热红外遥感技术在核电站温排水监测中的应用

张建永，梁春利，石海岗，张春雷，程旭

（1.核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002；2.河北省航空探测与遥感技术重点实验室，河北 石家庄 050002）

随着海洋开发利用活动的不断加剧，近海的资源和生态环境受到了较大的破坏，海洋环境质量不断恶化［1］。海洋表面温度（Sea Surface Temperature，SST）是指海洋水体表层0.5 m 以内的海水温度，是海洋表面水汽和热量交换的一个重要物理参量，对研究海洋的生态、环境和生物地球化学等具有重要意义［2-3］。

近年来我国核电事业发展迅速，目前运行的核电站均采用海水作为冷却用水，约2/3 的能量以余热的方式经冷却水进入海洋环境，造成排放口及其附近区域海水温度升高，形成热污染［4］，即温排水。目前近岸水体热污染已成为备受关注的环境问题之一［5］。

核电站冷却水对附近海域温度场的影响，不仅与冷却水的排放量、排放时间有关，还与核电站附近海域的潮汐状况、海域地形、洋流等海洋环境特征有关，需要通过技术手段对核电站近海岸温度场进行监测，清楚掌握核电站温排水的影响情况［6］。

对核电站温排水的监测可以采用现场观测方法、数值模拟、物理模型试验和热红外遥感监测等方法。传统实地测量的方法、数值模拟与物理模型试验只能获取有限站点的海面温度值，对海面温度场变化的情况难以准确计算，而且不能实时、持续、动态监测，无法满足大面积、实时监测的需要。遥感技术可以大面积重复观测海洋表面，为反演海表温度提供了便利［7-9］。

本文以我国环境一号B 星（HJ-1B）和Landsat 系列卫星热红外波段影像为数据源，以田湾核电站为例，开展核电站温排水遥感监测及数据分析，讨论热红外遥感技术在核电站周边海域海水表面温度监测中的应用。

1 热红外遥感测量理论基础

黑体辐射理论表明，自然界中一切物体只要其温度大于绝对零度，都可以辐射红外线，因此我们可以利用探测仪器测定目标辐射的红外线，获得不同物体的表面温度分布图像。

根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律，黑体的辐射力和热力学温度四次方成正比。这个特性可以表示为：

式中：M为物体表面总辐射出射度，wm－2；σ=5.6697 × 10-8(Wm-2Sr-K-4)；T为物体表面温度，K。

由此可知，物体表面的温度与其热辐射能量大小相关，物体发出的能量是随着T4变化的，所以当温度升高时辐射能量会以指数形式快速增大。因此，测量物体表面的辐射能量就能计算得到其表面温度。遥感测温就是利用的这种方法。

根据普朗克辐射法则，理想黑体的光谱辐射亮度是其热力学温度和波长的函数［10］，物体的光谱辐射能可以表示为如下公式：

式中：λ为波长，μm；Lλ为波谱辐射能，W·m-2·sr-1·μm-1；ελ为波谱比辐射率；T为物体的温度，K；Bλ为黑体（ε=1）的波谱辐射能，W·m-2·sr-1·μm-1。

由普朗克辐射法则可知：

式中：C1=1.19104×108（W·μm4·m-2·sr-1）；C2=1.43877×104K。

对于任一温度，根据维恩位移定律可知，黑体的波谱辐射能在波长λmax 处最大。

同时，基于辐射传输理论和遥感测量传输过程可知，波长8～14 μm是热红外线的“大气窗口”，因此人们利用热辐射的这个特点来测量物体的温度，获取物体表面的热辐射分布图像。

2 热红外遥感测量技术流程

利用热红外遥感技术进行温排水测量，主要包括以下6 个步骤（图1）：

1）遥感数据获取

该步骤是指利用航天卫星、航空机载热红外传感器，获取目标物体的热红外信息，并将其转化为温度图像的过程。常用的卫星传感器 有Terra 卫星的MODIS 和Aster、Landsat-5 的TM、Landsat-7 的ETM、Landsat-8 的TIRS、HJ-1B 的IRS 等，常用的机载热红外仪有MAMS 系统、美国Argon ST 公司的双波段扫描仪、ITRES公司的TABI 1800 机载宽阵列宽波段热成像仪等。

2）潮汐、气象、地形等资料分析

海水温度场的分布受海水深度、水流方向、潮汐状态、季风方向、空气湿度等因素的影响，在温度场监测的过程中，需要结合不同的潮汐、气象、地形等条件，进行温度场的反演计算和综合分析。

