基于HJ-1B與TM熱紅外數(shù)據(jù)的大亞灣核電基地溫排水遙感監(jiān)測

許 靜 ,朱 利 ,姜 建 ,李家國 ,趙少華 ,袁 蕾 (.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 0009；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 0008；.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,天津 00222；.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 0009)

基于HJ-1B與TM熱紅外數(shù)據(jù)的大亞灣核電基地溫排水遙感監(jiān)測

許 靜1,2,朱 利1*,姜 建3,李家國4,趙少華1,袁 蕾1,2(1.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 100094；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083；3.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,天津 300222；4.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100094)

選取同天過境的Landsat5TM和HJ-1B紅外相機數(shù)據(jù),在獲取3個大氣參數(shù)后,結(jié)合輻射傳輸模型分別對大亞灣核電基地附近海域海表溫度和溫排水溫升區(qū)的分布情況進(jìn)行遙感監(jiān)測,對比結(jié)果顯示,環(huán)境衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)與 TM 數(shù)據(jù)監(jiān)測所得溫排水在空間分布上具有較高一致性,二者反演出的絕對溫度相差不超過1.1℃,相同溫升等級范圍內(nèi)的相對溫度均值也不超過0.4℃.因此,HJ-1B紅外相機可滿足核電站熱污染的監(jiān)測需求.

溫排水；核電站；HJ-1B紅外相機；TM遙感數(shù)據(jù)

近年來,核能因不會釋放溫室效應(yīng)氣體而受到高度重視.但是隨著核電站的增加,溫排水的影響也隨之而來.水溫升高會對受納水體的理化性質(zhì)、水生生物的種類、數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)以及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響[1],如降低氧氣在水中的溶解度,減少生物的多樣性,甚至導(dǎo)致水質(zhì)嚴(yán)重破壞,影響生物的生存及繁衍[2].因此,核電站溫排水的監(jiān)測和評價對水環(huán)境的生態(tài)平衡有著重要意義.目前,利用熱紅外遙感手段監(jiān)測溫排水的方法有單通道算法,分裂窗算法和多通道算法等[3].國內(nèi)不少研究采用改進(jìn)算法、多時相遙感監(jiān)測和利用不同熱紅外遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測等方法為地表溫度反演和溫排水監(jiān)測提供了大量的理論數(shù)據(jù)[4-6].國外學(xué)者不僅對溫排水的監(jiān)測做了相關(guān)研究,還分析了不同來源和位置的溫排水余熱利用途徑[7-9].陳曉秋等[10]提出借鑒國外成熟經(jīng)驗監(jiān)管混合區(qū)和建議制定符合國情的溫排放接受準(zhǔn)則和系列標(biāo)準(zhǔn).雖然國內(nèi)外利用TM和HJ-1B熱紅外數(shù)據(jù)開展溫度反演和溫排水監(jiān)測的研究很多,但利用NCEP廓線開展近海海表溫度反演的研究較少,比較不同熱紅外數(shù)據(jù)在溫排水監(jiān)測的異同鮮見報道.本文采用基于 NCEP廓線的海表溫度反演算法,研究大亞灣核電基地溫排水的溫度反演和溫排水溫升分布,旨在為未來的核電廠溫排水遙感監(jiān)測和管理提供參考.

1 研究方法

環(huán)境一號B衛(wèi)星是我國2008年發(fā)射的一顆對環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報監(jiān)測的衛(wèi)星,衛(wèi)星上搭載了一臺紅外相機(IRS)和一臺CCD相機,Landsat5衛(wèi)星是美國于 1984年發(fā)射,攜帶的傳感器有MSS和TM(表1).目前,TM數(shù)據(jù)反演地表溫度技術(shù)已成熟并成功應(yīng)用到很多領(lǐng)域,但 TM 數(shù)據(jù)時間分辨率較低導(dǎo)致監(jiān)測相同區(qū)域時 TM 有效使用數(shù)據(jù)比 IRS少很多,基于此特點,本文利用HJ-1B紅外相機的熱紅外波段反演了海表溫度,并對大亞灣核電基地溫排水進(jìn)行遙感監(jiān)測,通過與 Landsat5熱紅外波段的反演結(jié)果對比驗證了HJ-1B IRS在溫排水監(jiān)測方面的可行性,可以達(dá)到與TM相同的監(jiān)測效果.

