越受到人們重視。溫排水一方面改變了排水口附近海域的流場，另一方面則會(huì)引起局部水域的溫度升高并對(duì)受納水體的理化性質(zhì)、水生生物及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響[1-2]，因此，核電站溫排水的監(jiān)測評(píng)價(jià)對(duì)研究水環(huán)境生態(tài)平衡有著重要意義[3]。目前，熱紅外遙感技術(shù)因其同步性、周期性和經(jīng)濟(jì)性已成為海溫監(jiān)測有效的調(diào)查手段[4-5]。

熱紅外遙感數(shù)據(jù)常用的數(shù)據(jù)源有Landsat系列衛(wèi)星（5/7/8）和環(huán)境衛(wèi)星（HJ-1B）。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這些數(shù)據(jù)提出了一系列的地表溫度反演算法，包括單通道法[6]、單窗口法[7]、分裂窗法和多通道法[8]等。這些反演算法已被廣泛應(yīng)用于海溫監(jiān)測中[9-14]，但目前罕有報(bào)道Landsat-8 TIRS和HJ-1B IRS兩類傳感器在海面溫度反演方面一致性研究的文章。

田灣核電站位于江蘇省連云港市，現(xiàn)階段核電溫排水影響海域面積約50平方公里。根據(jù)田灣核電區(qū)同日過境的HJ-1B和Landsat-8熱紅外數(shù)據(jù)，對(duì)海域溫排水進(jìn)行溫度反演，分析研究二者監(jiān)測效果，評(píng)價(jià)不同傳感器在海面溫度監(jiān)測方面的可靠性和一致性，旨在為核電溫排水遙感監(jiān)測手段提供參考。

二、數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)源

選用田灣核電附近海域的遙感數(shù)據(jù)源為：2013年11月15日的Landsat-8 數(shù)據(jù)和HJ-1B數(shù)據(jù)（包括海面同步實(shí)測數(shù)據(jù)）。

Landsat-8是由美國地質(zhì)調(diào)查局及太空署發(fā)射的最新的陸地衛(wèi)星，衛(wèi)星上攜帶有OLI和TIRS兩個(gè)主要載荷[15]。HJ-1B衛(wèi)星是我國自行研制的環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座的重要組成之一，有效載荷為兩臺(tái)寬覆蓋多光譜可見光相機(jī)(CCD)和一臺(tái)紅外相機(jī)(IRS)。詳細(xì)情況見表1。

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2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

溫度反演前，首先對(duì)HJ-1B和Landsat-8影像進(jìn)行幾何校正，然后將田灣核電附近海域從兩組影像上裁剪下來并進(jìn)行重采樣，以便對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比分析。在此之后，根據(jù)水的反射率小于陸地反射率的特點(diǎn)進(jìn)行水陸分離處理。

三、溫度反演

目前有學(xué)者對(duì)Landsat-8 TIRS熱紅外波段進(jìn)行了分裂窗算法研究[16-17]，但根據(jù)USGS公布的測試結(jié)果，TIRS的11波段暫時(shí)無法應(yīng)用，因此本研究對(duì)Landsat-8 TIRS溫度反演只針對(duì)10波段，采用輻射傳輸方程算法（大氣校正法）進(jìn)行反演。

HJ-1B IRS只有一個(gè)熱紅外波段，其光譜范圍(10.412.5μm）非常接近。針對(duì)HJ-1B數(shù)據(jù)熱紅外單通道設(shè)置特點(diǎn)，利用覃12.5μm)與TM6（10.5志豪提出的單窗算法進(jìn)行溫度反演[7]，并根據(jù)實(shí)際的波譜響應(yīng)函數(shù)的差異對(duì)參數(shù)進(jìn)行修訂[18]。

3.1 Landsat-8 TIRS海面溫度反演

衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值由大氣向上輻射亮度、地面的真實(shí)輻射亮度經(jīng)過大氣層之后到達(dá)衛(wèi)星傳感器的能量組成。公式如下：

輻射定標(biāo)主要是指將傳感器觀測到的圖像灰度值轉(zhuǎn)換成輻射亮度值的過程。定標(biāo)系數(shù)可以直接從元數(shù)據(jù)中獲取。定標(biāo)公式：

2.地表比輻射率

物體的比輻射率是物體向外輻射電磁波的能力表征，依賴于地表物體的組成，而且與物體的表面狀態(tài)及物理性質(zhì)有關(guān)。本次研究反演主要針對(duì)海面進(jìn)行，比輻射率變化不大，接近于黑體，可以取定值0.995。

