基于卫星和无人机的后石电厂温排水分布研究

孙芹芹，张加晋，姬厚德，罗美雪，杨顺良

(福建海洋研究所、福建省海岛与海岸带管理技术研究重点实验室，福建 厦门 361013)

根据斯蒂芬—波尔兹曼定律，辐射通量密度随温度的增加而迅速增大，它与温度的四次方成正比。任何温度的微小变化，均会引起辐射通量密度很大的变化。因此，配备热红外波段的机载传感器可以收集、记录地物的这种热红外信息，并利用这种热红外信息来识别温度升高的海域[1-2]。国内外学者利用AVHRR、MODIS、Landsat等遥感卫星数据对滨海电厂排水口区域的水体温度进行反演均取得了较高的反演精度[3-5]。但是，与无人机航飞数据相比，遥感影像仍具有周期时间长、空间分辨率低等特点。利用无人机搭载高分辨率光电和视频采集设备，可以实现数据的实时采集及回传，体现出较高的空间分辨率及实效性等[6-7]。在海洋调查领域，利用无人机低空遥感技术进行海岛调查、大比例尺地形图测绘等，具有操作便捷、效率高、成本低等优点[8-9]。利用无人机携带热红外、多光谱等传感器可实现对陆域石油管道探测、农作物估产等方面的定性、定量遥感探测[10-11]。利用无人机携带热红外传感器进行核电厂温排水监测也取得了一定的成功[12]。随着无人机硬件设备的不断改进及图像处理技术的不断提高，无人机低空遥感技术在海洋资源环境监测领域的应用必将不断扩大。

本研究采用Landsat 8热红外数据对后石电厂营运期的排水口区域水体温度进行反演，并尝试采用无人机携带热红外传感器对该区域的水温分布细节特征进行遥感监测与分析，以期实现基于无人机的用海项目资源环境影响动态跟踪监测，促进低空热红外遥感技术在海洋科学领域的应用和发展。

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

后石电厂位于福建省漳州市龙海市港尾镇后石村沿海(图1)，是我国东南沿海规模较大的燃煤发电厂之一，电厂分2期建设，一期于1999—2000年建设2台机组，装机容量均为60×104kW，二期于2001—2004年建设4台机组，各机组装机容量均为60×104kW。后石电厂取水口位于电厂东北侧海域，排水口位于电厂西南侧海域，取水口、排水口距离较远，相对独立，有利于保证电厂取水口、排水口的正常运行。

图1 后石电厂位置Fig.1 The location of Honshi Power Plant

1.2 卫星遥感反演

为研究该区域电厂温排水的空间分布规律，本研究采用Landsat 8卫星遥感数据对该区域的表面温度进行反演，该区域卫星影像行列号为119/43。该卫星对同一地区每16 d过镜一次，本次选取影像的卫星过镜时间为2018年3月11日10：32。多数研究表明，利用Landsat 8的TIRS 10波段进行温度反演已经具有较高的精度[13]。其计算步骤首先需要将Landsat TM/ETM+热红外波段的DN值转化为该波段的光谱辐照度[14-15]，公式如下：

L=a·DN+b

(1)

式(1)中: L为波段10的光谱辐照度，单位为W/(m2·sr·μm)。DN为波段10的像元值，a、b分别为波段10的偏移参数和增益参数，其数值可从影像的元文件中获得，分别为0.1和3.342 0×10-4。

经过计算取得波段10的光谱辐照度后，需要进一步将光谱辐照度转换为亮度温度，其公式如下[16]：

T=K2/ln(K1/L+1)

(2)

式(2)中: T 为亮度温度，单位为K；K1、K2为校正常数，Landsat8卫星波段10的K1、K2值分别为774.885 3、1 321.078 9。

最后，可通过公式将亮度温度转换为水体表面温度[16-17]。该公式仅考虑地表比辐射的影响，并未考虑大气影响。由于研究区域面积较小，研究目标均为水体，类型单一，因此可假设该区域的大气影响是均一的，其温度的相对值是可信的，公式如下：

LST=T/[1+(λ10×T/ρ)lnε]

(3)

式(3)中: λ10为波段10的中心波长，对于Landsat8的波段10来说，λ10=10.9μm；T为卫星遥感的亮度温度；ε为地表比辐射率，由于近岸海水比较匀称，比辐射率没有很大的变化，因此可以取常数，一般取0.96～0.99之间，但由于研究区域近岸海水有泥沙影响，ε取常值0.985，ρ为常量14 384mK，其计算公式如下：

ρ=h·c/σ

(4)

式(4)中:h为普朗克常量6.626×10-34Js，σ为玻尔兹曼常数1.381×10-23J/K，c为光速2.998×108m/s。

LST为经过反演计算取得的水体表面温度，单位为K，其与摄氏度的换算公式如下：

TC=LST-273.13

(5)

式(5)中: TC为水体表面温度，单位为℃。

1.3 无人机飞行设计及数据处理

本次航飞采用无人机为瑞士SenseflyeBee，其最高定位精度可达1.5cm，正射影图和3D模型精确度可达1～3个像元大小，并且起飞较为方便，只需在选好场地后，摇动eBee三次待其马达启动后抛向空中即可。本次航飞搭载的热红外成像仪为瑞士产ThermoMAP，为eBee无人机专用低空无人机载热红外相机，在75m高处地面分辨率可达14cm/px，图像大小为640×512像素，图像温度范围为-40～160 ℃，温度分辨率可达0.1 ℃。

