熱紅外遙感技術(shù)在核電站溫排水監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張建永，梁春利，石海崗，張春雷，程旭

（1.核工業(yè)航測(cè)遙感中心，河北 石家莊 050002；2.河北省航空探測(cè)與遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050002）

隨著海洋開發(fā)利用活動(dòng)的不斷加劇，近海的資源和生態(tài)環(huán)境受到了較大的破壞，海洋環(huán)境質(zhì)量不斷惡化［1］。海洋表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）是指海洋水體表層0.5 m 以內(nèi)的海水溫度，是海洋表面水汽和熱量交換的一個(gè)重要物理參量，對(duì)研究海洋的生態(tài)、環(huán)境和生物地球化學(xué)等具有重要意義［2-3］。

近年來我國核電事業(yè)發(fā)展迅速，目前運(yùn)行的核電站均采用海水作為冷卻用水，約2/3 的能量以余熱的方式經(jīng)冷卻水進(jìn)入海洋環(huán)境，造成排放口及其附近區(qū)域海水溫度升高，形成熱污染［4］，即溫排水。目前近岸水體熱污染已成為備受關(guān)注的環(huán)境問題之一［5］。

核電站冷卻水對(duì)附近海域溫度場(chǎng)的影響，不僅與冷卻水的排放量、排放時(shí)間有關(guān)，還與核電站附近海域的潮汐狀況、海域地形、洋流等海洋環(huán)境特征有關(guān)，需要通過技術(shù)手段對(duì)核電站近海岸溫度場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，清楚掌握核電站溫排水的影響情況［6］。

對(duì)核電站溫排水的監(jiān)測(cè)可以采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方法、數(shù)值模擬、物理模型試驗(yàn)和熱紅外遙感監(jiān)測(cè)等方法。傳統(tǒng)實(shí)地測(cè)量的方法、數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)只能獲取有限站點(diǎn)的海面溫度值，對(duì)海面溫度場(chǎng)變化的情況難以準(zhǔn)確計(jì)算，而且不能實(shí)時(shí)、持續(xù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，無法滿足大面積、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要。遙感技術(shù)可以大面積重復(fù)觀測(cè)海洋表面，為反演海表溫度提供了便利［7-9］。

本文以我國環(huán)境一號(hào)B 星（HJ-1B）和Landsat 系列衛(wèi)星熱紅外波段影像為數(shù)據(jù)源，以田灣核電站為例，開展核電站溫排水遙感監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析，討論熱紅外遙感技術(shù)在核電站周邊海域海水表面溫度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

1 熱紅外遙感測(cè)量理論基礎(chǔ)

黑體輻射理論表明，自然界中一切物體只要其溫度大于絕對(duì)零度，都可以輻射紅外線，因此我們可以利用探測(cè)儀器測(cè)定目標(biāo)輻射的紅外線，獲得不同物體的表面溫度分布圖像。

根據(jù)斯蒂芬-玻耳茲曼定律，黑體的輻射力和熱力學(xué)溫度四次方成正比。這個(gè)特性可以表示為：

式中：M為物體表面總輻射出射度，wm－2；σ=5.6697 × 10-8(Wm-2Sr-K-4)；T為物體表面溫度，K。

由此可知，物體表面的溫度與其熱輻射能量大小相關(guān)，物體發(fā)出的能量是隨著T4變化的，所以當(dāng)溫度升高時(shí)輻射能量會(huì)以指數(shù)形式快速增大。因此，測(cè)量物體表面的輻射能量就能計(jì)算得到其表面溫度。遙感測(cè)溫就是利用的這種方法。

根據(jù)普朗克輻射法則，理想黑體的光譜輻射亮度是其熱力學(xué)溫度和波長的函數(shù)［10］，物體的光譜輻射能可以表示為如下公式：

式中：λ為波長，μm；Lλ為波譜輻射能，W·m-2·sr-1·μm-1；ελ為波譜比輻射率；T為物體的溫度，K；Bλ為黑體（ε=1）的波譜輻射能，W·m-2·sr-1·μm-1。

由普朗克輻射法則可知：

式中：C1=1.19104×108（W·μm4·m-2·sr-1）；C2=1.43877×104K。

對(duì)于任一溫度，根據(jù)維恩位移定律可知，黑體的波譜輻射能在波長λmax 處最大。

同時(shí)，基于輻射傳輸理論和遙感測(cè)量傳輸過程可知，波長8～14 μm是熱紅外線的“大氣窗口”，因此人們利用熱輻射的這個(gè)特點(diǎn)來測(cè)量物體的溫度，獲取物體表面的熱輻射分布圖像。

