选择目前国内最先进的红外三通道扫描仪。该扫描仪是在中国科学院上海技术物理研究所研制的实用型模块化成像光谱系统(OMIS)基础上改装的。针对热红外遥感测量目的和海域测量的技术特点, 扫描仪配置了1个可见光和2个热红外波段, 不但保留了OMIS热红外遥感测量常用的3~5 μ m和8.0~12.5 μ m两个热红外通道, 而且为了测量潮汐状况和彩色成图的需要, 还保留了波段范围为350~1 000 nm的全色通道。该仪器的主要技术指标NE△ T< 0.1 K, 保证了温度0.1 K测量精度的要求; 在500~1 000 m高度飞行时, 可以获取刈幅宽1.5~2.2 km, 空间分辨率为3~4.5 m的测量数据; 在飞行作业时, 需加挂POS系统, 以校验系统在飞行时的动态变化, 并同时记录GPS数据, 保证后期数据几何纠正处理的精度要求。

在航空遥感测量实施时, 需要通过现场潮汐观测来指导航空飞行。现场测量人员根据3 d以上潮汐观测数据, 结合潮汐变化规律来确定近几天和测量当天潮汐变化状况, 并将有效的飞行时间段提供给飞行机组。机组在其他飞行条件允许下, 严格按照现场人员提供的潮汐变化时间来实施飞行任务。秦山核电航空遥感监测的面积约90 km², 在飞行高度为1 500 m时, 飞行航线为4条, 飞行一次需要大约1 h左右, 左右两边覆盖2.5 km, 重叠0.8 km; 在飞行高度为1 000 m时候, 航带为6条, 航线间距为1.0 km, 总宽度6 km。设计上述两种飞行高度主要是考虑了天气情况, 在有高云的情况下, 只有降低飞行高度, 才能获得合格数据。在航空遥感测量时, 同步进行船载海面温度测量, 为遥感测量温度场反演和验证提供依据。

1.3.1 几何纠正

航空垂直扫描时具有持续和动态性质, 扫描过程获取的图像几何特征不但受制于飞行高度和角度的变化, 而且受垂直航迹扫描几何的影响, 因此在几何纠正时, 不仅要对成像系统造成的畸变进行纠正, 而且还要对飞行姿态引起的图像畸变进行纠正, 一般通过机载POS系统获取的同步参数来编程自动纠正。由于海面测量的特殊性, 进行图像地面定位需要使用一对相关的GPS接收器, 地面基站放在一个固定点上, POS系统放在工作飞机上, 最后通过差分可以计算出测量时的精确地理坐标。这样就保证了图像的定位精度在一个像元以内, 满足定位精度的要求。

1.3.2 海面温度标定

遥感反演海面温度的算法一般是通过对大气条件等因素的假设和近似进行的, 海面温度和热红外测量数据之间的线性关系为反演温度提供了理论基础。温度反演主要包括黑体校准源的内标校准方法和基于近同步海面实测数据定标反演法。当测量区域同时覆盖海面和陆地时, 由于比辐射率的差异, 反映陆地的测量数据明显比海面的要高, 因而对海面温度反演造成较大的误差影响, 必须将海陆区域分开反演, 这就增加了反演工作的不确定性。此外, 由于天气变化, 海面条件对该反演方法造成的反演误差是内标校准方法所不能够解决的。因此, 为了简化问题, 经过反复实践研究, 采用实测数据定标反演法能够获取更精确的海面温度反演数据。

利用秦山核电一期16个潮汐状态海面温度的实测数据进行定标反演法运算, 得到反演线性回归图(图1)。

图1

Fig.1

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	图1 秦山核电站一期16个潮汐状态海面温度反演线性回归Fig.1 Inversion linearity regression of 16 tide status offing tempreture in the first Qinshan nuclear power plant

从图1可以看出, 由于测量时天气和海面状况不同, 反演公式还是有很大差别的。选择与航空飞行同步的实测数据(同一潮态下), 利用实测数据点位置提取飞行数据同位置点的灰度值, 将实测红外温度值与其组成数据对, 并将每幅图像上的所有数据对组成一个数据序列, 对实测红外温度值和同位置点的热红外波段灰度值进行回归分析。由于实测数据为点测量方式, 必然存在误差点, 因此, 分析其数据序列的相关系数平方, 将少量的误差点进行剔除, 重新对筛选后的数据序列进行线性回归, 建立灰度值与实测红外温度值的线性回归方程。最后, 依据建立好的线性回归方程对飞行数据进行回归计算, 反演其真实温度值, 得到带有真实红外温度值的遥感图像。

核电站近岸温度场测量的目的是为了获取不同潮汐状况下核电温排水引起周边海面各级温升区的范围, 用以验证数学模拟、物理模拟结果以及调查的热污染程度。因此, 这就需要按照核电规范要求, 将经过温度定标的遥感海面温度数据制作成不同的温升线等值区图。

温升区的具体要求是确定0.1℃、0.5℃、1℃、2℃、3℃、4℃及其以上温升范围。其中, 0.1℃范围可以反映温排水羽迹范围, 但就红外测量仪器精度来说, 0.1℃的精度是值得怀疑的; 0.5℃的温度精度是可以保证的, 该数值可以确切反映温升面积; 1℃可以用来验证数学、物理模拟结果; 4℃以上的温升区反映热污染范围。

在成果图制作过程中, 最重要的一点就是要利用0.1℃的变化, 通过远离温排水影响范围区域温度值来判定温排水羽迹的0.1℃温升的温度值。将这个数值作为0.1℃温升起点, 继而确定0.5℃、1℃、2℃、3℃、4℃及其以上温升值。确定这些数值后, 利用编码技术, 将遥感温度图像制作成温升区彩色编码图像。根据温度场连续平缓变化的特征, 在GIS平台下利用相对圆滑曲线圈定各温升等值线, 解译、绘制温度场图。同时, 根据涨落潮情况, 利用三通道合成影像图, 解译海岸线和滩涂, 剔除滩涂对温度场的影响。

为了更好地总结温度场随季节和潮汐相变化的规律, 在独立分析的基础上, 通过一些综合解译图表, 可以研究不同季节潮汐状况下核电温度场形态和展布规律的变化, 用以验证数学、物理模拟结果。例如, 利用夏季大潮不同潮汐状况下温排水温升区变化图(图2)验证潮汐对温排水的影响, 同时, 结合遥感测量结果, 将夏冬两季大小潮的落急、落末、涨急及涨末4个潮汐状态下温度场扫过的区域, 确定出温升区包络面积, 并据此调查超出4℃的温升包络面积和整个温升包络面积, 做成图表(图3), 用以说明核电运行对环境的影响。

图2

Fig.2

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	图2 秦山核电站一期不同潮汐状况下温升区变化Fig.2 The chart of rising temperature area in different tide status at the Qinshan nuclear power plant

图3

Fig.3

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	图3 秦山核电4℃以上温升包络面积对比Fig.3 The area contrast chart of upon 4 ℃ at Qinshan nuclear power plant