表1 HJ-1B IRS與Landsat5TM具體參數(shù)信息Table 1 Parameters list of HJ-1B IRS and Landsat5TM data

HJ-1B IRS與Landsat5TM的熱紅外通道均為單通道設(shè)置,目前常用的單通道溫度反演算法為輻射傳輸模擬方法(RTM),普適性單通道算法(JM&S算法)及Qin單通道算法.在有準(zhǔn)實時大氣廓線條件,輻射傳輸模型方法精度更好[11].

本文中的溫度反演主要是基于輻射傳輸模型的算法,主要原理是晴空條件下,不考慮多次散射,假設(shè)水平均勻大氣,對于一定溫度 Ts,地表的黑體輻射為:

式(1)中,Lsensor(λ)為星上輻亮度(W/(m2·sr·μm)),由衛(wèi)星影像定標(biāo)而得;Lup(λ)和 Ldown(λ)分別為大氣上、下行輻射(W/(m2·sr·μm));τ(λ)為某一波段遙感器視角在觀測天頂角θ 處的大氣透過率;ε(λ)為地物比輻射率,以上各項均為波長的函數(shù).在熱紅外波段,地物比輻射率 ε(λ)隨波長的變化比較平緩,故可用通道中心波長處的比輻射率代替,本研究中的海水比輻射率確定為0.98[12];對于HJ-1B IRS和TM數(shù)據(jù),利用輻射傳輸模型 MODTRAN,輸入當(dāng)時當(dāng)?shù)氐牡孛鏆庀髷?shù)據(jù)和NCEP大氣廓線數(shù)據(jù),結(jié)合兩個紅外相機的熱紅外通道響應(yīng)函數(shù),分別獲得各自的通道大氣上行輻射、下行輻射和大氣透過率[13-14].其中, NCEP 廓線分為間隔 6h、1°×1°的時空網(wǎng)格,根據(jù)輸入的衛(wèi)星過境時間和研究區(qū)經(jīng)緯度進(jìn)行時間和空間插值,再考慮實測的地表氣象參數(shù)(濕度、氣溫、壓強等),可獲得滿足溫度反演精度要求的大氣溫濕壓廓線[14].

獲得地表輻亮度 B(λ,TS)后,可以直接利用Planck公式結(jié)合寬等效波長來計算熱紅外遙感數(shù)據(jù)所對應(yīng)的地表溫度.有效波長代替寬波段積分和波段響應(yīng)函數(shù)影響,對于較窄波段的數(shù)據(jù)而言,這種代替可能是合適的,但是對 TM/ETM+和HJ衛(wèi)星等寬波段數(shù)據(jù),這種替代可能會帶來一定誤差.本研究利用查找表的方法來提高寬通道輻射亮度向溫度轉(zhuǎn)換精度[15].

根據(jù)普朗克方程,當(dāng)?shù)乇頊囟葹門s時,對應(yīng)波長為 λ(μm)的黑體輻射為:

式中,c1=1.19014×108W/(μm4·m2·sr),c2= 14387.7K.

式(2)中λ和Ts2個變量,需先建立Ts與對應(yīng)通道等效黑體輻射 Beff(Ti)的查找表,令 Beff(Ti)=B(λ, Ts),通道等效黑體輻射Beff(Ti)算式如式(3):

式(3)中:f(λ)為通道響應(yīng)函數(shù),λ?[λmin,λmax],即通道響應(yīng)的波長區(qū)間.通過改變溫度范圍 193.15～353.15K,就可以獲得對應(yīng)通道等效輻射值,進(jìn)而獲得溫度和輻亮度轉(zhuǎn)換的查找表.通過查找表,可以把對應(yīng)寬波段的輻亮度轉(zhuǎn)換為地表溫度.

