Landsat-8和HJ-1B熱紅外數據海面溫度監測效果研究

石海崗 梁春利 董雙發 張春雷 張建永

（核工業航測遙感中心，河北 石家莊 050002）

Landsat-8和HJ-1B熱紅外數據海面溫度監測效果研究

石海崗 梁春利 董雙發 張春雷 張建永

（核工業航測遙感中心，河北 石家莊 050002）

依據2013年11月15日過境的Landsat-8和HJ-1B熱紅外遙感數據，分別采用輻射傳輸方程法和單窗算法對田灣核電基地附近海域溫度分布情況進行了遙感監測，利用海面實測數據驗證了監測結果的可靠性，對比分析了監測結果的一致性。研究結果表明，Landsat-8和HJ-1B遙感數據應用于海溫監測方面二者兼用效果更好。

Landsat-8；HJ-1B；溫度反演；一致性；遙感監測

一、引言

隨著核電站的建設，核電機組排放的大量溫排水對周圍水域環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，另一方面則會引起局部水域的溫度升高并對受納水體的理化性質、水生生物及生態環境產生影響[1-2]，因此，核電站溫排水的監測評價對研究水環境生態平衡有著重要意義[3]。目前，熱紅外遙感技術因其同步性、周期性和經濟性已成為海溫監測有效的調查手段[4-5]。

熱紅外遙感數據常用的數據源有Landsat系列衛星（5/7/8）和環境衛星（HJ-1B）。國內外學者針對這些數據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用于海溫監測中[9-14]，但目前罕有報道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，現階段核電溫排水影響海域面積約50平方公里。根據田灣核電區同日過境的HJ-1B和Landsat-8熱紅外數據，對海域溫排水進行溫度反演，分析研究二者監測效果，評價不同傳感器在海面溫度監測方面的可靠性和一致性，旨在為核電溫排水遙感監測手段提供參考。

二、數據源及預處理

2.1 數據源

選用田灣核電附近海域的遙感數據源為：2013年11月15日的Landsat-8 數據和HJ-1B數據（包括海面同步實測數據）。

Landsat-8是由美國地質調查局及太空署發射的最新的陸地衛星，衛星上攜帶有OLI和TIRS兩個主要載荷[15]。HJ-1B衛星是我國自行研制的環境與災害監測預報小衛星星座的重要組成之一，有效載荷為兩臺寬覆蓋多光譜可見光相機(CCD)和一臺紅外相機(IRS)。詳細情況見表1。

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2.2 數據預處理

溫度反演前，首先對HJ-1B和Landsat-8影像進行幾何校正，然后將田灣核電附近海域從兩組影像上裁剪下來并進行重采樣，以便對統計結果對比分析。在此之后，根據水的反射率小于陸地反射率的特點進行水陸分離處理。

三、溫度反演

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

HJ-1B IRS只有一個熱紅外波段，其光譜范圍(10.412.5μm）非常接近。針對HJ-1B數據熱紅外單通道設置特點，利用覃12.5μm)與TM6（10.5志豪提出的單窗算法進行溫度反演[7]，并根據實際的波譜響應函數的差異對參數進行修訂[18]。

3.1 Landsat-8 TIRS海面溫度反演

衛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、地面的真實輻射亮度經過大氣層之后到達衛星傳感器的能量組成。公式如下：

輻射定標主要是指將傳感器觀測到的圖像灰度值轉換成輻射亮度值的過程。定標系數可以直接從元數據中獲取。定標公式：

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及物理性質有關。本次研究反演主要針對海面進行，比輻射率變化不大，接近于黑體，可以取定值0.995。

3.其他參數的獲取

大氣上行輻射、大氣下行輻射、透射率等參數都與大氣作用有關。輻射傳輸法可以消除大氣的影響，本次研究根據美國國家環境預測中心提供的標準大氣剖面，結合MODTRAN4.0模塊建立的大氣校正模型進行大氣校正[19-20]。根據衛星過境時刻的氣壓，地表溫度，相對濕度，影像時間以及中心經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數據海面溫度反演

單窗算法考慮了大氣對輻射傳輸的影響，是一種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HJ-1B熱紅外波段本身的光譜響應度，通過模擬大氣水汽含量在0.1-5.0g/cm2區間內變化情況，建立了水汽含量與大氣透射率之間的關系式：

目前水汽反演算法主要是依據近紅外譜段內的水汽吸收差異進行計算的。由于MODIS的第2和19波段對大氣水汽吸收差異較大，且Terra/MODIS的過境時間和HJ-1B衛星相近，水汽反演按照陳青蓮等使用的MODIS成熟算法[21]，反演同地區時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。由于衛星過境時的時間很短，一般情況下很難實施實時大氣剖面數據和大氣狀態的直接觀測，針對環境衛星的熱紅外波段的光譜響應特點，對其進行參數調整，將中緯度冬季大氣等效溫度與大氣地面溫度T0表示為如下線性關系：