3.其他參數(shù)的獲取

大氣上行輻射、大氣下行輻射、透射率等參數(shù)都與大氣作用有關(guān)。輻射傳輸法可以消除大氣的影響，本次研究根據(jù)美國國家環(huán)境預(yù)測中心提供的標(biāo)準(zhǔn)大氣剖面，結(jié)合MODTRAN4.0模塊建立的大氣校正模型進(jìn)行大氣校正[19-20]。根據(jù)衛(wèi)星過境時(shí)刻的氣壓，地表溫度，相對(duì)濕度，影像時(shí)間以及中心經(jīng)緯度獲取大氣的上行輻射、下行輻射及大氣透射率。

3.2 HJ-1B數(shù)據(jù)海面溫度反演

單窗算法考慮了大氣對(duì)輻射傳輸?shù)挠绊懀且环N簡單可行并且保持較高精度的地表溫度演算方法，公式如下：

1.大氣透射率

研究表明大氣透射率的變化主要取決于大氣水汽含量的變化。針對(duì)HJ-1B熱紅外波段本身的光譜響應(yīng)度，通過模擬大氣水汽含量在0.1-5.0g/cm2區(qū)間內(nèi)變化情況，建立了水汽含量與大氣透射率之間的關(guān)系式：

目前水汽反演算法主要是依據(jù)近紅外譜段內(nèi)的水汽吸收差異進(jìn)行計(jì)算的。由于MODIS的第2和19波段對(duì)大氣水汽吸收差異較大，且Terra/MODIS的過境時(shí)間和HJ-1B衛(wèi)星相近，水汽反演按照陳青蓮等使用的MODIS成熟算法[21]，反演同地區(qū)時(shí)空同步的大氣水汽含量。

2.大氣等效溫度

大氣平均作用溫度主要取決于大氣剖面氣溫分布和大氣狀態(tài)。由于衛(wèi)星過境時(shí)的時(shí)間很短，一般情況下很難實(shí)施實(shí)時(shí)大氣剖面數(shù)據(jù)和大氣狀態(tài)的直接觀測，針對(duì)環(huán)境衛(wèi)星的熱紅外波段的光譜響應(yīng)特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，將中緯度冬季大氣等效溫度與大氣地面溫度T0表示為如下線性關(guān)系：

基于以上的算法利用ENVI+IDL進(jìn)行波段運(yùn)算，獲得海面的溫度場如圖1所示。

3.3 度反演結(jié)果

根據(jù)兩種傳感器獲取的溫度場分布情況，獲取到各個(gè)參數(shù)如表2所示。其中，平均溫度為核電周邊海域內(nèi)所有水體的平均海面溫度。

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四、結(jié)果與分析

4.1 海面溫度監(jiān)測可靠性分析

為了驗(yàn)證結(jié)果的可靠性，在衛(wèi)星過境時(shí)間進(jìn)行海面溫度測量。將反演海面溫度值（SST）與實(shí)測溫度值使用最小二乘法進(jìn)行擬合[22-23]。探討Landsat-8和HJ-1B數(shù)據(jù)反演的SST和海面實(shí)測值之間的回歸關(guān)系，擬合結(jié)果如圖2所示

Landsat-8反演獲得的SST值與實(shí)測數(shù)據(jù)擬合關(guān)系式為擬合后回歸系數(shù)的平方值達(dá)到了0.9601，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.37；反演獲得的SST值與實(shí)測數(shù)據(jù)擬合關(guān)系式為擬合后回歸系數(shù)的平方值達(dá)到了0.9649，標(biāo)準(zhǔn)誤差僅為0.2。

數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明海面實(shí)測值與Landsat-8反演的SST值和HJ-1B數(shù)據(jù)反演的SST值之間線性特征均非常明顯，具有很好的線性相關(guān)性。從線性關(guān)系的程度上可以反映出溫度反演方法獲得的溫度場數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確可信的，海面溫度監(jiān)測結(jié)果是可靠的。

4.2 海面溫度監(jiān)測結(jié)果一致性分析

由于這兩景數(shù)據(jù)通過田灣核電基地附近海域的時(shí)間相差僅40分鐘（Landsat-8過境時(shí)間為上午10:38分，過境時(shí)間為上午09:58），對(duì)比溫度場反演結(jié)果可以研究不同遙感數(shù)據(jù)獲取溫度場結(jié)果的一致性。