2018年3月9号下午进行后石热红外无人机航拍任务，第一个架次航飞任务执行时间为13：30至13：43。起飞区选在电厂西南侧比较宽阔的农田区域，与电厂发电机组距离约300m，场地平整，视野宽阔，可以较好的查看飞机的飞行状况。

本项目设计飞行高度80m，地面分辨率15.2cm/px，旁向重叠率65%，航象重叠率90%，拍照间距7.8m，相片幅宽97.3m×77.8m，飞行面积 0.17km2，飞行时间13min，总飞行航线9.4km。

本次航行拍摄照片2 814张，利用Pix4Dmapper软件进行无人机原始影像数据的处理，该软件可自动获取每张无人机航摄照片对应的中心点位置(经纬度)、高度、俯仰角、翻滚角等数据，并读取航摄相机的型号、焦距、相机中心点位置、相机畸变参数等信息，在Pix4Dmapper软件中对照片进行校正，并基于相邻影像间的同名特征点实现图像匹配。通过图像分析、点云处理、正射影像生成及指数计算等步骤，生成空三加密成果及DOM模型和指数模型[18-19]。

其中，在指数计算过程中，除生成DSM及正射影像图外，还需选取适合本次航摄相机ThermoMAP的指数计算器公式来生成海域水面温度数据，并可通过相应地图配色方案生成温度专题数据。计算公式如下：

Ts=Dir/100-100

(6)

式(6)中: Ts代表陆域及水体的表面温度，Dir为无人机航摄照片上的图像数值。

2 结果与讨论

2.1 卫星遥感反演结果

基于Landsat8TIRS10波段的温度反演结果如图2～4所示，从图2中可以看出，与周围水体相比，后石电厂排水口附近的水域温度具有明显的增加，周围海域水温约21.0 ℃～22.5 ℃，排水口区域水体温度约22.5 ℃～25.5 ℃。排水口区域水温自北向南逐渐递减，温水团自排水口排出后沿岸南下，向南扩散约3 500m，东西扩散约1 000m。分别在排水口作横纵2条剖面可以看出，自排水口向东南方向水温慢慢下降，从25.5 ℃降至22.0 ℃，东西方向温度则从24.4 ℃降至21.0 ℃。

图2 基于卫星遥感影像的后石电厂排水口区域水温分布Fig.2 Thermal distributions around Houshi Power Plant based on satellite images

图3 A-A’断面温度随距离的变化Fig.4 Changes of water temperature with distances along A-A’ transect

图4 B-B’断面温度随距离的变化Fig.4 Changes of water temperature with distances along B-B’ transect

图5 基于低空热红外遥感影像的后石电厂排水口 区域水温分布Fig.5 Thermal distributions around Houshi Power Plant based on low altitude thermal infrared remote sensing

2.2 低空遥感温度探测结果

根据Pix4Dmapper处理的无人机航飞热红外影像处理结果可知(图5～7)，本次无人机航拍成像面积约22.5hm2，其中东西长约750m，南北长约 300m。其中水域范围面积仅11.6hm2，呈喇叭口形状。两岸之间最短距离约140m，最长距离约510m。大多数情况下，由于排水口区域全为水面，因缺乏照片同名点而较难实现水域的拼接，然而，由于本次航飞区域水面呈喇叭口形状，两岸之间距离较窄，因此可以借助陆域同名点而完成本次航飞区域的水面拼接。但是，与卫星遥感影像相比，本次无人机成像范围较小，一方面是受限于热红外成像仪的照片幅宽仅为97.3m×77.8m，另一方面则是因为纯水域照片缺乏同名点导致东南侧小部分区域未完成拼接。

图6 C-C’断面温度随距离的变化 Fig.6 Changes of water temperature with distances along C-C’ transect

图7 D-D’ 断面温度随距离的变化Fig.7 Changes of water temperature with distances along D-D’ transect

根据排水口区域的温度剖面图可知，后石电厂排水口南侧300～500m处的水温呈现西岸较低、东岸较高的特点，热水团从排水口排出后并不是均匀向南扩散，而是先沿东岸向南扩散，然后部分从东岸向西扩散后再向南扩散。此外，排水口西南侧约700m处近岸存在水温较低区域，可能与该区域的陆域来水有关。

本次无人机航拍成像分辨率较高，影像分辨率可达20cm，与卫星遥感100m成像分辨率相比，无人机航拍影像可以更为细致的反映出该区域的温度变化细节，弥补卫星遥感影像的不足。

2.3 无人机监测温排水的特点

利用无人机搭载热红外成像仪进行电厂温排水监测，可以快捷、方便地识别电厂温排水分布的细节，但是，该技术目前仍然存在一些不足，尤其在全水域图像的拼接方面。由于水面缺乏同名特征点导致基于特征点匹配的图像拼接技术无法有效实现全水域图像的拼接。因此，需要发展基于坐标信息的单帧影像绝对定位技术，并提高无人机硬件的姿态及定位精度，从而有效实现全水域图像的拼接。

3 结论

(1)基于Landsat8的卫星遥感影像反演可以较好的识别电厂排水口的温水变化分布，但是受限于其100m的空间分辨率，无法识别小区域范围内的温水分布细节。

(2)基于无人机搭载热红外成像仪可以方便、快捷的实现对电厂排水口水体温度的反演，并可较为细致的识别温水分布的细节，弥补卫星遥感影像周期长、分辨率低的不足。

(3)基于无人机搭载热红外传感器进行电厂温排水的监测仍然受限于热红外成像幅宽小、全水域图像匹配困难等因素的制约，下一步需加强对全水域图像拼接技术的研究。