無人機(jī)平臺(tái)航空遙感監(jiān)測核電站溫排水
——以遼寧省紅沿河核電站為例

王祥, 王新新, 蘇岫, 孟慶輝， 鄒德君, 伊?xí)詵|, 王林, 文世勇, 趙建華

(1.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心國家海洋局近岸海域生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116023；2.大連航天北斗科技股份有限公司，大連 116023；3.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院測量與空間信息技術(shù)研究所，大連 116023)

0 引言

目前，我國正面臨一次性能源短缺的困境，而核能是目前唯一被證實(shí)具有高熱能且不產(chǎn)生溫室效應(yīng)氣體的能源技術(shù)。《核電中長期發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》及國家能源“十三五”規(guī)劃明確了積極、穩(wěn)步推進(jìn)核電發(fā)展的主體思想。到2030年，我國預(yù)計(jì)將有超過110座核電站投入運(yùn)行，成為世界裝機(jī)容量最大的國家。核電運(yùn)行需要大量的自然水體對核反應(yīng)過程進(jìn)行冷卻，大量余熱經(jīng)循環(huán)冷卻水排入受納水體，導(dǎo)致其溫度升高，理化性質(zhì)改變，進(jìn)而影響甚至威脅水體生物群落結(jié)構(gòu)及生態(tài)系統(tǒng)。因而，加強(qiáng)對溫排水混合溫升區(qū)監(jiān)測不僅是核電運(yùn)行期間環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)的重要工作，也是保護(hù)水體生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要手段。

當(dāng)前，溫排水監(jiān)測技術(shù)主要包括衛(wèi)星遙感、載人飛機(jī)航空遙感及海面實(shí)測，而以無人機(jī)平臺(tái)搭載紅外載荷對溫排水監(jiān)測的研究還未見在文獻(xiàn)中報(bào)道。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的日益成熟，多時(shí)空分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)已投入諸多核電站的監(jiān)測研究之中[1-6]，但云覆蓋、長回訪周期及低空間分辨率等因素限制了其常態(tài)化業(yè)務(wù)監(jiān)測的靈活性和實(shí)用性；載人飛機(jī)航空遙感靈活性及空間分辨率都優(yōu)于衛(wèi)星遙感，在秦山核電站[7]及田灣核電站[8]得到了實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，但其對起降場地有特殊要求，備航手續(xù)繁瑣且成本昂貴，難以業(yè)務(wù)推廣；海面實(shí)測可提供較為精確的離散點(diǎn)狀溫度數(shù)據(jù)，卻無法同步獲取大面積面狀監(jiān)測結(jié)果。

針對上述不足，以遼寧省紅沿河核電站溫排水為研究對象，提出一種以無人機(jī)平臺(tái)搭載紅外載荷的新型航空遙感監(jiān)測方式，通過低空遙感的高空間分辨率成像及紅外載荷的實(shí)測數(shù)據(jù)訂正，尋求建立一種更加靈活、高效的溫排水監(jiān)測技術(shù)方法。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)為遼寧省紅沿河核電站，廠址位于遼寧省瓦房店市，北、西、南三面臨海，東側(cè)與陸地接壤，屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為11.0 ℃，全年平均氣壓為1 011.6 hPa。核電站一期工程建設(shè)4臺(tái)CPR1000核電機(jī)組，二期工程規(guī)劃建設(shè)2臺(tái)ACPR1000核電機(jī)組，機(jī)組采用以海水為冷卻水的直流供水系統(tǒng)。廠區(qū)周圍海域水深變化較大，等深線大體與海岸線平行，5 m等深線靠近岸邊。廠址海區(qū)屬不規(guī)則半日潮，多年平均潮差為1.33 m，平均大潮潮差為1.53 m，平均小潮潮差為1.08 m。潮流運(yùn)動(dòng)以往復(fù)流為主，漲、落潮主流向分別為東北向和西南向，附近海域水體彌散條件較好。

2 無人機(jī)航空遙感試驗(yàn)

