核电厂规划限制区遥感监查方法初探

孙中平，贾 祥，姜 俊，曹 飞，王昌佐

(1．北京师范大学地理学与遥感科学学院遥感科学国家重点实验室，北京100875;2．环境保护部卫星环境应用

中心，北京100094;3．中国原子能科学研究院，北京102413;4．环境保护部核电安全监管司，北京100035)

目前，我国核电发展进入体系化、规模化的新时期，已经成为全球核电发展的重心之一。经过20多年的建设，我国核电事业得到了长足的发展，目前我国建成发电的核电机组有15台，在建核电机组有30台［1］。由于核电厂对地方经济的拉动作用，部分核电厂规划限制区人口机械增长明显［2］，也存在化工厂等固定危险源建设问题，核电厂规划限制区的发展与限制矛盾日趋突出。目前，由于人员和经费的限制，各级部门对核电厂规划限制区的管理工作难以有效开展。如何有效地管理核电厂规划限制区，使之不妨碍应急防护措施的有效实施，保证核电厂运行安全，是我国核电厂面临的一个挑战。

遥感技术具有快速、连续、精度高、覆盖范围广等优越性特点，在土地利用变化监测与管理中发挥了重要作用［3-4］。20世纪90年代以来，国际原子能机构(IAEA)组织开展了基于卫星遥感技术的核设施监测研究与应用工作［5］，以便掌握和了解各成员国未申报或可疑的秘密核活动［6］，Vatsavai等采用地理空间影像挖掘技术初步构建了核设施监测工作基本框架［7］。2009年以来，环境保护部卫星中心利用环境一号卫星和其他卫星数据，每半年对我国所有拟建和在建核电项目预选或建设厂址进行遥感监测，形成监测报告并上报环境保护部，为核电项目监管提供了有力支持，有效地遏制了未批先建或违规建设现象。国内学者也对核电厂规划限制区监管存在的问题进行了研究［2，8］，但是，有关核电厂规划限制区监查方法的研究成果鲜见发表，尚未形成一套完整和可行的技术方法。本研究面向核电厂规划限制区管理，选择秦山核电基地作为研究区，以中、高分辨率卫星影像为主要数据源，在构建遥感监查分类体系的基础上，初步构建了一套核电厂规划限制区遥感监查技术方法，以期为核电厂限制区管理工作提供技术支持。

一、规划限制区遥感监查方法

1．规划限制区遥感监查分类体系构建

依照《中华人民共和国放射性污染防治法》《核动力厂环境辐射防护规定》(GB 6249—2011)及《浙江省核电厂辐射环境保护条例》等法规和标准，核电厂规划限制区管理主要包括两个方面:一是限制影响核电厂应急计划实施的设施新建与扩建，如大型的工业和民用设施、大型的医院和监狱等，用以限制人口大规模地机械增长，从而保证应急计划实施的可行性;二是限制可能影响核电厂安全运行的设施建设，如化工厂、炼油厂等可能引发重大外部事件的设施，以防止这些设施在事故条件下影响核电厂的安全运行［8］。

本文根据核电厂规划限制区管理的主要内容，结合中、高空间分辨率卫星影像数据的信息量与地物可分性，参考《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2007)，构建规划限制区遥感监查土地利用分类体系(见表1)，并初步确定主要监查对象。

2．规划限制区遥感监查技术流程

核电厂规划限制区遥感监查以30 m空间分辨率的中分辨率影像、2 m高分辨率影像为主要数据源，并辅以行政区划图、规划限制区图、DEM等辅助数据。

表1 核电厂规划限制区遥感监查分类体系

通过遥感影像几何校正、掩膜、影像融合等处理步骤，生成研究区范围内的正射影像图。利用面向对象分类和人工目视解译相结合的方法，生成两期遥感监查土地利用分类图，通过叠加对比分析，生成核电厂规划限制区遥感监查分类变化图。

针对变化区域，利用近期高分辨率卫星影像，结合分类体系，辅以监查对象解译标志，提取规划限制区遥感监查对象分布图。通过现场核查，核实提取的土地利用类型变化区域，最终形成核电厂规划限制区遥感监查报告，为国家、地方政府提供数据支持。核电厂规划限制区遥感监查技术流程如图1所示。