基于以上的算法利用ENVI+IDL進行波段運算，獲得海面的溫度場如圖1所示。

3.3 度反演結果

根據兩種傳感器獲取的溫度場分布情況，獲取到各個參數如表2所示。其中，平均溫度為核電周邊海域內所有水體的平均海面溫度。

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四、結果與分析

4.1 海面溫度監測可靠性分析

為了驗證結果的可靠性，在衛星過境時間進行海面溫度測量。將反演海面溫度值（SST）與實測溫度值使用最小二乘法進行擬合[22-23]。探討Landsat-8和HJ-1B數據反演的SST和海面實測值之間的回歸關系，擬合結果如圖2所示

Landsat-8反演獲得的SST值與實測數據擬合關系式為擬合后回歸系數的平方值達到了0.9601，標準誤差為0.37；反演獲得的SST值與實測數據擬合關系式為擬合后回歸系數的平方值達到了0.9649，標準誤差僅為0.2。

數據擬合結果表明海面實測值與Landsat-8反演的SST值和HJ-1B數據反演的SST值之間線性特征均非常明顯，具有很好的線性相關性。從線性關系的程度上可以反映出溫度反演方法獲得的溫度場數據是準確可信的，海面溫度監測結果是可靠的。

4.2 海面溫度監測結果一致性分析

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

根據熱紅外溫度場數據（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，到達本底溫度區后，溫度穩定，再向外海延伸溫度逐漸升高。結合表2溫度場最大值、最小值結果，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。

溫排水影響區域為核電站排水口處高于周邊海域本底溫度0.1℃以上區域。以連島北部的海水溫度為基準值，綜合考慮周邊海域（溫排水影響區域剔除后海域）平均海面溫度作為本底溫度。提取核電站熱影響區，劃分為10個等級并分別進行編碼（見圖3），分類統計各個等級的面積，獲得HJ-1B IRS與Landsat8 TIRS溫升面積對比圖（見圖4）。

通過圖1、圖3、圖4可以看出，2013年11月15日IRS數據和TIRS數據反演出熱影響擴散形狀分布大致相同，溫度范圍也基本相似，各級別的溫升區面積差別不大；由于空間分辨率的關系，Landsat8可以反映更為精細的溫度場邊緣，監測到最高的溫升級別高于本底溫度7℃，大于IRS最高6℃的溫升級別，這說明TIRS數據比IRS 數據可以更準確地描述溫排水對周邊海域熱影響的分布狀況；溫升面積的統計信息顯示，6℃以上的溫升面積僅占總面積的2%左右，即這兩種數據反映的溫排水對環境的熱影響主要集中在前8個級別（占總面積的97%以上），因此，IRS可以達到與Landsat-8 TIRS相同的監測效果，也就是說兩種傳感器對核電溫排水影響區域監測結果也是一致的。

五、結論

1、通過對Landsat-8 TIRS與HJ-1BIRS溫度場反演結果、溫升編碼圖比較以及實測數據擬合，HJ-1B與Landsat-8熱紅外波段在海面溫度監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℃級以內IRS與TIRS的熱影響分布級別基本一致，TIRS對高溫區溫升面積分布的監測更精確，空間分辨率較低的IRS數據對溫度反演相對局限。鑒于兩種數據在空間分辨率和時間分辨率上各有所長，可以相互補充，在海溫監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應用先進個人

關宗江（河北省地球物理勘查院）

王 乾（中國冶金地質總局地球物理勘查院）

武淑瑤（河北恒華信息技術有限公司）

王 琳（河北省國土資源利用規劃院）

林亞衛（河北地礦局水文工程地質勘查院）

徐雯佳（河北地礦局水文工程地質勘查院）

楊 斌（河北省遙感中心）

王向前（中國電子科技集團公司第五十四研究所）

陳金勇（中國電子科技集團公司第五十四研究所）

帥 通（中國電子科技集團公司第五十四研究所）

張 恩（核工業航測遙感中心）

聞彩煥（河北省地質測繪院）

封 哲（河北省環境監測中心）

賀軍亮（石家莊學院）

張 巖（河北省林業調查規劃設計院）

金永濤（北華航天工業學院）

劉揚正（河北省遙感應用協會）

趙春雷（河北省氣象科學研究所）

蔡淑紅（河北省農業技術推廣總站）

許 寧（河北省農業技術推廣總站）

王 淼（河北省農業技術推廣總站）