石海崗 梁春利 董雙發(fā) 張春雷 張建永

（核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002）

Landsat-8和HJ-1B熱紅外數(shù)據(jù)海面溫度監(jiān)測效果研究

石海崗 梁春利 董雙發(fā) 張春雷 張建永

（核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002）

依據(jù)2013年11月15日過境的Landsat-8和HJ-1B熱紅外遙感數(shù)據(jù)，分別采用輻射傳輸方程法和單窗算法對田灣核電基地附近海域溫度分布情況進行了遙感監(jiān)測，利用海面實測數(shù)據(jù)驗證了監(jiān)測結(jié)果的可靠性，對比分析了監(jiān)測結(jié)果的一致性。研究結(jié)果表明，Landsat-8和HJ-1B遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于海溫監(jiān)測方面二者兼用效果更好。

Landsat-8；HJ-1B；溫度反演；一致性；遙感監(jiān)測

一、引言

隨著核電站的建設(shè)，核電機組排放的大量溫排水對周圍水域環(huán)境造成的熱影響越來越受到人們重視。溫排水一方面改變了排水口附近海域的流場，另一方面則會引起局部水域的溫度升高并對受納水體的理化性質(zhì)、水生生物及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響[1-2]，因此，核電站溫排水的監(jiān)測評價對研究水環(huán)境生態(tài)平衡有著重要意義[3]。目前，熱紅外遙感技術(shù)因其同步性、周期性和經(jīng)濟性已成為海溫監(jiān)測有效的調(diào)查手段[4-5]。

熱紅外遙感數(shù)據(jù)常用的數(shù)據(jù)源有Landsat系列衛(wèi)星（5/7/8）和環(huán)境衛(wèi)星（HJ-1B）。國內(nèi)外學(xué)者針對這些數(shù)據(jù)提出了一系列的地表溫度反演算法，包括單通道法[6]、單窗口法[7]、分裂窗法和多通道法[8]等。這些反演算法已被廣泛應(yīng)用于海溫監(jiān)測中[9-14]，但目前罕有報道Landsat-8 TIRS和HJ-1B IRS兩類傳感器在海面溫度反演方面一致性研究的文章。

田灣核電站位于江蘇省連云港市，現(xiàn)階段核電溫排水影響海域面積約50平方公里。根據(jù)田灣核電區(qū)同日過境的HJ-1B和Landsat-8熱紅外數(shù)據(jù)，對海域溫排水進行溫度反演，分析研究二者監(jiān)測效果，評價不同傳感器在海面溫度監(jiān)測方面的可靠性和一致性，旨在為核電溫排水遙感監(jiān)測手段提供參考。

二、數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)源

選用田灣核電附近海域的遙感數(shù)據(jù)源為：2013年11月15日的Landsat-8 數(shù)據(jù)和HJ-1B數(shù)據(jù)（包括海面同步實測數(shù)據(jù)）。

Landsat-8是由美國地質(zhì)調(diào)查局及太空署發(fā)射的最新的陸地衛(wèi)星，衛(wèi)星上攜帶有OLI和TIRS兩個主要載荷[15]。HJ-1B衛(wèi)星是我國自行研制的環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星星座的重要組成之一，有效載荷為兩臺寬覆蓋多光譜可見光相機(CCD)和一臺紅外相機(IRS)。詳細(xì)情況見表1。

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2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

溫度反演前，首先對HJ-1B和Landsat-8影像進行幾何校正，然后將田灣核電附近海域從兩組影像上裁剪下來并進行重采樣，以便對統(tǒng)計結(jié)果對比分析。在此之后，根據(jù)水的反射率小于陸地反射率的特點進行水陸分離處理。

三、溫度反演

目前有學(xué)者對Landsat-8 TIRS熱紅外波段進行了分裂窗算法研究[16-17]，但根據(jù)USGS公布的測試結(jié)果，TIRS的11波段暫時無法應(yīng)用，因此本研究對Landsat-8 TIRS溫度反演只針對10波段，采用輻射傳輸方程算法（大氣校正法）進行反演。

HJ-1B IRS只有一個熱紅外波段，其光譜范圍(10.412.5μm）非常接近。針對HJ-1B數(shù)據(jù)熱紅外單通道設(shè)置特點，利用覃12.5μm)與TM6（10.5志豪提出的單窗算法進行溫度反演[7]，并根據(jù)實際的波譜響應(yīng)函數(shù)的差異對參數(shù)進行修訂[18]。