图1 核电站规划限制区遥感监查技术流程

二、研究区概况及数据源

1．研究区概况

秦山核电基地位于浙江省嘉兴市海盐县秦山街道，是我国第1座一址多堆、多堆型的核电基地。自1991年第1台机组并网发电以来，经过20年的建设，目前基地正在运行的有3座核电厂(秦山核电厂、秦山第二核电厂和秦山第三核电厂)，7台机组(5台压水堆和2台重水堆机组)，发电能力达430万kW［9］，另外，还有2台百万千瓦级压水堆机组在建。秦山核电基规划限制区以各座反应堆分别界定5 km的外包路线为统一的规划限制区进行设置，主要位于秦山街道境内，少部分在武原街道、澉浦镇境内(如图2所示)。秦山核电基地机组的建设和运营不断带动当地经济的快速发展，规划限制区的发展与限制矛盾日益突出。

图2 秦山核电基地及规划限制区

2．数据情况

由于秦山核电基地并网发电前缺乏高分辨率遥感影像覆盖，本研究所采用的基期遥感影像为LandsatTM影像，轨道号为118/39，空间分辨率为30 m，获取时间为1990年6月11日。用于对比分析的遥感影像为环境一号B星CCD影像，轨道号为451/80，空间分辨率为30 m，获取时间为2012年5月6日。为了实现多源遥感影像的优势互补，通过融合处理得到既有高空间分辨率又有高光谱分辨率的遥感影像，高分遥感影像数据采用资源三号全色和多光谱两种数据:正视NAD数据，轨道号为880/149，空间分辨率为2．1 m，获取时间为2012年6月18日;多光谱MUX数据，轨道号为881/149，分辨率为5．8 m，获取时间为2012年11月11日。所选遥感影像纹理清晰，研究区域云量极少，含云量均不超过5%。两期中分辨率遥感影像的获取时相、空间分辨率、光谱波段基本一致，便于变化信息提取。

三、数据处理与分析

1．遥感影像预处理

本研究首先利用比例尺为1∶50 000的DEM数据对所选遥感影像进行几何精校正，校正时均方根误差控制在0．5个像元内。基于秦山核电基地规划区边界，对精校正后的遥感影像进行掩膜处理，并对影像进行增强处理，得到研究区影像数据。考虑到研究区海盐县秦山街道地势比较平坦，地类相对简单，采用HIS变换方法［10］，对两景资源三号高分辨率遥感影像进行了融合处理，形成高分遥感融合影像，融合后影像特征得以加强，影像可识别度大大提高。数据预处理工作均基于ERDAS2010进行。利用已有高分辨率遥感影像，结合有关文件资料，对核电厂规划限制区主要监查对象遥感影像图形结构、纹理特征进行了分析研究，构建了监查对象解译标志库。

2．分类及变化提取

传统的基于像素的遥感影像分类方法以像素作为识别的基本单元，仅能够利用影像的光谱信息，信息提取精度比较低［11］。为了充分利用遥感影像的光谱、纹理、形状、上下文等信息，本研究采用Sun Z P［12］提出的面向对象的分类方法，在基于eCognition 8．0软件进行面向对象信息提取的基础上，后期加入人工判读，得到两期遥感监查分类结果。利用ArcGIS 10．0软件，对两者进行叠加分析，提取生成研究区土地利用变化信息，生成秦山核电基地规划限制区遥感监查分类变化图(如图3所示)。

图3 秦山核电基地规划限制区遥感监查分类变化

3．精度评价

遥感图像的分类精度验证与评价一般通过专家判读及外业调查等手段获取地块的实际属性，并以此为依据，对识别结果进行检验和评价。本研究采用目前较常用的混淆矩阵(confusion matrix)法进行分类精度验证，精度评价指标包括总体精度、用户精度、生产者精度和Kappa系数等。本研究采用的资源三号多光谱融合影像，其空间分辨率较高，可以直接在影像上解译，采用简单随机抽样法在分类结果上选择300个测试样本，通过人工判读获取地物的信息，作为参考数据对分类结果进行精度评价。精度评价结果见表2。