根據(jù)熱紅外溫度場數(shù)據(jù)（見圖1），核電周邊海域的溫度場明顯受到了核電溫排水的影響，由排水口向外延伸溫度逐漸降低，到達(dá)本底溫度區(qū)后，溫度穩(wěn)定，再向外海延伸溫度逐漸升高。結(jié)合表2溫度場最大值、最小值結(jié)果，在田灣核電基地附近海域，兩種傳感器反演的海水表面溫度空間分布趨勢基本一致。

溫排水影響區(qū)域?yàn)楹穗娬九潘谔幐哂谥苓吅Ｓ虮镜诇囟?.1℃以上區(qū)域。以連島北部的海水溫度為基準(zhǔn)值，綜合考慮周邊海域（溫排水影響區(qū)域剔除后海域）平均海面溫度作為本底溫度。提取核電站熱影響區(qū)，劃分為10個(gè)等級(jí)并分別進(jìn)行編碼（見圖3），分類統(tǒng)計(jì)各個(gè)等級(jí)的面積，獲得HJ-1B IRS與Landsat8 TIRS溫升面積對(duì)比圖（見圖4）。

通過圖1、圖3、圖4可以看出，2013年11月15日IRS數(shù)據(jù)和TIRS數(shù)據(jù)反演出熱影響擴(kuò)散形狀分布大致相同，溫度范圍也基本相似，各級(jí)別的溫升區(qū)面積差別不大；由于空間分辨率的關(guān)系，Landsat8可以反映更為精細(xì)的溫度場邊緣，監(jiān)測到最高的溫升級(jí)別高于本底溫度7℃，大于IRS最高6℃的溫升級(jí)別，這說明TIRS數(shù)據(jù)比IRS 數(shù)據(jù)可以更準(zhǔn)確地描述溫排水對(duì)周邊海域熱影響的分布狀況；溫升面積的統(tǒng)計(jì)信息顯示，6℃以上的溫升面積僅占總面積的2%左右，即這兩種數(shù)據(jù)反映的溫排水對(duì)環(huán)境的熱影響主要集中在前8個(gè)級(jí)別（占總面積的97%以上），因此，IRS可以達(dá)到與Landsat-8 TIRS相同的監(jiān)測效果，也就是說兩種傳感器對(duì)核電溫排水影響區(qū)域監(jiān)測結(jié)果也是一致的。

五、結(jié)論

1、通過對(duì)Landsat-8 TIRS與HJ-1BIRS溫度場反演結(jié)果、溫升編碼圖比較以及實(shí)測數(shù)據(jù)擬合，HJ-1B與Landsat-8熱紅外波段在海面溫度監(jiān)測方面有很好的可靠性和一致性。

2、比較Landsat-8 TIRS與HJ-1BIRS熱紅外波段反演所得溫排水溫度分布及范圍，0.1-6℃級(jí)以內(nèi)IRS與TIRS的熱影響分布級(jí)別基本一致，TIRS對(duì)高溫區(qū)溫升面積分布的監(jiān)測更精確，空間分辨率較低的IRS數(shù)據(jù)對(duì)溫度反演相對(duì)局限。鑒于兩種數(shù)據(jù)在空間分辨率和時(shí)間分辨率上各有所長，可以相互補(bǔ)充，在海溫監(jiān)測方面二者兼用效果更為理想。

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201 6-201 7年度河北省遙感技術(shù)應(yīng)用先進(jìn)個(gè)人

關(guān)宗江（河北省地球物理勘查院）

王 乾（中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院）

武淑瑤（河北恒華信息技術(shù)有限公司）

王 琳（河北省國土資源利用規(guī)劃院）

林亞衛(wèi)（河北地礦局水文工程地質(zhì)勘查院）

徐雯佳（河北地礦局水文工程地質(zhì)勘查院）

楊 斌（河北省遙感中心）

王向前（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所）

陳金勇（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所）

帥 通（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所）

張 恩（核工業(yè)航測遙感中心）

聞彩煥（河北省地質(zhì)測繪院）

封 哲（河北省環(huán)境監(jiān)測中心）

賀軍亮（石家莊學(xué)院）

張 巖（河北省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院）

金永濤（北華航天工業(yè)學(xué)院）

劉揚(yáng)正（河北省遙感應(yīng)用協(xié)會(huì)）

趙春雷（河北省氣象科學(xué)研究所）

蔡淑紅（河北省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站）

許 寧（河北省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站）

王 淼（河北省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站）