谷洪欽, 鄒國良, 馬進榮

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Landsat-8 TIRS數(shù)據(jù)在某核電站溫排水監(jiān)測中應用探討

谷洪欽1, 鄒國良2, 馬進榮2

(1. 國核電力規(guī)劃設計研究院, 北京 100095; 2. 南京水利科學研究院, 江蘇南京 210029)

為探索Landsat-8 TIRS熱紅外數(shù)據(jù)在核電站溫排水監(jiān)測的應用能力, 以某核電附近海域為研究區(qū)域, 采用單窗算法建立核電站附近海域表面溫度反演方法, 并將該結(jié)果與時相接近的MODIS海溫產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行了對比分析。結(jié)果表明, 反演的溫度場可較精細地刻畫該核電站附近溫度場的分布情況, Landsat-8 TIRS數(shù)據(jù)可實現(xiàn)較高精度的核電站溫排水監(jiān)測。

溫排水; 遙感監(jiān)測; Landsat-8; 核電站

目前, 中國已是世界上在建核電裝機容量最大的國家。然而核電發(fā)展也面臨一些問題, 溫排水就是其中之一。核電站發(fā)電過程中, 核能通過熱能轉(zhuǎn)化為電能, 但熱能轉(zhuǎn)化為電能的效率偏低, 僅為30%~35%, 即約2/3的熱能成為廢熱, 在直流冷卻方式下, 這些廢熱隨冷卻水進入受納水體, 不可避免地引入受納水體附近水域溫度升高, 有可能形成熱污染。因此, 核電站溫排水監(jiān)測研究對于合理規(guī)劃和使用核能以及防止熱污染、保護海洋環(huán)境具有重要意義。

衛(wèi)星遙感的飛速發(fā)展為核電站溫排水監(jiān)測提供了新的技術手段。采用熱紅外傳感器監(jiān)測溫排水的主要原理是利用熱紅外遙感傳感器獲取溫排水熱污染區(qū)域的空間分布細節(jié), 進而得到不同等級的熱污染分布, 并統(tǒng)計出各溫升強度的影響面積。HJ-1B衛(wèi)星搭載的紅外多光譜項目(InfraRed Scanner, IRS)的數(shù)據(jù)(分辨率為300 m)[1-5]以及Landsat衛(wèi)星搭載的專題制圖儀(Thematic Mapper, TM)及其增強型專題制圖儀(Enhanced Thematic Mapper Plus, ETM+)的數(shù)據(jù)(分辨率分別為120 m和60 m)[6-7]在核電站溫排水遙感監(jiān)測中得到廣泛的應用, 且也突出了較高的溫升細節(jié)表現(xiàn)能力。2013年3月, Landsat-8衛(wèi)星發(fā)射成功, 其搭載的熱紅外傳感器(Thermal Infrared Sensor, TIRS)是目前在軌衛(wèi)星中最先進的熱紅外荷載[8]。TIRS熱紅外波段分辨率為100 m, 較之Landsat-7數(shù)據(jù), 具有更高的信噪比, 溫升分辨能力更強, 成為核電站開展遙感監(jiān)測較好的數(shù)據(jù)源。然而,目前基于Lansat-8 TIRS數(shù)據(jù)開展的核電站溫排水監(jiān)測工作仍較少[9]。本文選取某核電附近海域的Landsat-8 TIRS數(shù)據(jù), 從溫度信息提取、溫排水溫升分布范圍等開展綜合分析, 探索TIRS數(shù)據(jù)在核電站溫排水遙感監(jiān)測中的實際性能, 為業(yè)務化溫排水遙感監(jiān)測及相關管理提供技術支持。

1 海溫反演

1.1 研究區(qū)域及遙感數(shù)據(jù)

某核電站位于江蘇省連云港市東北部, 東臨黃海。核電站規(guī)劃8臺百萬千瓦級核電機組, 采用直流冷卻, 其中一期的2臺機組已于2007年5月和8月投產(chǎn), 3~4號機組已經(jīng)開工建設。根據(jù)附近氣象站多年資料統(tǒng)計[10], 核電站所在地區(qū)的年均氣溫14.3℃, 月均最低氣溫0.1℃、最高溫度29.5℃。所在海域?qū)儆邳S海中部海州灣, 進水口在羊山島南, 水域較開闊、水深略深, 有利于海水置換交流; 排水口附近海域為淤泥分布, 北岸為封閉區(qū)域, 不利于海水置換, 為溫排水提供冷卻的海水較少。