从精度评价表可以看出，总体精度为89．67%，Kappa系数为0．85，说明研究区整体分类效果较好。

表2 分类精度评价结果

4．遥感监查对象变化信息提取

为减少工作量，提高遥感监查精度，本研究仅针对变化区域进行遥感监查对象识别。将核电厂规划限制区遥感监查分类变化图和现势高分辨率遥感融合影像进行叠加，依据监查对象解译标志库，结合土地利用类型，进行人工判读目视解译，得到规划限制区遥感监查对象分布图。以地面现场核查数据为依据，对监查对象变化信息提取精度进行核实，尽可能地减少错提、漏提分类变化和监查对象分布信息，从而确保提取信息空间位置和属性的准确性。

5．监查结果与分析

1990—2012年，秦山核电基地规划限制区整体土地利用格局基本不变，占地面积由大到小依次为耕地、住宅用地、水域、林草地、工矿用地、交通用地、公共用地，其中耕地比重最大，超过一半。研究变化的22年间，耕地、住宅用地和林草地面积有所下降，而工矿用地和交通用地显著增长，分别增长4．1倍和1．2倍(见表3)。

表3 秦山核电基地规划限制区遥感监查分类面积及其变化统计 hm2

1990—2012年，秦山核电基地规划限制区主要监查对象共新增或扩建了38处(见表4)，包括中型企业、中型生活居住区、医院、学校、政府机关，以及化工厂、采石厂、加油站和港口码头等。经过整理、统计，构建形成规划限制区监查对象信息库，提供准确的空间定位和信息统计，为规划限制区管理提供较好的数据支持。

表4 秦山核电基地规划限制区遥感监查对象信息统计

总的来说，虽然秦山核电基地目前已有较大的发展，其规划限制区范围内的经济发展仍得到了一定控制，至今仍未产生万人以上的城镇，人口增长得到了控制，也不存在大型企业，交通条件得到了很大的改善。规划限制区的人口分布和生产企业分布能满足基地实施核事故应急措施的要求，不存在执行场外应急计划不可克服的条件。但也存在一些问题可能影响核电厂安全及核应急工作的有效实施，如随着工业的快速发展，特别是纺织服装等劳动密集型企业的增长，外来人口增加明显;限制区内存在化工厂、采石厂等固定危险源，在一定程度上影响核电厂的安全稳定运行。

四、结 论

研究结果表明，利用卫星遥感影像，提取核电厂规划限制区监查对象变化信息是可行的，能够达到预期的结果，可以为核电厂规划限制区管理提供有效的数据支撑。受高分辨率遥感数据覆盖所限，研究用的两期对比影像分辨率为30 m，分辨率较低，对于更详细的地物特征不容易反映出来，导致分类的结果不尽详细，存在加油站等较小地物漏判的现象，从而使监查的精度受影响。

近几年，资源一号02C、资源三号、高分一号等国产高分辨率遥感卫星相继发射，形成了稳定、高分辨率、高重访周期的卫星数据资源，这为核电安全遥感监测范围从核电厂址扩展到核电厂周围规划限制区提供了数据保障。全部应用多时相高分辨遥感影像后，会大大提高影像的识别精度，同时可直接通过基于对象的变化检测方法来提取变化，将会进一步减轻工作量，提高精度。但目前尚无统一的分割精度评价标准，如何合理地选取最优分割尺度需要进一步深入研究［13］。另外，监查对象的分级标准特别是重点监查对象的内涵和规模也需要进一步的研究确定。

［1］ 王中堂．落实《核安全规划》持续提高核电厂安全水平［J］．环境保护，2013，41(3-4):27-29．

［2］ 曲静原．如何保证核电厂的环境安全［J］．环境保护，2011(6):28-31．

［3］ 孙中平，魏斌，申文明，等．环境一号卫星数据产品共享机制研究［J］．中国工程科学，2011，13(3):38-44．

［4］ 刘锐，陈毓龄．RS和GIS技术在土地利用动态监测中的应用［J］．测绘通报，2011(5):76-79．

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