3）数据处理

获取数据后，为了保证成果的精度和可靠性，需要利用实测地面控制点、辐射定标参数、矢量岸线数据等资料，对数据进行几何校正、辐射定标校正、陆地掩膜、剔除云影响等处理，得到目标区域的晴空海域数据。

4）温度反演

热红外传感器获取的地面物体热辐射信息与物体的温度紧密相关，但在获取信息同时也存在一些影响因素。为了从传感器数据中得到准确的温度场热辐射信息，需要对传感器进行辐射校准，建立起辐射值与地面绝对温度值之间的联系，即通过一定的技术手段消除大气传输过程中的影响，建立热红外图像数据与地面测量目标温度之间的关系。基于这些关系模型，就可以将热辐射信息计算成目标物体的温度值。

5）信息提取

在计算基准温度的基础上，对温度反演的结果进行密度分割和彩色编码，获得不同温度级别的图像空间分布规律和统计结果。

6）综合分析

在上述工作的基础上，结合潮汐、气象、地形等资料，将信息提取结果与数学模拟、物理模型试验等结果进行对比分析及精度评价。

3 关键技术

3.1 海表温度反演算法

图1 热红外遥感测量流程Fig.1 Flow chart of thermal infrared remote sensing measurement

目前，主要是通过对辐射传输方程求解的原理进行遥感温度反演。根据不同卫星热红外波段遥感数据的特点，国内外学者先后提出了多种温度反演的算法模型，根据适用的卫星热红外传感器波段数不同可以分为3 类：适用于一个波段的单通道算法、适用于两个波段的劈窗算法和适用于多个波段的多通道算法。

针对Landsat 系列卫星的TM/ETM 传感器第6 波段数据，各国学者已经开发了多种单通道算法，比较有代表性的是覃志豪等人的单窗算 法［11］和Jimenez-Munoz J.C.、Jose A.Sobrino提出的普适性单通道算法［12］，可以对历史影像利用这些算法反演温度场。目前在轨卫星Landsat-8、HJ-1B 等热红外波段的温度反演也可以参照单通道算法来进行。

Mcmillin L.M.针对NOAA AVHRR 数据第4和第5 通道两个热红外通道的特点，提出了一种劈窗算法，用于NOAA 卫星海洋表面温度的反演。Becker F.等人提出了适用NOAA9/AVHRR 的局地劈窗算法、Wan Z.M.和Dozier J.等人提出了一种可同时用于NOAA AVHRR 和MODIS 的劈窗算法。

多通道算法主要有适用于MODIS 卫星数据的昼/夜算法和适用于ASTER 数据的温度发射率分离算法（ASTER-TES）等。

3.1.1 单窗算法

覃志豪等针对Landsat 卫星TM6 波段数据的特点，基于辐射传输方程，通过估算和简化参数，推导出了一个简单易行并且精度较高的算法。该算法仅需要地表辐射率、大气透过率和大气平均作用温度3 个参数就可以反演地表温度。受3 个参数的估计误差影响，反演地表温度的精度一般可达到＜1.1 K，若参数估计误差较小反演精度可达到＜0.4 K。单窗算法计算公式如下［11］：

式中：C6=ετ；D6=(1-τ)[ 1+(1-ε)τ]；T6为参考温度，K；a6和b6为常量。该方法适用于卫星传感器只有一个热红外波段时的遥感数据温度反演。

3.1.2 普适性单通道算法

单窗算法大都是适用于某一特定传感器的热红外波段，Jimenez-Munoz J.C.等提出了一种具有较强普适性的单窗算法，这种算法在用于不同传感器的热红外遥感数据时，公式形式和相关系数变动都不大，对探空数据的依赖也较低。此算法变量主要包括通道的有效波长λ 和大气水汽含量w 两个参数，反演Landsat TM6 数据的精度优于1.5 K。算法的公式如下［12］：

式中：Ts为海水表面温度，K；Lsensor为辐射亮度，W·m-2·sr-1·μm-1；Tsensor为辐射亮度对应的亮度温度，K；λ为有效波长，μm；C1和C2是普朗克函数常量，C1=1.19104×108（W·μm4·m-2·sr-1），C2=1.43877×104K；X1，X2和X3是与大气水汽含量有关的函数。

对于不同的传感器，单通道算法的原理是相同的，但是算法中的一些经验公式，如系数值的订正、大气透射率估算方程及大气平均作用温度估算方程的修订等，需要根据不同传感器的热红外波段特征重新进行拟合。