本文選取的2013年和2014年核電站附近海域Landsat-8 TIRS數(shù)據(jù), 符合氣象條件的冬夏季大潮期落憩、落急各1景, 見表1。

由于缺少水體表面的同步觀測數(shù)據(jù), 這里利用MODIS海溫產(chǎn)品(MOD28-L2、分辨率1 km)與反演結(jié)果進行對比。MODIS水汽含量及海溫產(chǎn)品數(shù)據(jù)一覽分別見表2。

表1 Landsat-8 TIRS數(shù)據(jù)

表2 MOD28-L2海溫數(shù)據(jù)

1.2 數(shù)據(jù)預處理

(1) 輻射校正

Landsat-8 TIRS輻射亮度公式:

式中,為波長,L為波譜輻射亮度;L為波段特定的倍增縮放因子;L為波段特定的增益縮放因子;cal為量化和厘定的標準產(chǎn)品像元值。

(2) 幾何精校正

Landsat-8數(shù)據(jù)與實測地面控制點對比具有較高的幾何定位精度, 故無需校正。

(3) 海陸分離

對于Landsat-8 OLI/TIRS數(shù)據(jù)可通過歸一化植被指數(shù)(NDVI)或歸一化差異水體指數(shù)(NNDWI)來分離, 即利用OLI多光譜數(shù)據(jù)獲取歸一化指數(shù), 制作水體邊界模板, 然后對第10波段熱紅外圖像進行操作, 獲取其水體信息。

歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)采用改進的模型[11]

式中,N, green為綠光波段像元值,N, mir為中紅外波段像元值。

1.3 溫排水溫度信息提取

TIRS熱紅外有兩個波段(第10波段和第11波段), 這兩個波段分別與MODIS第31和第32波段有相近的波寬和中心波長, 為進行分裂窗算法提供了可能。但根據(jù)美國地質(zhì)勘探局(USGS)的建議, 目前Landsat-8第11波段存在很大的不穩(wěn)定性, 建議用戶把第10波段作為單波段熱紅外數(shù)據(jù)進行使用[12]。而IRS為單通道熱紅外數(shù)據(jù), 因此, 這里采用Landsat-8 TIRS第10波段作為單波段熱紅外數(shù)據(jù), 結(jié)合單通道算法進行海表面溫度反演。

覃志豪[13]針對Landsat TM/ETM+第6波段提出一種單通道地表溫度反演算法—單窗算法。該方法引入大氣平均作用溫度來估算大氣上行輻射, 并假定大氣下行輻射等于大氣上行輻射, 通過Planck輻射函數(shù)線性化可以得到單窗算法公式:

式中,s為地面溫度(K);和為常數(shù),=–67.355351,=0.458606;、為中間變量;T是星上亮度溫度;a為大氣平均作用溫度;和分別為大氣總透射率、地表比輻射率。

(1) 大氣平均作用溫度

在天氣比較晴朗, 沒有明顯大氣垂直漩渦作用時, 可由地面附近氣溫(0)近似計算大氣平均作用溫度。在中國大陸地區(qū)分為兩個狀態(tài)考慮, 即中緯度夏季平均大氣溫度()和冬季平均大氣溫度():

地面附近氣溫0是地表溫度的初始估計值, 本次研究采用星上亮溫來替代地表溫度的初始值0。星上亮溫是傳感器在衛(wèi)星高度所觀測到的熱輻射強度相對應的黑體溫度, 含有大氣和地表對熱輻射傳導的影響, 因而不是真正意義上的地表溫度。星上亮溫λ可利用輻射定標后的衛(wèi)星高度處的傳感器接受的輻射亮度值通過Planck輻射函數(shù)計算:

