王祥, 王新新, 蘇岫, 孟慶輝， 鄒德君, 伊?xí)詵|, 王林, 文世勇, 趙建華

(1.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心國(guó)家海洋局近岸海域生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116023；2.大連航天北斗科技股份有限公司，大連 116023；3.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院測(cè)量與空間信息技術(shù)研究所，大連 116023)

0 引言

目前，我國(guó)正面臨一次性能源短缺的困境，而核能是目前唯一被證實(shí)具有高熱能且不產(chǎn)生溫室效應(yīng)氣體的能源技術(shù)。《核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》及國(guó)家能源“十三五”規(guī)劃明確了積極、穩(wěn)步推進(jìn)核電發(fā)展的主體思想。到2030年，我國(guó)預(yù)計(jì)將有超過(guò)110座核電站投入運(yùn)行，成為世界裝機(jī)容量最大的國(guó)家。核電運(yùn)行需要大量的自然水體對(duì)核反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行冷卻，大量余熱經(jīng)循環(huán)冷卻水排入受納水體，導(dǎo)致其溫度升高，理化性質(zhì)改變，進(jìn)而影響甚至威脅水體生物群落結(jié)構(gòu)及生態(tài)系統(tǒng)。因而，加強(qiáng)對(duì)溫排水混合溫升區(qū)監(jiān)測(cè)不僅是核電運(yùn)行期間環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的重要工作，也是保護(hù)水體生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要手段。

當(dāng)前，溫排水監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括衛(wèi)星遙感、載人飛機(jī)航空遙感及海面實(shí)測(cè)，而以無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載紅外載荷對(duì)溫排水監(jiān)測(cè)的研究還未見(jiàn)在文獻(xiàn)中報(bào)道。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的日益成熟，多時(shí)空分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)已投入諸多核電站的監(jiān)測(cè)研究之中[1-6]，但云覆蓋、長(zhǎng)回訪周期及低空間分辨率等因素限制了其常態(tài)化業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)的靈活性和實(shí)用性；載人飛機(jī)航空遙感靈活性及空間分辨率都優(yōu)于衛(wèi)星遙感，在秦山核電站[7]及田灣核電站[8]得到了實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，但其對(duì)起降場(chǎng)地有特殊要求，備航手續(xù)繁瑣且成本昂貴，難以業(yè)務(wù)推廣；海面實(shí)測(cè)可提供較為精確的離散點(diǎn)狀溫度數(shù)據(jù)，卻無(wú)法同步獲取大面積面狀監(jiān)測(cè)結(jié)果。

針對(duì)上述不足，以遼寧省紅沿河核電站溫排水為研究對(duì)象，提出一種以無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載紅外載荷的新型航空遙感監(jiān)測(cè)方式，通過(guò)低空遙感的高空間分辨率成像及紅外載荷的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)訂正，尋求建立一種更加靈活、高效的溫排水監(jiān)測(cè)技術(shù)方法。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)為遼寧省紅沿河核電站，廠址位于遼寧省瓦房店市，北、西、南三面臨海，東側(cè)與陸地接壤，屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為11.0 ℃，全年平均氣壓為1 011.6 hPa。核電站一期工程建設(shè)4臺(tái)CPR1000核電機(jī)組，二期工程規(guī)劃建設(shè)2臺(tái)ACPR1000核電機(jī)組，機(jī)組采用以海水為冷卻水的直流供水系統(tǒng)。廠區(qū)周?chē)Ｓ蛩钭兓^大，等深線大體與海岸線平行，5 m等深線靠近岸邊。廠址海區(qū)屬不規(guī)則半日潮，多年平均潮差為1.33 m，平均大潮潮差為1.53 m，平均小潮潮差為1.08 m。潮流運(yùn)動(dòng)以往復(fù)流為主，漲、落潮主流向分別為東北向和西南向，附近海域水體彌散條件較好。

2 無(wú)人機(jī)航空遙感試驗(yàn)

