不同空间分辨率热红外数据在近海核电厂温排水监测一致性研究

张彩，朱利，贾祥，赵利民

（1.环境保护部卫星环境应用中心，北京100094；2.中国科学院遥感与数字地球所，北京100094；3.东华理工大学，江西省南昌市330013；4.中国原子能科学研究院，北京102413）

不同空间分辨率热红外数据在近海核电厂温排水监测一致性研究

张彩1，2，3，朱利1，贾祥4，赵利民2

（1.环境保护部卫星环境应用中心，北京100094；2.中国科学院遥感与数字地球所，北京100094；3.东华理工大学，江西省南昌市330013；4.中国原子能科学研究院，北京102413）

针对近年来我国核电厂大力发展而引起的核电温排水体污染的问题，该文利用相同日期的环境一号B星（HJ－1B）红外相机与Landsat ETM＋热红外波段数据，均采用辐射传输模型法反演出大亚湾区域海表温度，通过同日期MODIS海温产品作为基准，比较HJ－1B数据、Landsat ETM＋数据温度反演的差别，在此基础上，基于同一基准温度提取方法，开展HJ－1B数据、Landsat ETM＋数据及MODIS反演结果3种不同空间分辨率数据在近海核电站温排水监测的一致性进行了分析与评价。研究表明：ETM＋数据温度反演精度高于HJ－1B结果，且更能体现高温升区监测精度；基于劈窗算法的MODIS海温反演精度更高，但不能反映温排水温升分布细节；综合考虑具有较高时间分布率和较大幅宽的HJ－1BIRS数据更能满足业务需求。

MODIS；Landsat ETM＋；HJ－1B；核电厂温排水；污水监测

1 引 言

近年来我国核电厂大力发展，核电厂安全监管越来越得到重视。相对于火电，核电热效率偏低，近2／3的热量被冷却水带走，大量高于环境水温6℃～10℃冷却水不断地排入受纳水体，对附近海域内的海洋浮游生物、鱼类、虾类、贝类种群以及渔船、养殖场等产生不同程度的危害，形成水体热污染［1－2］，对核电温排水引起的水体热污染实施动态环境监测和影响评估是具有重要意义的［3－4］。遥感具有动态连续、成本低、速度快、大面积同步观测等优点，是开展温排水监测与评价的主要途径之一［5］。Tang D L等［6］利用重访周期为1天的AVHRR热红外数据开展了大亚湾核电站温排水水污染监测，但较低的空间分辨率（空间分辨率1000m）无法准确获得温排水温升分布细节。针对以上空间分辨率的不足，有不少学者［7－9］利用Landsat系列TM／ETM热红外数据（空间分辨率分别为120m／60m）反演核电站附近海表水温，并对核电站温排水开展了有效地监测，但Landsat系列卫星重访周期为16天，并且2003年之后的ETM＋数据存在条带缺失，加上沿海区域经常性的云覆盖影响，有效数据的时间分辨率过低，难以满足核电站温排水动态监测的业务需求。自从我国于2008年9月6日成功发射了HJ－1A／B星，越来越多的学者利用环HJ－1B星上红外相机开展大亚湾、田湾等核电站温排水遥感监测［10－12］，其空间分辨率为300m，重访周期为4天，且免费获取，可以较好地满足沿海核电站温排水热污染监测的需求。对于不同空间分辨率热红外遥感数据，其近海温度反演算法精度有何差异，展示的核电厂温排水温升细节有何差异，是目前国内外研究较少涉及的。对于日常核电厂环境监测和管理而言，需要综合考虑观测频率和成像质量，选择最合适管理需求的遥感数据，这对于开展温排水遥感业务监测与评价具有重要意义。

本文选择高、中、低不同空间分辨率的卫星遥感数据源，以广东大亚湾核电基地温排水为遥感监测示范区，分别开展核电站附近海域海表温度反演和温排水温升区提取，比较分析3种不同数据源在温度场反演和温升面积提取上的异同，以期弥补目前研究空白，为基于国产自主卫星的业务化温排水监测及相关管理提供技术依据。