試驗(yàn)以核電站安全環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)為準(zhǔn)則，基于熱紅外遙感技術(shù)理論，在試驗(yàn)區(qū)海洋潮汐、洋流和氣象等資料支持的前提下，制定航拍及同步走航實(shí)測作業(yè)計(jì)劃，開展無人機(jī)航空遙感測量，獲取夏季典型潮汐條件下核電站溫排水?dāng)U散信息。

2.1 無人機(jī)平臺(tái)遙感監(jiān)測系統(tǒng)

本次試驗(yàn)無人機(jī)平臺(tái)遙感監(jiān)測系統(tǒng)由無人機(jī)、穩(wěn)定云臺(tái)、紅外載荷及GPS定位和姿態(tài)記錄設(shè)備構(gòu)成，其中，無人機(jī)采用固定翼電動(dòng)無人機(jī)(型號(hào)X80)，機(jī)身底部以三軸MEMS陀螺儀和控制精度達(dá)0.04°的無刷云臺(tái)來搭載紅外鏡頭，以抑制航拍過程中載荷的傾斜與晃動(dòng)。紅外載荷采用德國Optris公司專為無人機(jī)載荷設(shè)計(jì)的短焦廣角PI640紅外熱成像儀，焦距為10.5 mm，視場角為60°×45°，工作波段為7.5～13 μm。GPS定位采用中海達(dá)BX380系列，設(shè)備安置在固定翼無人機(jī)上。紅外載荷成像姿態(tài)以固定在云臺(tái)上的雙軸高精度數(shù)顯傾角儀(型號(hào)DMI820)實(shí)時(shí)記錄，角度測量分辨率為0.001°。

2.2 航拍及同步實(shí)測數(shù)據(jù)獲取

試驗(yàn)日期為2016年6月16日，當(dāng)日附近海域天氣晴朗，航拍作業(yè)時(shí)段選取一天當(dāng)中風(fēng)力較小的7: 00 am—7: 30 am，該時(shí)段近地面氣溫為20 ℃，風(fēng)力3級(jí)，相對濕度為79%，無人機(jī)航線規(guī)劃如圖1，以黃色虛線標(biāo)識(shí)，航拍區(qū)域覆蓋部分陸地，航線平行于岸線方向，航高為200 m。

圖1 無人機(jī)航拍及同步走航航跡

海面同步進(jìn)行走航溫度測量。測量儀器為HydroLab DS5多參數(shù)水質(zhì)儀，采樣頻率為1 Hz，測量起止時(shí)間為07: 05 am—07: 38 am，歷時(shí)33 min。實(shí)測航跡如圖1綠線所示，共獲取實(shí)測數(shù)據(jù)650組。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析

1)航拍數(shù)據(jù)篩選。無人機(jī)飛行過程中，規(guī)劃航線變換處有較大的晃動(dòng)，此時(shí)成像姿態(tài)變化較大，成像質(zhì)量不佳，將此部分?jǐn)?shù)據(jù)剔除；同時(shí)，根據(jù)旁向重疊率20%要求對圖像進(jìn)行擇優(yōu)選取。選取圖像以精確到秒的時(shí)間信息與定位及姿態(tài)數(shù)據(jù)匹配，共獲取高質(zhì)量航拍數(shù)據(jù)23組。

2)廣角畸變校正。試驗(yàn)采用的紅外鏡頭為廣角鏡頭，不可避免地引起成像的“桶形畸變”(圖2)。本研究采用如圖3的同心圓修正模型，利用規(guī)則格網(wǎng)為背景，以坐標(biāo)變換和灰度校正2個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)桶形畸變的校正。前者將紅外圖像上離散整數(shù)坐標(biāo)上的灰度值按預(yù)定擬合關(guān)系進(jìn)行坐標(biāo)位置變換，后者則根據(jù)坐標(biāo)變換得到的非整數(shù)坐標(biāo)以插值方式對整個(gè)有效整數(shù)坐標(biāo)進(jìn)行灰度填充。

圖2 “桶形畸變”影像

圖3 同心圓修正模型

影像廣角畸變校正于海邊進(jìn)行。采集的熱紅外圖像成像清晰(圖4)，圖像中不同地物(包括道路、廣場和護(hù)岸等)清晰可辨。同時(shí)利用便攜式差分GPS在實(shí)地采集了多種明顯地物點(diǎn)作為比較修正的依據(jù)。