2 熱紅外遙感測(cè)量技術(shù)流程

利用熱紅外遙感技術(shù)進(jìn)行溫排水測(cè)量，主要包括以下6 個(gè)步驟（圖1）：

1）遙感數(shù)據(jù)獲取

該步驟是指利用航天衛(wèi)星、航空機(jī)載熱紅外傳感器，獲取目標(biāo)物體的熱紅外信息，并將其轉(zhuǎn)化為溫度圖像的過程。常用的衛(wèi)星傳感器 有Terra 衛(wèi)星的MODIS 和Aster、Landsat-5 的TM、Landsat-7 的ETM、Landsat-8 的TIRS、HJ-1B 的IRS 等，常用的機(jī)載熱紅外儀有MAMS 系統(tǒng)、美國Argon ST 公司的雙波段掃描儀、ITRES公司的TABI 1800 機(jī)載寬陣列寬波段熱成像儀等。

2）潮汐、氣象、地形等資料分析

海水溫度場(chǎng)的分布受海水深度、水流方向、潮汐狀態(tài)、季風(fēng)方向、空氣濕度等因素的影響，在溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)的過程中，需要結(jié)合不同的潮汐、氣象、地形等條件，進(jìn)行溫度場(chǎng)的反演計(jì)算和綜合分析。

3）數(shù)據(jù)處理

獲取數(shù)據(jù)后，為了保證成果的精度和可靠性，需要利用實(shí)測(cè)地面控制點(diǎn)、輻射定標(biāo)參數(shù)、矢量岸線數(shù)據(jù)等資料，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)校正、陸地掩膜、剔除云影響等處理，得到目標(biāo)區(qū)域的晴空海域數(shù)據(jù)。

4）溫度反演

熱紅外傳感器獲取的地面物體熱輻射信息與物體的溫度緊密相關(guān)，但在獲取信息同時(shí)也存在一些影響因素。為了從傳感器數(shù)據(jù)中得到準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)熱輻射信息，需要對(duì)傳感器進(jìn)行輻射校準(zhǔn)，建立起輻射值與地面絕對(duì)溫度值之間的聯(lián)系，即通過一定的技術(shù)手段消除大氣傳輸過程中的影響，建立熱紅外圖像數(shù)據(jù)與地面測(cè)量目標(biāo)溫度之間的關(guān)系?；谶@些關(guān)系模型，就可以將熱輻射信息計(jì)算成目標(biāo)物體的溫度值。

5）信息提取

在計(jì)算基準(zhǔn)溫度的基礎(chǔ)上，對(duì)溫度反演的結(jié)果進(jìn)行密度分割和彩色編碼，獲得不同溫度級(jí)別的圖像空間分布規(guī)律和統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

6）綜合分析

在上述工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合潮汐、氣象、地形等資料，將信息提取結(jié)果與數(shù)學(xué)模擬、物理模型試驗(yàn)等結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析及精度評(píng)價(jià)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 海表溫度反演算法

圖1 熱紅外遙感測(cè)量流程Fig.1 Flow chart of thermal infrared remote sensing measurement

目前，主要是通過對(duì)輻射傳輸方程求解的原理進(jìn)行遙感溫度反演。根據(jù)不同衛(wèi)星熱紅外波段遙感數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者先后提出了多種溫度反演的算法模型，根據(jù)適用的衛(wèi)星熱紅外傳感器波段數(shù)不同可以分為3 類：適用于一個(gè)波段的單通道算法、適用于兩個(gè)波段的劈窗算法和適用于多個(gè)波段的多通道算法。

針對(duì)Landsat 系列衛(wèi)星的TM/ETM 傳感器第6 波段數(shù)據(jù)，各國學(xué)者已經(jīng)開發(fā)了多種單通道算法，比較有代表性的是覃志豪等人的單窗算 法［11］和Jimenez-Munoz J.C.、Jose A.Sobrino提出的普適性單通道算法［12］，可以對(duì)歷史影像利用這些算法反演溫度場(chǎng)。目前在軌衛(wèi)星Landsat-8、HJ-1B 等熱紅外波段的溫度反演也可以參照單通道算法來進(jìn)行。

Mcmillin L.M.針對(duì)NOAA AVHRR 數(shù)據(jù)第4和第5 通道兩個(gè)熱紅外通道的特點(diǎn)，提出了一種劈窗算法，用于NOAA 衛(wèi)星海洋表面溫度的反演。Becker F.等人提出了適用NOAA9/AVHRR 的局地劈窗算法、Wan Z.M.和Dozier J.等人提出了一種可同時(shí)用于NOAA AVHRR 和MODIS 的劈窗算法。

多通道算法主要有適用于MODIS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的晝/夜算法和適用于ASTER 數(shù)據(jù)的溫度發(fā)射率分離算法（ASTER-TES）等。

