基于衛(wèi)星和無人機(jī)的后石電廠溫排水分布研究

孫芹芹，張加晉，姬厚德，羅美雪，楊順良

(福建海洋研究所、福建省海島與海岸帶管理技術(shù)研究重點實驗室，福建 廈門 361013)

根據(jù)斯蒂芬—波爾茲曼定律，輻射通量密度隨溫度的增加而迅速增大，它與溫度的四次方成正比。任何溫度的微小變化，均會引起輻射通量密度很大的變化。因此，配備熱紅外波段的機(jī)載傳感器可以收集、記錄地物的這種熱紅外信息，并利用這種熱紅外信息來識別溫度升高的海域[1-2]。國內(nèi)外學(xué)者利用AVHRR、MODIS、Landsat等遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)對濱海電廠排水口區(qū)域的水體溫度進(jìn)行反演均取得了較高的反演精度[3-5]。但是，與無人機(jī)航飛數(shù)據(jù)相比，遙感影像仍具有周期時間長、空間分辨率低等特點。利用無人機(jī)搭載高分辨率光電和視頻采集設(shè)備，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集及回傳，體現(xiàn)出較高的空間分辨率及實效性等[6-7]。在海洋調(diào)查領(lǐng)域，利用無人機(jī)低空遙感技術(shù)進(jìn)行海島調(diào)查、大比例尺地形圖測繪等，具有操作便捷、效率高、成本低等優(yōu)點[8-9]。利用無人機(jī)攜帶熱紅外、多光譜等傳感器可實現(xiàn)對陸域石油管道探測、農(nóng)作物估產(chǎn)等方面的定性、定量遙感探測[10-11]。利用無人機(jī)攜帶熱紅外傳感器進(jìn)行核電廠溫排水監(jiān)測也取得了一定的成功[12]。隨著無人機(jī)硬件設(shè)備的不斷改進(jìn)及圖像處理技術(shù)的不斷提高，無人機(jī)低空遙感技術(shù)在海洋資源環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用必將不斷擴(kuò)大。

本研究采用Landsat 8熱紅外數(shù)據(jù)對后石電廠營運(yùn)期的排水口區(qū)域水體溫度進(jìn)行反演，并嘗試采用無人機(jī)攜帶熱紅外傳感器對該區(qū)域的水溫分布細(xì)節(jié)特征進(jìn)行遙感監(jiān)測與分析，以期實現(xiàn)基于無人機(jī)的用海項目資源環(huán)境影響動態(tài)跟蹤監(jiān)測，促進(jìn)低空熱紅外遙感技術(shù)在海洋科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

后石電廠位于福建省漳州市龍海市港尾鎮(zhèn)后石村沿海(圖1)，是我國東南沿海規(guī)模較大的燃煤發(fā)電廠之一，電廠分2期建設(shè)，一期于1999—2000年建設(shè)2臺機(jī)組，裝機(jī)容量均為60×104kW，二期于2001—2004年建設(shè)4臺機(jī)組，各機(jī)組裝機(jī)容量均為60×104kW。后石電廠取水口位于電廠東北側(cè)海域，排水口位于電廠西南側(cè)海域，取水口、排水口距離較遠(yuǎn)，相對獨立，有利于保證電廠取水口、排水口的正常運(yùn)行。

圖1 后石電廠位置Fig.1 The location of Honshi Power Plant

1.2 衛(wèi)星遙感反演

為研究該區(qū)域電廠溫排水的空間分布規(guī)律，本研究采用Landsat 8衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對該區(qū)域的表面溫度進(jìn)行反演，該區(qū)域衛(wèi)星影像行列號為119/43。該衛(wèi)星對同一地區(qū)每16 d過鏡一次，本次選取影像的衛(wèi)星過鏡時間為2018年3月11日10：32。多數(shù)研究表明，利用Landsat 8的TIRS 10波段進(jìn)行溫度反演已經(jīng)具有較高的精度[13]。其計算步驟首先需要將Landsat TM/ETM+熱紅外波段的DN值轉(zhuǎn)化為該波段的光譜輻照度[14-15]，公式如下：

L=a·DN+b

(1)

式(1)中: L為波段10的光譜輻照度，單位為W/(m2·sr·μm)。DN為波段10的像元值，a、b分別為波段10的偏移參數(shù)和增益參數(shù)，其數(shù)值可從影像的元文件中獲得，分別為0.1和3.342 0×10-4。

經(jīng)過計算取得波段10的光譜輻照度后，需要進(jìn)一步將光譜輻照度轉(zhuǎn)換為亮度溫度，其公式如下[16]：

T=K2/ln(K1/L+1)

(2)