2 数据和方法

2.1 研究区和数据

大亚湾核电基地位于深圳市东部大亚湾畔，目前共有6台百万瓦机组（大亚湾核电站2台，岭澳核电站4台）正在投入运行。大亚湾核电基地的温排水系统采用箱涵方案，大亚湾核电站和岭澳核电站二者合一通过一个排水渠向东排放。排放口附近海域为大亚湾，其水体透明度年均为4.5m，由湾顶向湾口逐渐增大。冬季水体为相对低温高盐，夏季为高温低盐，水温变化范围在15.4℃～30.7℃之间，盐度在29.7‰～34.36‰之间，夏秋两季水温在22℃～28℃之间。大亚湾核电基地在国内最早开展核电站温排水遥感监测，国内外已经有不少相关的研究［6－12］。

本研究选取了2010年3月11日上午过境大亚湾区域的Terra MODIS、Landsat－7ETM和HJ－1B IRS数据，进行海表温度反演和温排水温升区分布的提取。3种卫星遥感数据的主要参数如表1所示。由于3种卫星过境时间为上午11：00左右，前后相差半个小时左右，可认为卫星过境时间差异对海表温度遥感反演影响较小。

表1 卫星遥感数据源及相关参数比较

2.2 海表温度反演

2.2.1 MODIS海表温度算法

本文研究MODIS温度反演采用的是MODIS二级产品（MOD28）的标准算法［13－16］。

其中，中T31和T32分别是MODIS在31和32通道的亮温，T3132是31和32通道的亮温之差，θ是观测角度，c1、c2、c3、c4为算法系数，具体取值如表2所示。

表2 MODIS海温反演算法系数表

2.2.2 基于辐射传输模型的单通道海表温度反演算法

ETM和IRS均为单通道热红外数据，本文研究利用时空插值后的NCEP大气廓线数据，结合近地面气象观测信息，基于辐射传输模式MODTRAN获得通道等效大气参数，实现对ETM和IRS热红外遥感数据的大气校正，进而获得研究区海表温度。

晴空条件下，不考虑多次散射，假设水平均匀大气，根据辐射传输模型，当地表温度为Ts时，其辐亮度L（Ts）为：

其中，Lsensor为表观辐亮度（单位：Wm－2sr－1μm－1），由卫星影像定标而得；Lup和Ldown分别为大气上、下行辐射（单位：Wm－2sr－1μm－1）；τ（θ）为大气路径的透过率，其中θ为卫星针对目标的观测天顶角；ε为地物比辐射率。以上各项均为波长λ的函数。在热红外波段，海表比辐射率ε随λ的变化比较平缓，本文用通道中心波长处的比辐射率代替；而对于ETM波段6和IRS波段4这样的宽通道，Lup、Ldown、τ3 个参量利用辐射传输模型MODTRAN（版本4.0），基于中纬度冬季大气模式，输入卫星过境时刻本地的地面气象数据和NCEP大气廓线数据，结合两个宽通道的波段响应函数f（λ），计算出调查区观测天顶角条件下的通道等效大气上行辐射、下行辐射和大气透过率，如表3所示。

其中，B（λ，Ti）为温度Ti、波长为λ（单位：μm）的黑体辐亮度，由普朗克方程计算得出；f（λ）为λ处离散化的IRS4光谱响应函数取值。利用式（2）建立温度Ti（i＝1，2，3，…，n）与Beff（Ti）的查找表，在建立查找表的过程中，Ti＋1－Ti取0.25K，Ti∈［260～320］。