2 數(shù)據(jù)處理

表2 數(shù)據(jù)源詳細(xì)信息Table 2 Information of remote sensing data used in the research

圖1 2009-10-10TM水陸分離及云層處理結(jié)果Fig.1 Images of processing land and water separation and cloud recognition by TM data on October 10, 2009

首先,選取HJ-1B及TM影像中天氣狀況較好且過境時間大致相同的數(shù)據(jù)(表2),文中選取兩景2009年10月10日和2011年11月1日的IRS和TM影像,分別對其進(jìn)行波段合并與幾何裁剪、幾何精校正、水陸分離及去云等處理.幾何精校正在ENVI和ERDAS中進(jìn)行,并分別將兩組影像重采樣為 150m分辨率,以便統(tǒng)計結(jié)果對比.然后根據(jù)水的反射率小于陸地反射率進(jìn)行水陸分離.在處理云層時,TM 數(shù)據(jù)根據(jù)第 5波段中對水和云的不同反射敏感提取,而IRS根據(jù)第1、2波段中云層反射率大于其他地物提取(圖1).地表溫度反演結(jié)果與水陸分離和云層處理結(jié)果可獲取海表溫度.熱污染區(qū)域為核電站排水口處高于大亞灣內(nèi)平均海表溫度 1℃以上區(qū)域,將此區(qū)域內(nèi)海水溫度剔除后的大亞灣內(nèi)平均海表溫度作為基準(zhǔn)溫度.具體流程見圖2.

圖2 數(shù)據(jù)處理流程Fig.2 Flow chart of remote sensing data process

3 結(jié)果與討論

文中的基準(zhǔn)溫度是根據(jù)海灣平均法提取,即統(tǒng)計海灣內(nèi)排除核電站熱源影響區(qū)域的平均溫度作為基準(zhǔn)溫度[16].反演結(jié)果如表3,其中,平均溫度為大亞灣內(nèi)所有水體的平均海表溫度.

從IRS和TM數(shù)據(jù)反演的溫度結(jié)果來看,二者之間平均溫度和基準(zhǔn)溫度都大致相同,相差約1℃,這就驗證了IRS監(jiān)測核電站溫排水的可行性.根據(jù)溫度反演結(jié)果,將核電站熱污染區(qū)提取出來并劃分為7個等級[16],設(shè)a為水面上反演出的海表溫度與基準(zhǔn)溫度之差(單位:℃),則分布情況如表4所示.

表3 IRS與TM溫度反演結(jié)果對比(℃)Table 3 Comparisons of water temperature inversion between IRS and TM data(℃)

從圖3、圖4中可以看出,2009年10月10日IRS數(shù)據(jù)和TM數(shù)據(jù)反演出熱污染擴散形狀分布大致相同,表5中顯示,隨著熱污染溫度的降低,溫排水分布面積及所占比例越大;TM 監(jiān)測到的高于基準(zhǔn)溫度5℃以上的溫升面積大于IRS監(jiān)測到的結(jié)果;TM 數(shù)據(jù)中云的影響會使溫排水熱異常面積減少,但是相同等級范圍之內(nèi) TM 監(jiān)測到熱污染的相對溫度均值與 IRS的相對溫度均值基本一致,相差不超過0.4℃.