式(2)中: T 為亮度溫度，單位為K；K1、K2為校正常數(shù)，Landsat8衛(wèi)星波段10的K1、K2值分別為774.885 3、1 321.078 9。

最后，可通過公式將亮度溫度轉(zhuǎn)換為水體表面溫度[16-17]。該公式僅考慮地表比輻射的影響，并未考慮大氣影響。由于研究區(qū)域面積較小，研究目標(biāo)均為水體，類型單一，因此可假設(shè)該區(qū)域的大氣影響是均一的，其溫度的相對值是可信的，公式如下：

LST=T/[1+(λ10×T/ρ)lnε]

(3)

式(3)中: λ10為波段10的中心波長，對于Landsat8的波段10來說，λ10=10.9μm；T為衛(wèi)星遙感的亮度溫度；ε為地表比輻射率，由于近岸海水比較勻稱，比輻射率沒有很大的變化，因此可以取常數(shù)，一般取0.96～0.99之間，但由于研究區(qū)域近岸海水有泥沙影響，ε取常值0.985，ρ為常量14 384mK，其計算公式如下：

ρ=h·c/σ

(4)

式(4)中:h為普朗克常量6.626×10-34Js，σ為玻爾茲曼常數(shù)1.381×10-23J/K，c為光速2.998×108m/s。

LST為經(jīng)過反演計算取得的水體表面溫度，單位為K，其與攝氏度的換算公式如下：

TC=LST-273.13

(5)

式(5)中: TC為水體表面溫度，單位為℃。

1.3 無人機(jī)飛行設(shè)計及數(shù)據(jù)處理

本次航飛采用無人機(jī)為瑞士SenseflyeBee，其最高定位精度可達(dá)1.5cm，正射影圖和3D模型精確度可達(dá)1～3個像元大小，并且起飛較為方便，只需在選好場地后，搖動eBee三次待其馬達(dá)啟動后拋向空中即可。本次航飛搭載的熱紅外成像儀為瑞士產(chǎn)ThermoMAP，為eBee無人機(jī)專用低空無人機(jī)載熱紅外相機(jī)，在75m高處地面分辨率可達(dá)14cm/px，圖像大小為640×512像素，圖像溫度范圍為-40～160 ℃，溫度分辨率可達(dá)0.1 ℃。

2018年3月9號下午進(jìn)行后石熱紅外無人機(jī)航拍任務(wù)，第一個架次航飛任務(wù)執(zhí)行時間為13：30至13：43。起飛區(qū)選在電廠西南側(cè)比較寬闊的農(nóng)田區(qū)域，與電廠發(fā)電機(jī)組距離約300m，場地平整，視野寬闊，可以較好的查看飛機(jī)的飛行狀況。

本項目設(shè)計飛行高度80m，地面分辨率15.2cm/px，旁向重疊率65%，航象重疊率90%，拍照間距7.8m，相片幅寬97.3m×77.8m，飛行面積 0.17km2，飛行時間13min，總飛行航線9.4km。

本次航行拍攝照片2 814張，利用Pix4Dmapper軟件進(jìn)行無人機(jī)原始影像數(shù)據(jù)的處理，該軟件可自動獲取每張無人機(jī)航攝照片對應(yīng)的中心點位置(經(jīng)緯度)、高度、俯仰角、翻滾角等數(shù)據(jù)，并讀取航攝相機(jī)的型號、焦距、相機(jī)中心點位置、相機(jī)畸變參數(shù)等信息，在Pix4Dmapper軟件中對照片進(jìn)行校正，并基于相鄰影像間的同名特征點實現(xiàn)圖像匹配。通過圖像分析、點云處理、正射影像生成及指數(shù)計算等步驟，生成空三加密成果及DOM模型和指數(shù)模型[18-19]。

其中，在指數(shù)計算過程中，除生成DSM及正射影像圖外，還需選取適合本次航攝相機(jī)ThermoMAP的指數(shù)計算器公式來生成海域水面溫度數(shù)據(jù)，并可通過相應(yīng)地圖配色方案生成溫度專題數(shù)據(jù)。計算公式如下：

Ts=Dir/100-100

(6)

式(6)中: Ts代表陸域及水體的表面溫度，Dir為無人機(jī)航攝照片上的圖像數(shù)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 衛(wèi)星遙感反演結(jié)果

基于Landsat8TIRS10波段的溫度反演結(jié)果如圖2～4所示，從圖2中可以看出，與周圍水體相比，后石電廠排水口附近的水域溫度具有明顯的增加，周圍海域水溫約21.0 ℃～22.5 ℃，排水口區(qū)域水體溫度約22.5 ℃～25.5 ℃。排水口區(qū)域水溫自北向南逐漸遞減，溫水團(tuán)自排水口排出后沿岸南下，向南擴(kuò)散約3 500m，東西擴(kuò)散約1 000m。分別在排水口作橫縱2條剖面可以看出，自排水口向東南方向水溫慢慢下降，從25.5 ℃降至22.0 ℃，東西方向溫度則從24.4 ℃降至21.0 ℃。