表3 Landsat－7ETM和HJ1－B IRS海表温度反演参数

3 结果与讨论

3.1 IRS海表温度反演精度地面验证

2011年12月18日和22日HJ－1B红外相机过大亚湾海域前后半小时，本文开展了星地同步试验，利用温盐深测仪CTD获得了地面海表温度［17］。去除无效数据，共有153组参与精度评价。在非温排水等人为干扰区域，地面测量结果与卫星反演精度标准偏差为1.07℃，平均误差为0.23℃，如图1所示。

图1 实测SST与环境星RTM算法反演SST的关系

3.2 ETM与IRS海表温度反演精度比较

利用前述方法获得基于MODIS、ETM＋和IRS反演2010年3月11日上午11点左右大亚湾海域的海表温度，如图2所示。由图可知，MODIS、LandsatETM＋和IRS反演的海表温度变化趋势相同，从北到南温度逐渐升高，在大亚湾核电基地附近有明显温升区域；从图中可以明显看出，MODIS展示的核电温排水温升细节最差，ETM＋展示细节最好，IRS居中。

图2 基于3种遥感数据源的海表温度反演分布图

由于劈窗的设置，在相同分辨率的基础上，MODIS数据反演的海表温度的绝对精度最高，经过长期的大洋浮标数据以及船舶数据的验证表明，MODIS海温产品精度在0.053℃～0.66℃之间［16］。由于缺乏海表实测温度数据，以MODIS海温产品为参考真值［18］，分别比较ETM＋和IRS海表温度反演的精度。

在精度验证的过程中，采用了局部验证和整体验证相结合的方法，局部验证是选取相同位置的点进行比较，整体验证是用整幅影像反演结果误差分布进行比较。对于2010年3月11日的Landsat ETM＋和环境星HJ－1B影像数据，用辐射传输模型反演出海表温度，并将两幅影像取出与MODIS反演结果相同行列号的温度值进行对比，分别比较了反演SST的最大值、最小值和平均值，与MODIS反演结果比较的最大误差、最小误差和平均误差（表4）。表4中，反演结果的最大值、最小值可以看出ETM＋反演的温度范围在14℃～22℃与MODIS反演结果的15℃～21℃范围较为吻合；IRS反演结果在13℃～20℃；以MODIS反演结果为真值，Landsat ETM＋反演的平均误差为0.374℃，环境星HJ－1B反演的平均误差为0.996℃，二者反演平均误差均小于1℃。

从整体验证来看（表5），Landsat ETM＋反演结果绝对误差主要集中于小于1℃范围，分布于0℃～0.5℃的误差最多，为66.3%；环境星HJ－1B绝对误差主要集中于0.5℃到1.5℃范围，分布于0.5℃～1.0℃的误差最多，为42.5%。结合以上分析，Landsat ETM＋和环境星HJ－1B反演结果的误差都在1℃左右。利用相同的辐射传输方法，ETM＋反演的精度略高于环境星HJ－1B反演的精度。

表4 MODIS、ETM和IRS反演海表温度比较

表5 绝对误差出现频率的比较

3.3 不同空间分辨率温排水温升范围比较

文中采用前人研究的剔除核电影响的海湾平均温度法来提取大亚湾核电基地基准温度，不同数据源获得的基准温度如表6所示，可以看出虽然3种数据源的绝对温度有所不同，导致相同计算方法出来的基准温度也不同。将核电厂排水口的热污染区提取出来并划分为不同等级：水温低于基准温度（＜基准温度），水温高于基准温度不超过1℃（＜1℃）；水温高于基准温度1℃不超过2℃（＋1℃），后面依次类推，为＋2℃、＋3℃、＋4℃、＋5℃，水温高于基准温度6℃为＋6℃。按照不同温升分布获得3种不同遥感数据源的温排水温升分布图（图3、图4）。