圖3 2009年10月10日IRS遙感監(jiān)測溫升Fig.3 Distribution of thermal pollution monitoring by IRS data on October 10, 2009

圖4 2009年10月10日TM遙感監(jiān)測溫升Fig.4 Distribution of thermal pollution monitoring by TM data on October 10, 2009

從圖5、圖6中可以看出,2011年11月1日的 IRS反演得到的熱污染結(jié)果包括 1～4級,TM數(shù)據(jù)為1～5級,這說明TM數(shù)據(jù)比IRS數(shù)據(jù)能更精確地描述熱污染分布狀況.IRS過境時間比 TM 過境時間晚約 30min(表 2),因此 IRS反演出的熱污染擴散面積大于 TM 數(shù)據(jù),但是相同等級范圍內(nèi)TM的相對溫度均值同樣與IRS基本保持一致(表 6).熱污染的高溫區(qū)內(nèi),TM 監(jiān)測的溫升面積同樣大于IRS,這主要是因為TM的空間分辨率高于IRS,但是二者1～4級面積比例均占 90%以上,所以不會對 IRS的反演結(jié)果有太大影響.

圖5 2011年11月1日IRS遙感監(jiān)測溫升Fig.5 Distribution of thermal pollution monitoring by IRS data on November 1, 2011

圖6 2011年11月1日TM遙感監(jiān)測溫升Fig.6 Distribution of thermal pollution monitoring by TM data on November 1, 2011

表4 等級范圍分布Table 4 Level range distribution

表5 2009年10月10日IRS與TM面積分布結(jié)果Table 5 The area distributions on October 10, 2009

表6 2011年11月1日IRS與TM面積分布對比Table 6 The area distributions on November 1, 2011

4 結(jié)論

4.1 TM與IRS反演所得溫排水溫度梯度方向及范圍基本一致.過境時間較晚的 IRS監(jiān)測到的溫排水面積較大,但TM對高溫區(qū)溫升面積分布的監(jiān)測更精確,而IRS與TM的熱污染分布級別主要集中在1-4級以內(nèi),相對平均海表溫度也基本保持一致,這就說明IRS可以達(dá)到與TM相同的監(jiān)測效果,但是IRS較低的空間分辨率對溫度反演有一定的局限性.

4.2 基于輻射傳輸模型的HJ-1B與TM的熱紅外波段反演的海表溫度在數(shù)值上和空間分布上一致性較高,而有較高時間分辨率和較大幅寬的HJ-1B IRS在核電站溫排水監(jiān)測及海表溫度反演研究中具有更廣闊的應(yīng)用前景,但其中基準(zhǔn)溫度的提取和更多的多時相的遙感監(jiān)測等還有待進(jìn)一步研究.

[1]金瓊貝,盛連喜,張 然.溫度對浮游動物群落的影響 [J]. 東北師大學(xué)自然科學(xué)版, 1991(4):103-111.

[2]王新蘭.熱污染的危害及管理建議 [J]. 環(huán)境保護(hù)科學(xué), 2006,32(6):69-71.

[3]甘甫平,陳偉濤,張旭教,等.熱紅外遙感反演陸地表面溫度研究進(jìn)展 [J]. 國土資源遙感, 2006,1:6-11.

[4]邢前國,陳楚群,施 平.利用Landsat數(shù)據(jù)反演近岸海水表層溫度的大氣校正算法 [J]. 海洋學(xué)報, 2007,29(3):23-30.

[5]吳傳慶,王 橋,王文杰,等.利用 TM 影像監(jiān)測和評價大亞灣溫排水熱污染 [J]. 中國環(huán)境監(jiān)測, 2006,22(3):80-84.

[6]羅菊花,張競成,黃文江,等.基于單通道算法的 HJ-1B 與Landsat5TM 地表溫度反演一致性研究 [J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2010,30(12):3285-3289.

[7]Beall S E, Yarosh, M M. Status of waste heat utilization and dual purpose plant projects [R]. Oak Ridge: Oak Ridge National Laboratory, 1973:5-33.

[8]Lanford T E. Ecological effects of thermal discharges [M].London and New York: Elsevier Applied Science, 1990:345.

[9]楊 旭,周 濤,汝小龍,等.核電廠溫排水余熱綜合利用模式研究 [J]. 電力建設(shè), 2013,34(6):56-59.

[10]陳曉秋,商照榮.核電廠環(huán)境影響審查中的溫排水問題 [J]. 核安全, 2007,2:46-50.