圖2 基于衛(wèi)星遙感影像的后石電廠排水口區(qū)域水溫分布Fig.2 Thermal distributions around Houshi Power Plant based on satellite images

圖3 A-A’斷面溫度隨距離的變化Fig.4 Changes of water temperature with distances along A-A’ transect

圖4 B-B’斷面溫度隨距離的變化Fig.4 Changes of water temperature with distances along B-B’ transect

圖5 基于低空熱紅外遙感影像的后石電廠排水口 區(qū)域水溫分布Fig.5 Thermal distributions around Houshi Power Plant based on low altitude thermal infrared remote sensing

2.2 低空遙感溫度探測結(jié)果

根據(jù)Pix4Dmapper處理的無人機(jī)航飛熱紅外影像處理結(jié)果可知(圖5～7)，本次無人機(jī)航拍成像面積約22.5hm2，其中東西長約750m，南北長約 300m。其中水域范圍面積僅11.6hm2，呈喇叭口形狀。兩岸之間最短距離約140m，最長距離約510m。大多數(shù)情況下，由于排水口區(qū)域全為水面，因缺乏照片同名點而較難實現(xiàn)水域的拼接，然而，由于本次航飛區(qū)域水面呈喇叭口形狀，兩岸之間距離較窄，因此可以借助陸域同名點而完成本次航飛區(qū)域的水面拼接。但是，與衛(wèi)星遙感影像相比，本次無人機(jī)成像范圍較小，一方面是受限于熱紅外成像儀的照片幅寬僅為97.3m×77.8m，另一方面則是因為純水域照片缺乏同名點導(dǎo)致東南側(cè)小部分區(qū)域未完成拼接。

圖6 C-C’斷面溫度隨距離的變化 Fig.6 Changes of water temperature with distances along C-C’ transect

圖7 D-D’ 斷面溫度隨距離的變化Fig.7 Changes of water temperature with distances along D-D’ transect

根據(jù)排水口區(qū)域的溫度剖面圖可知，后石電廠排水口南側(cè)300～500m處的水溫呈現(xiàn)西岸較低、東岸較高的特點，熱水團(tuán)從排水口排出后并不是均勻向南擴(kuò)散，而是先沿東岸向南擴(kuò)散，然后部分從東岸向西擴(kuò)散后再向南擴(kuò)散。此外，排水口西南側(cè)約700m處近岸存在水溫較低區(qū)域，可能與該區(qū)域的陸域來水有關(guān)。

本次無人機(jī)航拍成像分辨率較高，影像分辨率可達(dá)20cm，與衛(wèi)星遙感100m成像分辨率相比，無人機(jī)航拍影像可以更為細(xì)致的反映出該區(qū)域的溫度變化細(xì)節(jié)，彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感影像的不足。

2.3 無人機(jī)監(jiān)測溫排水的特點

利用無人機(jī)搭載熱紅外成像儀進(jìn)行電廠溫排水監(jiān)測，可以快捷、方便地識別電廠溫排水分布的細(xì)節(jié)，但是，該技術(shù)目前仍然存在一些不足，尤其在全水域圖像的拼接方面。由于水面缺乏同名特征點導(dǎo)致基于特征點匹配的圖像拼接技術(shù)無法有效實現(xiàn)全水域圖像的拼接。因此，需要發(fā)展基于坐標(biāo)信息的單幀影像絕對定位技術(shù)，并提高無人機(jī)硬件的姿態(tài)及定位精度，從而有效實現(xiàn)全水域圖像的拼接。

3 結(jié)論

(1)基于Landsat8的衛(wèi)星遙感影像反演可以較好的識別電廠排水口的溫水變化分布，但是受限于其100m的空間分辨率，無法識別小區(qū)域范圍內(nèi)的溫水分布細(xì)節(jié)。

(2)基于無人機(jī)搭載熱紅外成像儀可以方便、快捷的實現(xiàn)對電廠排水口水體溫度的反演，并可較為細(xì)致的識別溫水分布的細(xì)節(jié)，彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感影像周期長、分辨率低的不足。

(3)基于無人機(jī)搭載熱紅外傳感器進(jìn)行電廠溫排水的監(jiān)測仍然受限于熱紅外成像幅寬小、全水域圖像匹配困難等因素的制約，下一步需加強(qiáng)對全水域圖像拼接技術(shù)的研究。