3.1 Landsat-8 TIRS海面溫度反演

衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值由大氣向上輻射亮度、地面的真實輻射亮度經(jīng)過大氣層之后到達衛(wèi)星傳感器的能量組成。公式如下：

輻射定標(biāo)主要是指將傳感器觀測到的圖像灰度值轉(zhuǎn)換成輻射亮度值的過程。定標(biāo)系數(shù)可以直接從元數(shù)據(jù)中獲取。定標(biāo)公式：

2.地表比輻射率

物體的比輻射率是物體向外輻射電磁波的能力表征，依賴于地表物體的組成，而且與物體的表面狀態(tài)及物理性質(zhì)有關(guān)。本次研究反演主要針對海面進行，比輻射率變化不大，接近于黑體，可以取定值0.995。

3.其他參數(shù)的獲取

大氣上行輻射、大氣下行輻射、透射率等參數(shù)都與大氣作用有關(guān)。輻射傳輸法可以消除大氣的影響，本次研究根據(jù)美國國家環(huán)境預(yù)測中心提供的標(biāo)準(zhǔn)大氣剖面，結(jié)合MODTRAN4.0模塊建立的大氣校正模型進行大氣校正[19-20]。根據(jù)衛(wèi)星過境時刻的氣壓，地表溫度，相對濕度，影像時間以及中心經(jīng)緯度獲取大氣的上行輻射、下行輻射及大氣透射率。

3.2 HJ-1B數(shù)據(jù)海面溫度反演

單窗算法考慮了大氣對輻射傳輸?shù)挠绊?，是一種簡單可行并且保持較高精度的地表溫度演算方法，公式如下：

1.大氣透射率

研究表明大氣透射率的變化主要取決于大氣水汽含量的變化。針對HJ-1B熱紅外波段本身的光譜響應(yīng)度，通過模擬大氣水汽含量在0.1-5.0g/cm2區(qū)間內(nèi)變化情況，建立了水汽含量與大氣透射率之間的關(guān)系式：

目前水汽反演算法主要是依據(jù)近紅外譜段內(nèi)的水汽吸收差異進行計算的。由于MODIS的第2和19波段對大氣水汽吸收差異較大，且Terra/MODIS的過境時間和HJ-1B衛(wèi)星相近，水汽反演按照陳青蓮等使用的MODIS成熟算法[21]，反演同地區(qū)時空同步的大氣水汽含量。

2.大氣等效溫度

大氣平均作用溫度主要取決于大氣剖面氣溫分布和大氣狀態(tài)。由于衛(wèi)星過境時的時間很短，一般情況下很難實施實時大氣剖面數(shù)據(jù)和大氣狀態(tài)的直接觀測，針對環(huán)境衛(wèi)星的熱紅外波段的光譜響應(yīng)特點，對其進行參數(shù)調(diào)整，將中緯度冬季大氣等效溫度與大氣地面溫度T0表示為如下線性關(guān)系：

基于以上的算法利用ENVI+IDL進行波段運算，獲得海面的溫度場如圖1所示。

3.3 度反演結(jié)果

根據(jù)兩種傳感器獲取的溫度場分布情況，獲取到各個參數(shù)如表2所示。其中，平均溫度為核電周邊海域內(nèi)所有水體的平均海面溫度。

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四、結(jié)果與分析

4.1 海面溫度監(jiān)測可靠性分析

為了驗證結(jié)果的可靠性，在衛(wèi)星過境時間進行海面溫度測量。將反演海面溫度值（SST）與實測溫度值使用最小二乘法進行擬合[22-23]。探討Landsat-8和HJ-1B數(shù)據(jù)反演的SST和海面實測值之間的回歸關(guān)系，擬合結(jié)果如圖2所示

Landsat-8反演獲得的SST值與實測數(shù)據(jù)擬合關(guān)系式為擬合后回歸系數(shù)的平方值達到了0.9601，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.37；反演獲得的SST值與實測數(shù)據(jù)擬合關(guān)系式為擬合后回歸系數(shù)的平方值達到了0.9649，標(biāo)準(zhǔn)誤差僅為0.2。

數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明海面實測值與Landsat-8反演的SST值和HJ-1B數(shù)據(jù)反演的SST值之間線性特征均非常明顯，具有很好的線性相關(guān)性。從線性關(guān)系的程度上可以反映出溫度反演方法獲得的溫度場數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確可信的，海面溫度監(jiān)測結(jié)果是可靠的。