3.2 基准温度提取

基准温度是相对于由受温排水影响产生的热异常情况而言的，是指在没有温排水影响的情况下，某一区域内海水表面的平均温度。

根据目前温排水的监测情况来看，基准温度的提取方法主要有以下几种［4，13-14］：

1）最低温度法：选择遥感数据反演结果中温升混合区内的最低温度作为基准温度。其中温升混合区的范围需要参考数模结果和历史监测资料来确定。

2）背景温度法：对一些开放式的海湾区域，可以在核电站运行前的历史MODIS 和Landsat 等遥感数据中，选择与温排水影响区域同步变化但不受温排水影响的区域作为基准温度的选择区。

3）闭合海湾平均温度法：对于闭合式的海湾，可以选择温排水影响范围外的区域平均温度作为基准温度。

4）半封闭海湾平均温度法：对于半封闭港湾类型，如大亚湾等，可以采用扣除部分温度影响区域然后再平均的方法。首先统计整个港湾范围内温度的平均值，然后选择高于此平均值1℃及1℃以上的区域进行剔除，最后再统计剩余海湾区范围海水表面的平均温度，计算结果作为温排水监测区的基准温度。

5）区域替代温度法：对于无法确定海湾分布范围的开放式海域，如江苏田湾核电站，由于远近海域温度差别较大，可以选择一片不受温排水影响的区域，将区域平均温度作为基准温度。

6）数模、物模温度法：选择开展数学模拟、物理模型计算时选择的基准温度场作为遥感计算时的基准温度场。

不同核电站基准温度场的选择标准需要依据其附近海域特点来定，温排水范围大小与背景温度场的计算方法密切相关，实际应用中可以将几种基准温度的提取方法进行结合。

3.3 SST 温度反演模型

温度反演过程中，为了验证和修正温度反演中的参数，需要利用与卫星过境、航空飞行准同步的海面实测数据，建立SST 定量反演模型。

海面实测数据为现场连续观测数据，建立模型前先剔除数据序列中的奇异点值（相邻时间观测温度值变化量大于1 ℃），并对实测数据进行规范化整理。

然后将遥感测量数据集与现场海面实测数据集在一定时空分辨率下进行匹配，匹配数据对的遥感测量时间与实测数据采样时间差值均优于30 min，最大限度保证匹配数据的时空分布一致性，最终得到匹配数据集。

选择2013 年11 月25 日江苏田湾核电站附近海域海面实测数据与Landsat-8、HJ-1B 影像温度反演结果，利用最小二乘法对匹配数据集进行线性回归拟合，检查其相关程度，并利用拟合结果修正温度反演中的参数值。从数据拟合结果来看，海面温度的实测值与遥感反演值之间具有很好的线性相关性（图2）。

4 应用实例

图2 Landsat-8、HJ-1B 实测值和SST 值数据拟合图Fig.2 Fitting diagram of Landsat-8，HJ-1B measured value and SST value data

核电站周边海域的温度场受温排水的影响，呈以温排水入海口为中心，向周围海域递减分布的特点。最高温升值区域位于核电站排水口附近，周边海域的温度场受海水稀释作用后温度逐渐降低。核电站温排水影响区域大多水深较浅，经实测验证，海表温度与海水温度存在很强的相关性，因此海表温度可以表征海水温度。

利 用2013 年11 月15 日Landsat-8 和HJ-1B 遥感数据，选择单窗算法进行温度反演，基于区域替代温度法计算基准温度，进行田湾核电站温排水监测（图3）。结果表明，由核电站温排水引起的附近海域热异常区（大于基准温度）总面积为31.61 km2，最高温升可达7.0 ℃，最远向东展布6.86 km。且HJ-1B 与Landsat-8的监测结果在面积、展布规模上均一致［15］。

图3 田湾核电站周边海域温度场遥感监测Fig.3 Remote sensing monitoring map of temperature field in the sea area around Tianwan Nuclear Power Station

5 结论

多年来，采用航天遥感技术开展海面温度场反演，通过地面同步获得实测数据，已经形成了成熟、可靠的技术方法和流程，遥感监测结果与海面实测温升分布情况一致，温度反演与实测误差小于0.5 ℃。

通过在田湾核电站温排水影响监测中的工程实践和应用研究，可以看出利用热红外遥感手段能获得大面积、准同步、较高精度的温度场信息，是开展核电站温排水动态监测的最佳技术手段。遥感监测的结果也为温排水数学、物理模拟方法改进提供了重要基础数据，有效提高了模拟的准确性和科学性，为开展环境影响评价、加强海洋生态环境保护提供了科学依据。