表6 3种数据源基准温度的比较

从图3和图4可知，ETM＋监测高温区域效果最好，可以探测到1级～6级温升区，IRS居中，可以探测到1级～4级温升区，而MODIS只可探测到1级～3级温升区。由于空间分辨率的差异，ETM＋可以很好地反映出核电厂温排水排放口的各级温升的范围和边界，IRS也能反映温升的范围和细节，但监测效果稍差一些，而MODIS受混合像元影响较大，不能监测到核电厂温排水排放口的温升范围。为了更好地比较3种数据源监测温排水温升的差异，本文研究统计了不同数据源获得温升面积、比例和温升区的平均温升温度（表7）。

图3 基于3种遥感数据源的温排水温升分布图（海湾区域）

图4 基于不同遥感数据源的温排水温升分布图（排放口附近区域）

从表7中可知：①随着温升等级的增高，3种遥感数据源监测到的温升面积都在减少，说明随着温排水热扩散导致了低温升区面积最大，而高温升面积最小，且分布在排水口附近；②3种数据源获得的总温升分布面积相差不大，但分辨率越高，能监测到的温升等级越多，空间分辨率越粗，混合像元作用越明显；③比较ETM＋和IRS两种数据监测效果，前者过境时间要早后者半小时，前者温升总面积要大于后者0.463km2，但相同等级范围内两者相对温度均值基本保持一致；④在1级～4级温升区内，ETM占总温升面积95%，而IRS为100%，ETM＋和IRS监测的结果在4°温升范围内效果基本一致，而MODIS则不能满足业务监测需求。

表7 基于不同遥感数据源的温排水温升分布统计

4 结束语

本文利用3种不同空间分辨率的热红外遥感数据，反演出2010年3月11日大亚湾海域的海表温度，并利用绝对精度较高的MODIS海温产品为参考，对ETM＋和IRS海表温度反演结果进行比较，同时在相同基准温度提取方法下，比较分析了不同空间分辨率获得的大亚湾核电基地温排水温升空间分布，通过研究可初步得到以下结论：3种数据源反演的海表温度在空间分布趋势上具有一致性，ETM＋与IRS反演结果与MODIS海温产品相差1℃左右，在区域海域海表温度变化研究中是可接受的，相对而言ETM＋反演结果的精度更高。另外空间分辨率越高，监测到的温排水温升等级越多，展现的温升细节越多。相比而言，1km空间分辨率的MODIS热红外数据不适合温排水监测。从展现细节来说，60m空间分辨率的ETM＋比较适合温排水监测，且精度较高。而IRS由于具有较短的重访周期和较宽的覆盖范围，且与ETM＋监测结果差别不大，可以作为温排水监测的主要遥感数据源。下一步，还需结合更多时相的数据，开展不同季节时间点的实验数据，以增加结果的说服力。

［1］ 刘永叶，刘森林，陈晓秋.核电站温排水的热污染控制对策［J］.原子能科学技术，2009，（43）：191－196.

［2］ 於凡，张永兴.滨海核电站温排水对海洋生态系统影响的研究［J］.辐射防护通讯，2008，28（1）：1－7.

［3］ 朱晓翔，刘建琳，王凤英.核电站温排水环境影响研究方法调查评价［J］.电力科学与环保，2010，26（1）：8－10.

［4］ 李静晶，张永兴，姜子英，等.滨海核电厂热污染评价中几个问题的探讨［J］.核安全，2012，1（1）：30－34.

［5］ 李嵘.遥感技术在水环境监测中的应用研究［J］.江西化工，2005，12（4）：66－68.

［6］ TANG D L，K ESTER D R，WANG Z，et al.AVHRR satellite remote sensing and shipboard measurements of the thermal plume from the Daya Bay，nuclear pow erstation，China［J］.Remote Sensing of Environment，2003，84（4）：506－515.

［7］ 刑前国，陈楚群，施平.利用Landsat数据反演近海岸水表层温度的大气校正算法［J］.海洋学报，2007，29（3）：23－30.

［8］ 吴传庆，王桥，王文杰，等.利用TM影像监测和评价大亚湾温排水热污染［J］.中国环境监测，2006，22（3）：80－84.