4.2 海面溫度監(jiān)測結(jié)果一致性分析

由于這兩景數(shù)據(jù)通過田灣核電基地附近海域的時間相差僅40分鐘（Landsat-8過境時間為上午10:38分，過境時間為上午09:58），對比溫度場反演結(jié)果可以研究不同遙感數(shù)據(jù)獲取溫度場結(jié)果的一致性。

根據(jù)熱紅外溫度場數(shù)據(jù)（見圖1），核電周邊海域的溫度場明顯受到了核電溫排水的影響，由排水口向外延伸溫度逐漸降低，到達本底溫度區(qū)后，溫度穩(wěn)定，再向外海延伸溫度逐漸升高。結(jié)合表2溫度場最大值、最小值結(jié)果，在田灣核電基地附近海域，兩種傳感器反演的海水表面溫度空間分布趨勢基本一致。

溫排水影響區(qū)域為核電站排水口處高于周邊海域本底溫度0.1℃以上區(qū)域。以連島北部的海水溫度為基準(zhǔn)值，綜合考慮周邊海域（溫排水影響區(qū)域剔除后海域）平均海面溫度作為本底溫度。提取核電站熱影響區(qū)，劃分為10個等級并分別進行編碼（見圖3），分類統(tǒng)計各個等級的面積，獲得HJ-1B IRS與Landsat8 TIRS溫升面積對比圖（見圖4）。

通過圖1、圖3、圖4可以看出，2013年11月15日IRS數(shù)據(jù)和TIRS數(shù)據(jù)反演出熱影響擴散形狀分布大致相同，溫度范圍也基本相似，各級別的溫升區(qū)面積差別不大；由于空間分辨率的關(guān)系，Landsat8可以反映更為精細(xì)的溫度場邊緣，監(jiān)測到最高的溫升級別高于本底溫度7℃，大于IRS最高6℃的溫升級別，這說明TIRS數(shù)據(jù)比IRS 數(shù)據(jù)可以更準(zhǔn)確地描述溫排水對周邊海域熱影響的分布狀況；溫升面積的統(tǒng)計信息顯示，6℃以上的溫升面積僅占總面積的2%左右，即這兩種數(shù)據(jù)反映的溫排水對環(huán)境的熱影響主要集中在前8個級別（占總面積的97%以上），因此，IRS可以達到與Landsat-8 TIRS相同的監(jiān)測效果，也就是說兩種傳感器對核電溫排水影響區(qū)域監(jiān)測結(jié)果也是一致的。

五、結(jié)論

1、通過對Landsat-8 TIRS與HJ-1BIRS溫度場反演結(jié)果、溫升編碼圖比較以及實測數(shù)據(jù)擬合，HJ-1B與Landsat-8熱紅外波段在海面溫度監(jiān)測方面有很好的可靠性和一致性。

2、比較Landsat-8 TIRS與HJ-1BIRS熱紅外波段反演所得溫排水溫度分布及范圍，0.1-6℃級以內(nèi)IRS與TIRS的熱影響分布級別基本一致，TIRS對高溫區(qū)溫升面積分布的監(jiān)測更精確，空間分辨率較低的IRS數(shù)據(jù)對溫度反演相對局限。鑒于兩種數(shù)據(jù)在空間分辨率和時間分辨率上各有所長，可以相互補充，在海溫監(jiān)測方面二者兼用效果更為理想。

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201 6-201 7年度河北省遙感技術(shù)應(yīng)用先進個人

關(guān)宗江（河北省地球物理勘查院）

王 乾（中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院）

武淑瑤（河北恒華信息技術(shù)有限公司）

王 琳（河北省國土資源利用規(guī)劃院）

林亞衛(wèi)（河北地礦局水文工程地質(zhì)勘查院）

徐雯佳（河北地礦局水文工程地質(zhì)勘查院）

楊 斌（河北省遙感中心）

王向前（中國電子科技集團公司第五十四研究所）

陳金勇（中國電子科技集團公司第五十四研究所）

帥 通（中國電子科技集團公司第五十四研究所）

張 恩（核工業(yè)航測遙感中心）

聞彩煥（河北省地質(zhì)測繪院）

封 哲（河北省環(huán)境監(jiān)測中心）

賀軍亮（石家莊學(xué)院）

張 巖（河北省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院）

金永濤（北華航天工業(yè)學(xué)院）

劉揚正（河北省遙感應(yīng)用協(xié)會）

趙春雷（河北省氣象科學(xué)研究所）

蔡淑紅（河北省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站）

許 寧（河北省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站）

王 淼（河北省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站）