圖4 同心圓模型修正桶形畸變

分別以一次回歸和四次多項(xiàng)式來擬合桶形畸變規(guī)律，即

st(r)=-0.005 190 740r-0.943 299 1，

(1)

st(r)=0 .017 43r4-0.084 409r3+0.085 233r2-
0.047 001r+1.003 114

(2)

式中：r為原始成像中各點(diǎn)位至光心的徑向距離；st(r)為畸變校正后點(diǎn)位至光心的徑向距離。依據(jù)實(shí)測GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行校正結(jié)果的比較，如表1所示。

表1 影像畸變校正結(jié)果比對

由表1可知，四次多項(xiàng)式擬合影像畸變效果較好，整體偏差控制在0.003以下。

3)無人機(jī)航拍影像數(shù)據(jù)幾何糾正。試驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)后處理(post processing kinetic，PPK)差分定位技術(shù)進(jìn)行GPS定位信息的后處理，在20 Hz采樣頻率條件下，預(yù)設(shè)觀測區(qū)域航線上數(shù)據(jù)均能夠達(dá)到固定解條件，POS數(shù)據(jù)定位精度可達(dá)cm級(jí)，部分浮動(dòng)解或單點(diǎn)解存在于航線變換拐彎處，超出預(yù)設(shè)觀測區(qū)域范圍，因而不予考慮。因海面無法布設(shè)像控點(diǎn)，在無地面控制點(diǎn)的情況下，將POS參數(shù)直接作為影像外方位元素，通過共線條件方程和間接法進(jìn)行影像糾正，將存在幾何變形的無人機(jī)遙感影像平面變換至大地水平面，實(shí)現(xiàn)對預(yù)處理后無人機(jī)航拍影像的幾何糾正。

4)水體表面溫度信息獲取。對同步獲取的實(shí)測數(shù)據(jù)及航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的時(shí)空匹配，時(shí)間及空間匹配尺度分別設(shè)定為±1 s和1個(gè)像元，共獲取匹配數(shù)據(jù)552對。對比走航實(shí)測水體溫度和航拍紅外溫度數(shù)據(jù)，兩者存在穩(wěn)定的線性關(guān)系，在進(jìn)行航拍影像溫度標(biāo)定時(shí)，以走航數(shù)據(jù)采集時(shí)間為序，利用隨機(jī)選取的一半數(shù)量的匹配數(shù)據(jù)對建立航拍紅外溫度值和船測溫度值一一對應(yīng)的映射關(guān)系。而后，依據(jù)前述線性關(guān)系以回歸擬合方式獲取模型參數(shù)，如圖5，進(jìn)而用于紅外載荷數(shù)據(jù)的溫度標(biāo)定，獲取水體表面溫度信息。

3 試驗(yàn)結(jié)果及精度驗(yàn)證

排水口處航拍影像熱擴(kuò)散信息專題圖見圖6。

圖6 熱擴(kuò)散專題圖

由圖6可見，航拍成像結(jié)果信息豐富，細(xì)節(jié)展現(xiàn)度高，排水口處高溫水流條帶狀沖刷信息清晰可辨，邊緣處混合溫升區(qū)溫度漸變層次分明。溫排水自冷卻池經(jīng)排水渠流向外側(cè)開闊海域，排水口處水體溫度達(dá)到近25 ℃，相比邊緣區(qū)域水體溫度高出近10 ℃，高溫冷卻水沿排水口離岸方向呈扇形延伸。隨著水體的擴(kuò)散，冷熱水體混合加劇，水體溫度隨之降低，在200 m以外混合區(qū)水溫降至約21 ℃。同時(shí)，排水口附近有沿水流方向的異常低溫水流條帶，經(jīng)現(xiàn)場勘察分析發(fā)現(xiàn)，異常低溫水流條帶是由冷卻水傾倒形成的泡沫，并夾雜高溫加熱的水中有機(jī)物質(zhì)(大多為藻類)形成的漂浮泡沫條帶，因其與水體發(fā)射率不同，導(dǎo)致熱紅外圖像上呈現(xiàn)不同的溫度。排水口兩側(cè)低溫區(qū)域分別為航拍入境的水泥質(zhì)壩基，因拍攝時(shí)間為早晨，太陽光輻射加熱作用較弱，其溫度明顯低于水體溫度，但在中午前后，太陽輻射強(qiáng)烈，水泥質(zhì)壩基增溫強(qiáng)烈，溫度明顯高于水體。