［9］ 于杰，李永振，陈丕茂，等.利用LANDSAT TM6数据反演大亚湾海水表面温度［J］.国土资源遥感，2009，（3）：24－29.

［10］ 周颖，巩彩兰，匡定波，等.基于环境减灾卫星热红外波段数据研究核电厂温排水分布［J］.红外与毫米波学报，2012，31（6）：544－549.

［11］ 梁珊珊，张兵，李俊生，等.环境一号卫星热红外数据监测核电站温排水分布——以大亚湾为例［J］.遥感信息，2012，27（4）：41－46.

［12］ 朱利，吴传庆，张永军，等.基于环境一号红外相机的田湾核电站温排水遥感监测［J］.中国环境科学，2012，32（S1）：62－67.

［13］ 朱利，顾行发，王桥，等.我国东海海面温度定量遥感反演研究［J］.遥感技术与运用.2008，23（5）：495－499.

［14］ KOHTARO H，HIROSHI M.Algorithm and validation of sea surface temperature observation using MODIS sensors aboard terra and aqua in the western north pacific［J］.Journal of Oceanography，2007，（63）：267－280.

［15］ HYANGSUN H，HOONYOL L.Inter－satellite atmospheric and radiometric correction for the retrieval of Landsat sea surface temperature by using terra MODIS data［J］.Geosciences Journal，2012，16（2）：171－180.

［16］ OTIS B B，PETER J M.Modis infrared sea surface temperature algorithm theoretical basis document［EB／OL］.http：／／modis.gsfc.nasa.gov／data／dataprod／dataproducts.php？MOD＿NUMBER＝28，2004－5－6.

［17］ 朱利，赵利民，王桥，等.核电站温排水分布卫星遥感监测与验证［J］.光谱学与光谱分析，2014，34（11）：3079－3084.

［18］ 余晓磊，巫兆聪.利用环境一号卫星热红外影像反演渤海海表温度［J］.海洋技术，2011，（2）：1－6.

Consistency of Different Spatial Resolution Thermal Infrared Data in Monitoring Thermal Discharge of Nuclear Power Plant in Coastal Area

ZHANG Cai1，2，3，ZHU Li1，JIA Xiang4，ZHAO Li－min2
（1.Environmental Satellite Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing100094；2.Institute of Remote Sensing Applications，Chinese Academy of Sciences，Beijing100010；3.East China Institute of Technology，Nanchang330013；4.China Institute of Atomic Energy，Beijing102413）

The same date HJ－1Bsatellite infrared Scanner（IRS）and Landsat satellite ETM thermal infrared data were applied in inversing the sea surface temperature in Daya Bay using the single－channel radiative transfer model and the inversion temperature were compared based on the same date Terra satellite MODIS sea surface temperature product.Based on the same reference temperature extraction method，the thermal discharge and rising temperature region results were compared in MODIS，ETM and IRS data.The research showed that the ETM data，with higher temperature retrieval precision and better details in thermal discharge，were more suitable for monitoring high temperature region than IRS data.And MODIS data were not suitable for monitoring the thermal discharge details with 1000meters resolution，although MODIS data with high accuracy in sea surface temperature retrieval.HJ－1Bsatellite IRS data with high time resolution and large scanning width could best meet the thermal discharge monitoring requirements.

MODIS；Landsat ETM＋；HJ－1B；thermal discharge for nuclear power plant；sewage monitoring

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.02.012

X87

A

1000－3177（2015）138－0071－06

2014－02－26

2014－05－30

国家自然科学基金项目（41101378）；国家高分辨率对地观测重大专项（E05－Y30B02－9001－13／15－4）。

张彩（1985～），女，硕士，研究方向为定量遥感与GIS开发。

E－mail：zcguilin＠163.com

朱利（1978～），男，博士，高级工程师，主要从事水环境定量遥感研究。

E－mail：zlpinan＠163.com。