試驗(yàn)以核電站安全環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)為準(zhǔn)則，基于熱紅外遙感技術(shù)理論，在試驗(yàn)區(qū)海洋潮汐、洋流和氣象等資料支持的前提下，制定航拍及同步走航實(shí)測(cè)作業(yè)計(jì)劃，開(kāi)展無(wú)人機(jī)航空遙感測(cè)量，獲取夏季典型潮汐條件下核電站溫排水?dāng)U散信息。

2.1 無(wú)人機(jī)平臺(tái)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本次試驗(yàn)無(wú)人機(jī)平臺(tái)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)、穩(wěn)定云臺(tái)、紅外載荷及GPS定位和姿態(tài)記錄設(shè)備構(gòu)成，其中，無(wú)人機(jī)采用固定翼電動(dòng)無(wú)人機(jī)(型號(hào)X80)，機(jī)身底部以三軸MEMS陀螺儀和控制精度達(dá)0.04°的無(wú)刷云臺(tái)來(lái)搭載紅外鏡頭，以抑制航拍過(guò)程中載荷的傾斜與晃動(dòng)。紅外載荷采用德國(guó)Optris公司專(zhuān)為無(wú)人機(jī)載荷設(shè)計(jì)的短焦廣角PI640紅外熱成像儀，焦距為10.5 mm，視場(chǎng)角為60°×45°，工作波段為7.5～13 μm。GPS定位采用中海達(dá)BX380系列，設(shè)備安置在固定翼無(wú)人機(jī)上。紅外載荷成像姿態(tài)以固定在云臺(tái)上的雙軸高精度數(shù)顯傾角儀(型號(hào)DMI820)實(shí)時(shí)記錄，角度測(cè)量分辨率為0.001°。

2.2 航拍及同步實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取

試驗(yàn)日期為2016年6月16日，當(dāng)日附近海域天氣晴朗，航拍作業(yè)時(shí)段選取一天當(dāng)中風(fēng)力較小的7: 00 am—7: 30 am，該時(shí)段近地面氣溫為20 ℃，風(fēng)力3級(jí)，相對(duì)濕度為79%，無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃如圖1，以黃色虛線標(biāo)識(shí)，航拍區(qū)域覆蓋部分陸地，航線平行于岸線方向，航高為200 m。

圖1 無(wú)人機(jī)航拍及同步走航航跡

海面同步進(jìn)行走航溫度測(cè)量。測(cè)量?jī)x器為HydroLab DS5多參數(shù)水質(zhì)儀，采樣頻率為1 Hz，測(cè)量起止時(shí)間為07: 05 am—07: 38 am，歷時(shí)33 min。實(shí)測(cè)航跡如圖1綠線所示，共獲取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)650組。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析

1)航拍數(shù)據(jù)篩選。無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，規(guī)劃航線變換處有較大的晃動(dòng)，此時(shí)成像姿態(tài)變化較大，成像質(zhì)量不佳，將此部分?jǐn)?shù)據(jù)剔除；同時(shí)，根據(jù)旁向重疊率20%要求對(duì)圖像進(jìn)行擇優(yōu)選取。選取圖像以精確到秒的時(shí)間信息與定位及姿態(tài)數(shù)據(jù)匹配，共獲取高質(zhì)量航拍數(shù)據(jù)23組。

2)廣角畸變校正。試驗(yàn)采用的紅外鏡頭為廣角鏡頭，不可避免地引起成像的“桶形畸變”(圖2)。本研究采用如圖3的同心圓修正模型，利用規(guī)則格網(wǎng)為背景，以坐標(biāo)變換和灰度校正2個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)桶形畸變的校正。前者將紅外圖像上離散整數(shù)坐標(biāo)上的灰度值按預(yù)定擬合關(guān)系進(jìn)行坐標(biāo)位置變換，后者則根據(jù)坐標(biāo)變換得到的非整數(shù)坐標(biāo)以插值方式對(duì)整個(gè)有效整數(shù)坐標(biāo)進(jìn)行灰度填充。

圖2 “桶形畸變”影像

圖3 同心圓修正模型

影像廣角畸變校正于海邊進(jìn)行。采集的熱紅外圖像成像清晰(圖4)，圖像中不同地物(包括道路、廣場(chǎng)和護(hù)岸等)清晰可辨。同時(shí)利用便攜式差分GPS在實(shí)地采集了多種明顯地物點(diǎn)作為比較修正的依據(jù)。