3.1.1 單窗算法

覃志豪等針對(duì)Landsat 衛(wèi)星TM6 波段數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，基于輻射傳輸方程，通過估算和簡(jiǎn)化參數(shù)，推導(dǎo)出了一個(gè)簡(jiǎn)單易行并且精度較高的算法。該算法僅需要地表輻射率、大氣透過率和大氣平均作用溫度3 個(gè)參數(shù)就可以反演地表溫度。受3 個(gè)參數(shù)的估計(jì)誤差影響，反演地表溫度的精度一般可達(dá)到＜1.1 K，若參數(shù)估計(jì)誤差較小反演精度可達(dá)到＜0.4 K。單窗算法計(jì)算公式如下［11］：

式中：C6=ετ；D6=(1-τ)[ 1+(1-ε)τ]；T6為參考溫度，K；a6和b6為常量。該方法適用于衛(wèi)星傳感器只有一個(gè)熱紅外波段時(shí)的遙感數(shù)據(jù)溫度反演。

3.1.2 普適性單通道算法

單窗算法大都是適用于某一特定傳感器的熱紅外波段，Jimenez-Munoz J.C.等提出了一種具有較強(qiáng)普適性的單窗算法，這種算法在用于不同傳感器的熱紅外遙感數(shù)據(jù)時(shí)，公式形式和相關(guān)系數(shù)變動(dòng)都不大，對(duì)探空數(shù)據(jù)的依賴也較低。此算法變量主要包括通道的有效波長λ 和大氣水汽含量w 兩個(gè)參數(shù)，反演Landsat TM6 數(shù)據(jù)的精度優(yōu)于1.5 K。算法的公式如下［12］：

式中：Ts為海水表面溫度，K；Lsensor為輻射亮度，W·m-2·sr-1·μm-1；Tsensor為輻射亮度對(duì)應(yīng)的亮度溫度，K；λ為有效波長，μm；C1和C2是普朗克函數(shù)常量，C1=1.19104×108（W·μm4·m-2·sr-1），C2=1.43877×104K；X1，X2和X3是與大氣水汽含量有關(guān)的函數(shù)。

對(duì)于不同的傳感器，單通道算法的原理是相同的，但是算法中的一些經(jīng)驗(yàn)公式，如系數(shù)值的訂正、大氣透射率估算方程及大氣平均作用溫度估算方程的修訂等，需要根據(jù)不同傳感器的熱紅外波段特征重新進(jìn)行擬合。

3.2 基準(zhǔn)溫度提取

基準(zhǔn)溫度是相對(duì)于由受溫排水影響產(chǎn)生的熱異常情況而言的，是指在沒有溫排水影響的情況下，某一區(qū)域內(nèi)海水表面的平均溫度。

根據(jù)目前溫排水的監(jiān)測(cè)情況來看，基準(zhǔn)溫度的提取方法主要有以下幾種［4，13-14］：

1）最低溫度法：選擇遙感數(shù)據(jù)反演結(jié)果中溫升混合區(qū)內(nèi)的最低溫度作為基準(zhǔn)溫度。其中溫升混合區(qū)的范圍需要參考數(shù)模結(jié)果和歷史監(jiān)測(cè)資料來確定。

2）背景溫度法：對(duì)一些開放式的海灣區(qū)域，可以在核電站運(yùn)行前的歷史MODIS 和Landsat 等遙感數(shù)據(jù)中，選擇與溫排水影響區(qū)域同步變化但不受溫排水影響的區(qū)域作為基準(zhǔn)溫度的選擇區(qū)。

3）閉合海灣平均溫度法：對(duì)于閉合式的海灣，可以選擇溫排水影響范圍外的區(qū)域平均溫度作為基準(zhǔn)溫度。

4）半封閉海灣平均溫度法：對(duì)于半封閉港灣類型，如大亞灣等，可以采用扣除部分溫度影響區(qū)域然后再平均的方法。首先統(tǒng)計(jì)整個(gè)港灣范圍內(nèi)溫度的平均值，然后選擇高于此平均值1℃及1℃以上的區(qū)域進(jìn)行剔除，最后再統(tǒng)計(jì)剩余海灣區(qū)范圍海水表面的平均溫度，計(jì)算結(jié)果作為溫排水監(jiān)測(cè)區(qū)的基準(zhǔn)溫度。

5）區(qū)域替代溫度法：對(duì)于無法確定海灣分布范圍的開放式海域，如江蘇田灣核電站，由于遠(yuǎn)近海域溫度差別較大，可以選擇一片不受溫排水影響的區(qū)域，將區(qū)域平均溫度作為基準(zhǔn)溫度。