基于建模剩余的另一半匹配數(shù)據(jù)進(jìn)行無人機(jī)反演水體表面溫度的精度驗(yàn)證，采用平均絕對誤差(即試驗(yàn)結(jié)果值與現(xiàn)場實(shí)測值差值的絕對值)驗(yàn)證精度，即

(3)

圖7 無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證

由圖7可知，平均絕對誤差為0.4 ℃，最小絕對誤差為0.1 ℃，最大絕對誤差為0.8 ℃。進(jìn)一步分析圖5可見，大致以20 ℃為界，高于20 ℃區(qū)域呈現(xiàn)走航實(shí)測溫度整體略高于無人機(jī)航拍反演溫度的特點(diǎn)，即“體溫”高于“皮溫”，且溫度越高二者差異越大；而在低于20 ℃區(qū)域則呈現(xiàn)出相反的趨勢，“皮溫”略高于“體溫”，且隨著溫度的降低二者差異增加，造成該現(xiàn)象的主要原因是海-氣界面的熱量交換[9-10]。當(dāng)日航拍試驗(yàn)期間，近地面氣溫為20 ℃，在靠近溫排水口附近水域，大量高溫循環(huán)冷卻水排出，于排水口處形成一定范圍的高溫水體，此時(shí)海-氣界面未達(dá)到熱平衡狀態(tài)，存在由水體向大氣的熱輸送，導(dǎo)致該溫度區(qū)間呈現(xiàn)“體溫”高于“皮溫”的現(xiàn)象。隨著循環(huán)冷卻水的擴(kuò)散、混合，一定區(qū)域內(nèi)海-氣界面達(dá)到熱平衡，此時(shí)海水再吸收太陽短波輻射能量而形成薄的增溫水層，從而造成“皮溫”高于“體溫”。

4 結(jié)論

本研究采用無人機(jī)搭載紅外載荷方式對遼寧省紅沿河核電站溫排水海域的溫度場分布狀況進(jìn)行監(jiān)測，利用同心圓模型及PPK差分定位技術(shù)分別完成了成像過程中的廣角畸變校正及影像的幾何定位，解決了大視角成像中邊緣區(qū)域的畸變校正及海上航拍無法布設(shè)像控點(diǎn)的難題，并以同步走航實(shí)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)熱紅外遙感中大氣噪聲的剔除。結(jié)果顯示：相較于現(xiàn)有監(jiān)測手段，無人機(jī)平臺(tái)航空遙感監(jiān)測系統(tǒng)更具靈活機(jī)動(dòng)性。航拍監(jiān)測結(jié)果平均絕對誤差可較好地控制在0.4 ℃以內(nèi)，說明該方法可以作為核電站溫排水常態(tài)化監(jiān)測手段，服務(wù)于核電站管理及環(huán)境影響評價(jià)。

同時(shí)，研究中也發(fā)現(xiàn)，受制于無人機(jī)載荷重量的限制，現(xiàn)有熱紅外無人機(jī)載荷均不具備黑體來實(shí)時(shí)跟蹤和校正設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行引起的溫度漂移。顯然，這在大區(qū)域和長航時(shí)觀測項(xiàng)目中必然引起精度的損失，故需要相關(guān)研究學(xué)者在觀測技術(shù)方法或者載荷設(shè)備的研制方面做進(jìn)一步的努力。可以預(yù)見，伴隨著多光譜及高光譜設(shè)備的小型化，無人機(jī)遙感技術(shù)在陸地以及海洋監(jiān)測中的應(yīng)用將更加多元化和精細(xì)化。