圖4 同心圓模型修正桶形畸變

分別以一次回歸和四次多項(xiàng)式來(lái)擬合桶形畸變規(guī)律，即

st(r)=-0.005 190 740r-0.943 299 1，

(1)

st(r)=0 .017 43r4-0.084 409r3+0.085 233r2-
0.047 001r+1.003 114

(2)

式中：r為原始成像中各點(diǎn)位至光心的徑向距離；st(r)為畸變校正后點(diǎn)位至光心的徑向距離。依據(jù)實(shí)測(cè)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行校正結(jié)果的比較，如表1所示。

表1 影像畸變校正結(jié)果比對(duì)

由表1可知，四次多項(xiàng)式擬合影像畸變效果較好，整體偏差控制在0.003以下。

3)無(wú)人機(jī)航拍影像數(shù)據(jù)幾何糾正。試驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)后處理(post processing kinetic，PPK)差分定位技術(shù)進(jìn)行GPS定位信息的后處理，在20 Hz采樣頻率條件下，預(yù)設(shè)觀測(cè)區(qū)域航線上數(shù)據(jù)均能夠達(dá)到固定解條件，POS數(shù)據(jù)定位精度可達(dá)cm級(jí)，部分浮動(dòng)解或單點(diǎn)解存在于航線變換拐彎處，超出預(yù)設(shè)觀測(cè)區(qū)域范圍，因而不予考慮。因海面無(wú)法布設(shè)像控點(diǎn)，在無(wú)地面控制點(diǎn)的情況下，將POS參數(shù)直接作為影像外方位元素，通過(guò)共線條件方程和間接法進(jìn)行影像糾正，將存在幾何變形的無(wú)人機(jī)遙感影像平面變換至大地水平面，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)處理后無(wú)人機(jī)航拍影像的幾何糾正。

4)水體表面溫度信息獲取。對(duì)同步獲取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的時(shí)空匹配，時(shí)間及空間匹配尺度分別設(shè)定為±1 s和1個(gè)像元，共獲取匹配數(shù)據(jù)552對(duì)。對(duì)比走航實(shí)測(cè)水體溫度和航拍紅外溫度數(shù)據(jù)，兩者存在穩(wěn)定的線性關(guān)系，在進(jìn)行航拍影像溫度標(biāo)定時(shí)，以走航數(shù)據(jù)采集時(shí)間為序，利用隨機(jī)選取的一半數(shù)量的匹配數(shù)據(jù)對(duì)建立航拍紅外溫度值和船測(cè)溫度值一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系。而后，依據(jù)前述線性關(guān)系以回歸擬合方式獲取模型參數(shù)，如圖5，進(jìn)而用于紅外載荷數(shù)據(jù)的溫度標(biāo)定，獲取水體表面溫度信息。

3 試驗(yàn)結(jié)果及精度驗(yàn)證

排水口處航拍影像熱擴(kuò)散信息專(zhuān)題圖見(jiàn)圖6。

圖6 熱擴(kuò)散專(zhuān)題圖

由圖6可見(jiàn)，航拍成像結(jié)果信息豐富，細(xì)節(jié)展現(xiàn)度高，排水口處高溫水流條帶狀沖刷信息清晰可辨，邊緣處混合溫升區(qū)溫度漸變層次分明。溫排水自冷卻池經(jīng)排水渠流向外側(cè)開(kāi)闊海域，排水口處水體溫度達(dá)到近25 ℃，相比邊緣區(qū)域水體溫度高出近10 ℃，高溫冷卻水沿排水口離岸方向呈扇形延伸。隨著水體的擴(kuò)散，冷熱水體混合加劇，水體溫度隨之降低，在200 m以外混合區(qū)水溫降至約21 ℃。同時(shí)，排水口附近有沿水流方向的異常低溫水流條帶，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察分析發(fā)現(xiàn)，異常低溫水流條帶是由冷卻水傾倒形成的泡沫，并夾雜高溫加熱的水中有機(jī)物質(zhì)(大多為藻類(lèi))形成的漂浮泡沫條帶，因其與水體發(fā)射率不同，導(dǎo)致熱紅外圖像上呈現(xiàn)不同的溫度。排水口兩側(cè)低溫區(qū)域分別為航拍入境的水泥質(zhì)壩基，因拍攝時(shí)間為早晨，太陽(yáng)光輻射加熱作用較弱，其溫度明顯低于水體溫度，但在中午前后，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，水泥質(zhì)壩基增溫強(qiáng)烈，溫度明顯高于水體。