式中,1和2為波段特定的熱轉(zhuǎn)化常數(shù), Landsat-8衛(wèi)星第10波段1=774.89,2=1321.08。

(2) 系數(shù)、修正

由于覃志豪單窗算法是針對Landsat TM/ETM+第6波段(波譜范圍為10.45~12.50 μm)數(shù)據(jù), 而Landsat-8第10波段的波譜范圍為10.6~11.19 μm, 這一波譜范圍的改變使得單窗算法中給出的參數(shù)值對于第10波段不再適用。因此需要針對第10波段的波段特征, 對系數(shù)和進行修正。蔣大林等[14]基于Landsat-8 TIRS數(shù)據(jù)通過理論推導并結(jié)合USGS提供的波譜響應文件, 利用MATLAB擬合出Landsat-8第10波段的波譜響應函數(shù)計算出有效波長, 利用有效波長重新擬合了參數(shù)與溫度的關系, 并作線性回歸, 最后得到系數(shù)和的修正結(jié)果。溫度在0~50℃范圍時, 回歸系數(shù)=–62.735 657,=0.434 036,2= 0.999 6, 均方根誤差為0.122 5; 溫度在0~70℃范圍內(nèi)時, 回歸系數(shù)分別為=–66.279 546,=0.446 139,2= 0.999 4, 均方根誤差為0.231 1。

(3) 大氣透過率

大氣透過率變化主要取決于大氣水汽含量的動態(tài)變化。蔣大林等[14]利用MODTRAN模擬了Landsat-8第10波段大氣透過率隨水汽含量的變化圖, 給出大氣透過率與水汽含量之間的關系。這里直接采用MODTRAN4.0模型計算大氣透過率。

1.4 基準溫度計算

基準溫度是相對于由溫排水引起的熱異?，F(xiàn)象而言的, 其定義為在沒有溫排水的情況下, 現(xiàn)有區(qū)域內(nèi)水體表面的平均溫度。某核電附近海域目前已近似海灣, 本文采用張愛玲等[15]建議的基準溫度處理方法選取統(tǒng)計基準溫度范圍。以核電站為中心, 統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)的平均海表溫, 提出溫排水影響區(qū)域中高于平均溫度1℃以上的區(qū)域, 最后統(tǒng)計剩余區(qū)域的平均海表溫度, 以此作為溫排水監(jiān)測區(qū)的基準溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度反演數(shù)據(jù)對比

圖1為某核電站附近海域MOD28-L2海溫產(chǎn)品選取的4個對比點位置圖, 利用這4個點的MOD28-L2海溫產(chǎn)品結(jié)果與熱紅外數(shù)據(jù)反演的海溫進行對比。表3給出了Landsat-8 TIRS反演結(jié)果與MOD28-L2產(chǎn)品的對比。根據(jù)對比, Lnadsat-8 TIRS熱紅外數(shù)據(jù)利用覃志豪單窗算法反演的工程附近海域海表面溫度與MOD28-L2海溫產(chǎn)品較接近, 誤差一般不超過1.5℃?？紤]到缺少同步實測海溫數(shù)據(jù), 所采用的MOD28-L2海溫產(chǎn)品對應的過境時間與熱紅外數(shù)據(jù)過境時間并不完全相同, 且產(chǎn)品的分辨率相對較低(1 km); 同時考慮到本次反演過程中部分大氣參數(shù)的選取仍需進一步結(jié)合當?shù)氐臍庀髼l件(如地面附近氣溫0采用了星上亮溫進行代替等)使得反演的海溫并不能完全代表真實海表面溫度。但總體上來看, TIRS熱紅外數(shù)據(jù)所反演的熱污染擴散形狀分布大致相同, 其與不同學者反演的結(jié)果較為接近[15]。因此, 可作為某核電站附近熱污染監(jiān)測的一種重要手段。

表3 海溫反演與MOD28-L2海溫對比

注: “誤差”表示“海溫反演–MOD28-L2海溫”