6）數(shù)模、物模溫度法：選擇開展數(shù)學(xué)模擬、物理模型計(jì)算時(shí)選擇的基準(zhǔn)溫度場(chǎng)作為遙感計(jì)算時(shí)的基準(zhǔn)溫度場(chǎng)。

不同核電站基準(zhǔn)溫度場(chǎng)的選擇標(biāo)準(zhǔn)需要依據(jù)其附近海域特點(diǎn)來定，溫排水范圍大小與背景溫度場(chǎng)的計(jì)算方法密切相關(guān)，實(shí)際應(yīng)用中可以將幾種基準(zhǔn)溫度的提取方法進(jìn)行結(jié)合。

3.3 SST 溫度反演模型

溫度反演過程中，為了驗(yàn)證和修正溫度反演中的參數(shù)，需要利用與衛(wèi)星過境、航空飛行準(zhǔn)同步的海面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立SST 定量反演模型。

海面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立模型前先剔除數(shù)據(jù)序列中的奇異點(diǎn)值（相鄰時(shí)間觀測(cè)溫度值變化量大于1 ℃），并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化整理。

然后將遙感測(cè)量數(shù)據(jù)集與現(xiàn)場(chǎng)海面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集在一定時(shí)空分辨率下進(jìn)行匹配，匹配數(shù)據(jù)對(duì)的遙感測(cè)量時(shí)間與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采樣時(shí)間差值均優(yōu)于30 min，最大限度保證匹配數(shù)據(jù)的時(shí)空分布一致性，最終得到匹配數(shù)據(jù)集。

選擇2013 年11 月25 日江蘇田灣核電站附近海域海面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與Landsat-8、HJ-1B 影像溫度反演結(jié)果，利用最小二乘法對(duì)匹配數(shù)據(jù)集進(jìn)行線性回歸擬合，檢查其相關(guān)程度，并利用擬合結(jié)果修正溫度反演中的參數(shù)值。從數(shù)據(jù)擬合結(jié)果來看，海面溫度的實(shí)測(cè)值與遙感反演值之間具有很好的線性相關(guān)性（圖2）。

4 應(yīng)用實(shí)例

圖2 Landsat-8、HJ-1B 實(shí)測(cè)值和SST 值數(shù)據(jù)擬合圖Fig.2 Fitting diagram of Landsat-8，HJ-1B measured value and SST value data

核電站周邊海域的溫度場(chǎng)受溫排水的影響，呈以溫排水入?？跒橹行?，向周圍海域遞減分布的特點(diǎn)。最高溫升值區(qū)域位于核電站排水口附近，周邊海域的溫度場(chǎng)受海水稀釋作用后溫度逐漸降低。核電站溫排水影響區(qū)域大多水深較淺，經(jīng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，海表溫度與海水溫度存在很強(qiáng)的相關(guān)性，因此海表溫度可以表征海水溫度。

利 用2013 年11 月15 日Landsat-8 和HJ-1B 遙感數(shù)據(jù)，選擇單窗算法進(jìn)行溫度反演，基于區(qū)域替代溫度法計(jì)算基準(zhǔn)溫度，進(jìn)行田灣核電站溫排水監(jiān)測(cè)（圖3）。結(jié)果表明，由核電站溫排水引起的附近海域熱異常區(qū)（大于基準(zhǔn)溫度）總面積為31.61 km2，最高溫升可達(dá)7.0 ℃，最遠(yuǎn)向東展布6.86 km。且HJ-1B 與Landsat-8的監(jiān)測(cè)結(jié)果在面積、展布規(guī)模上均一致［15］。

圖3 田灣核電站周邊海域溫度場(chǎng)遙感監(jiān)測(cè)Fig.3 Remote sensing monitoring map of temperature field in the sea area around Tianwan Nuclear Power Station

5 結(jié)論

多年來，采用航天遙感技術(shù)開展海面溫度場(chǎng)反演，通過地面同步獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，已經(jīng)形成了成熟、可靠的技術(shù)方法和流程，遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果與海面實(shí)測(cè)溫升分布情況一致，溫度反演與實(shí)測(cè)誤差小于0.5 ℃。

通過在田灣核電站溫排水影響監(jiān)測(cè)中的工程實(shí)踐和應(yīng)用研究，可以看出利用熱紅外遙感手段能獲得大面積、準(zhǔn)同步、較高精度的溫度場(chǎng)信息，是開展核電站溫排水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的最佳技術(shù)手段。遙感監(jiān)測(cè)的結(jié)果也為溫排水?dāng)?shù)學(xué)、物理模擬方法改進(jìn)提供了重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有效提高了模擬的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，為開展環(huán)境影響評(píng)價(jià)、加強(qiáng)海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。