基于建模剩余的另一半匹配數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)人機(jī)反演水體表面溫度的精度驗(yàn)證，采用平均絕對(duì)誤差(即試驗(yàn)結(jié)果值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值差值的絕對(duì)值)驗(yàn)證精度，即

(3)

圖7 無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證

由圖7可知，平均絕對(duì)誤差為0.4 ℃，最小絕對(duì)誤差為0.1 ℃，最大絕對(duì)誤差為0.8 ℃。進(jìn)一步分析圖5可見(jiàn)，大致以20 ℃為界，高于20 ℃區(qū)域呈現(xiàn)走航實(shí)測(cè)溫度整體略高于無(wú)人機(jī)航拍反演溫度的特點(diǎn)，即“體溫”高于“皮溫”，且溫度越高二者差異越大；而在低于20 ℃區(qū)域則呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)，“皮溫”略高于“體溫”，且隨著溫度的降低二者差異增加，造成該現(xiàn)象的主要原因是海-氣界面的熱量交換[9-10]。當(dāng)日航拍試驗(yàn)期間，近地面氣溫為20 ℃，在靠近溫排水口附近水域，大量高溫循環(huán)冷卻水排出，于排水口處形成一定范圍的高溫水體，此時(shí)海-氣界面未達(dá)到熱平衡狀態(tài)，存在由水體向大氣的熱輸送，導(dǎo)致該溫度區(qū)間呈現(xiàn)“體溫”高于“皮溫”的現(xiàn)象。隨著循環(huán)冷卻水的擴(kuò)散、混合，一定區(qū)域內(nèi)海-氣界面達(dá)到熱平衡，此時(shí)海水再吸收太陽(yáng)短波輻射能量而形成薄的增溫水層，從而造成“皮溫”高于“體溫”。

4 結(jié)論

本研究采用無(wú)人機(jī)搭載紅外載荷方式對(duì)遼寧省紅沿河核電站溫排水海域的溫度場(chǎng)分布狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用同心圓模型及PPK差分定位技術(shù)分別完成了成像過(guò)程中的廣角畸變校正及影像的幾何定位，解決了大視角成像中邊緣區(qū)域的畸變校正及海上航拍無(wú)法布設(shè)像控點(diǎn)的難題，并以同步走航實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)熱紅外遙感中大氣噪聲的剔除。結(jié)果顯示：相較于現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段，無(wú)人機(jī)平臺(tái)航空遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更具靈活機(jī)動(dòng)性。航拍監(jiān)測(cè)結(jié)果平均絕對(duì)誤差可較好地控制在0.4 ℃以?xún)?nèi)，說(shuō)明該方法可以作為核電站溫排水常態(tài)化監(jiān)測(cè)手段，服務(wù)于核電站管理及環(huán)境影響評(píng)價(jià)。

同時(shí)，研究中也發(fā)現(xiàn)，受制于無(wú)人機(jī)載荷重量的限制，現(xiàn)有熱紅外無(wú)人機(jī)載荷均不具備黑體來(lái)實(shí)時(shí)跟蹤和校正設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行引起的溫度漂移。顯然，這在大區(qū)域和長(zhǎng)航時(shí)觀測(cè)項(xiàng)目中必然引起精度的損失，故需要相關(guān)研究學(xué)者在觀測(cè)技術(shù)方法或者載荷設(shè)備的研制方面做進(jìn)一步的努力。可以預(yù)見(jiàn)，伴隨著多光譜及高光譜設(shè)備的小型化，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在陸地以及海洋監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用將更加多元化和精細(xì)化。