2.2 溫升分布結(jié)果

圖2給出了Landsat-8 TIRS熱紅外數(shù)據(jù)反演的某核電站附近海域海表面溫升場按等級劃分后的空間分布。從圖2可以看出, 2013年冬季高溫升區(qū)呈帶狀沿東西方向分布, 而低溫升區(qū)則呈現(xiàn)圓形往外海擴展。而2014年夏季, 因潮汐、潮流、氣象等差異其反演的高溫升區(qū)、低溫升區(qū)分布范圍明顯較冬季小, 且分布形狀也有一定的差異。總體上來看, 在距離核電站東南和東北海域出現(xiàn)較高溫升區(qū), 以排水口為中心向周圍海域溫升逐漸衰減分布。表4列出了根據(jù)反演結(jié)果統(tǒng)計的溫升面積。根據(jù)統(tǒng)計, 2013年冬季大潮落憩時刻, 4℃以上的高溫升區(qū)面積為5.12 km2, 2014年夏季大潮、落急狀態(tài)時, 4℃以上的高溫升區(qū)面積為0.22 km2。此外, 與文獻7反演結(jié)果相比, Landsat-8熱紅外數(shù)據(jù)分辨率相對較高, 可以反映更為精細的溫升場邊緣及局部信息。

a. 2013-12-01大潮落憩時刻; b. 2014-07-29大潮落急時刻

a. slack of ebbing spring tide(2013-12-01) ; b. ebbing spring tide(2014-07-29)

表4 溫升面積統(tǒng)計

3 結(jié)論

基于2013~2014年冬、夏季典型潮況時的Landsat-8 TIRS熱紅外數(shù)據(jù)對某核電站附近海域海溫進行了反演, 并利用同時相的MODIS海溫產(chǎn)品對反演數(shù)據(jù)進行了對比。在此基礎上, 結(jié)合基準溫度選方法給出了核電站附近海域溫升彩色編碼圖。得到主要如下結(jié)論: (1)Landsat-8 TIRS數(shù)據(jù)采用單窗算法反演的結(jié)果與MODIS海溫產(chǎn)品較為接近, 且Landsat-8 TIRS反演的海溫分布可較為精細的刻畫溫排水擴散局部溫度信息, 具有較高的空間分辨率非常適用于小尺度的溫排水細化遙感監(jiān)測。(2)采用遙感熱紅外數(shù)據(jù)進行海面水溫反演時, 其精度除受限于數(shù)據(jù)源質(zhì)量、時空分辨率外, 還需輔以現(xiàn)場同步實測海溫進行修正, 以進一步提高反演算法的精度。(3)基準溫度對溫升分布范圍影響較大。目前尚無規(guī)范性的基準溫度算法。因此, 利用遙感進行核電站溫排水監(jiān)測時, 下一步需對基準溫度選取方法進行研究。(4)遙感反演海面水溫作為一種監(jiān)測手段具有成本低、范圍廣、同步性好的優(yōu)點, 在火、核電廠運營期排水監(jiān)測及相關評價中有較好的實際應用價值。

致謝:作者由衷感謝United States Geological Survery(USGS)提供的Landsat-8 TIRS熱紅外數(shù)據(jù)。

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Thermal plume monitoring of nuclear power plant based on Landsat-8 TIRS data

GU Hong-qin1, ZOU Guo-liang2, MA Jin-rong2

(1. State Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100095, China; 2. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China)

In this study, a satellite-derived method has been developed based on a mono-window algorithm to analyze the surface temperature of sea water near a nuclear power plant and explore the applicability of thermal infrared data from Landsat-8 satellite for thermal plume monitoring of the plant. The temperature data obtained are compared with those obtained using moderate resolution imaging spectroradiometer. The results indicate that the derived temperature data can effectively define the temperature field near the nuclear power plant, and precise monitoring of thermal plume from the nuclear power plant can be conducted using the Landsat-8 satellite data.

thermal plume; remote sensing; Landsat-8; nuclear power plant

(本文編輯: 劉珊珊)

May 26, 2016

[Special Fund for Basic Scientific Research Business of Central Public Research Institutes, No.Y216003]

X834

A

1000-3096(2016)10-0076-06

10.11759/hykx20160526001

2016-05-26;

2016-08-03

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金重點項目(Y216003)

谷洪欽(1971-), 男, 山東菏澤人, 教授級高工, 從事核電、大型火電等電力工程的規(guī)劃設計等工作, 電話: 010-58343670, E-mail: guhongqin@snpdri.com