[11]Andrew Thomas, Deirdre Byrne, Ryan Weatherbee. Coastal sea surface temperature variability from Landsat infrared data [J].Remote Sensing of Environment, 2002,81:262-272.

[12]徐希儒.遙感物理 [M]. 北京:北京大學(xué)出版社, 2005:410.

[13]Barsi J A, Barker J L, Schott J R. An Atmospheric Correction Parameter Calculator for a Single Thermal Band Earth-Sensing Instrument [J]. IGARSS03, 2003,5:3014-3016.

[14]Barsi, J A, Schott J R, Palluconi F D, Hook. S J. Validation of a web-based atmospheric correction tool for single thermal band instruments [Z]. Earth Observing Systems X, 2005, 5882.

[15]肖 青.機載遙感數(shù)據(jù)的定量化研究 [D]. 北京:中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所, 2003.

[16]朱 利,吳傳慶,張永軍,等.基于環(huán)境一號紅外相機的田灣核電站溫排水遙感監(jiān)測研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2012,32(S1):62-67.

[17]王冠琳,熊學(xué)軍.田灣海域溫排水分布及變化規(guī)律分析 [J]. 海洋學(xué)科進(jìn)展, 2013,31(1):69-74.

[18]孫艷濤,王慧民,吳修峰.溫排水對水體生態(tài)環(huán)境影響的分析及處理 [J]. 水資源保護(hù), 2008,24(2):70-72.

[19]余小磊,巫兆聰.利用環(huán)境一號衛(wèi)星熱紅外影像反演渤海海表溫度 [J]. 海洋技術(shù), 2011,30(2):1-6.

[20]于 杰,李永振,陳丕茂,等.利用 Landsat TM6數(shù)據(jù)反演大亞灣海水表層溫度 [J]. 國土資源遙感, 2009,3:24-29.

[21]梁珊珊,張 兵,李俊生,等.環(huán)境一號衛(wèi)星熱紅外數(shù)據(jù)監(jiān)測核電站溫排水分布-以大亞灣為例 [J]. 遙感應(yīng)用, 2012,2:41-46.

致謝：本文提出的溫排水基準(zhǔn)溫度提取方法在中國科學(xué)院南海海洋研究所陳楚群研究員協(xié)助下完成,在此表示感謝.

Monitoring thermal discharge in Daya Bay plant based on thermal infrared band of HJ-1B and TM remote sensing data.

XU Jing1,2, ZHU Li1*, JIANG Jian3, LI Jia-guo4, ZHAO Shao-hua1, YUAN Lei1,2(1.Environment Satellite Center,Ministry of Environmental Protection, Beijing 100094, China；2.China University of Geosciences, Beijing 100083,China；3.China Water Resources Beifang Investigation, Design and Research Company Limited, Tianjin 300222, China；4.Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China). China Environmental Science, 2014,34(5)：1181～1186

The infrared data of TM and HJ-1B sensor on the same day were selected to monitor the distribution of surface temperature and thermal discharge in Daya Bay plant by the radiation transfer model after getting the three atmospheric parameters. The comparative results showed that there was a high consistency between the two kinds of sensors.Specifically, the absolute temperature difference of the thermal discharge inversion was less than 1.1℃, and the difference between the two average relative temperatures in the same temperature rising level was no more than 0.4℃. Therefore, the infrared satellite data of HJ-1B could meet the demand of the thermal pollution monitoring.

thermal discharge；nuclear power plant；HJ-1B infrared camera；TM data

X52

A

1000-6923(2014)05-1181-06

2013-09-18

國家自然科學(xué)基金(41101378);環(huán)境保護(hù)遙感動態(tài)監(jiān)測信息服務(wù)系統(tǒng)先期攻關(guān)(E0203/1112)

* 責(zé)任作者, 高級工程師, zlpinan@163.com

許 靜(1987-),女,山西霍州人,碩士,主要從事遙感應(yīng)用方面的研究.