Landsat-8和HJ-1B热红外数据海面温度监测效果研究

石海岗 梁春利 董双发 张春雷 张建永

（核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002）

Landsat-8和HJ-1B热红外数据海面温度监测效果研究

石海岗 梁春利 董双发 张春雷 张建永

（核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002）

依据2013年11月15日过境的Landsat-8和HJ-1B热红外遥感数据，分别采用辐射传输方程法和单窗算法对田湾核电基地附近海域温度分布情况进行了遥感监测，利用海面实测数据验证了监测结果的可靠性，对比分析了监测结果的一致性。研究结果表明，Landsat-8和HJ-1B遥感数据应用于海温监测方面二者兼用效果更好。

Landsat-8；HJ-1B；温度反演；一致性；遥感监测

一、引言

随着核电站的建设，核电机组排放的大量温排水对周围水域环境造成的热影响越来越受到人们重视。温排水一方面改变了排水口附近海域的流场，另一方面则会引起局部水域的温度升高并对受纳水体的理化性质、水生生物及生态环境产生影响[1-2]，因此，核电站温排水的监测评价对研究水环境生态平衡有着重要意义[3]。目前，热红外遥感技术因其同步性、周期性和经济性已成为海温监测有效的调查手段[4-5]。

热红外遥感数据常用的数据源有Landsat系列卫星（5/7/8）和环境卫星（HJ-1B）。国内外学者针对这些数据提出了一系列的地表温度反演算法，包括单通道法[6]、单窗口法[7]、分裂窗法和多通道法[8]等。这些反演算法已被广泛应用于海温监测中[9-14]，但目前罕有报道Landsat-8 TIRS和HJ-1B IRS两类传感器在海面温度反演方面一致性研究的文章。

田湾核电站位于江苏省连云港市，现阶段核电温排水影响海域面积约50平方公里。根据田湾核电区同日过境的HJ-1B和Landsat-8热红外数据，对海域温排水进行温度反演，分析研究二者监测效果，评价不同传感器在海面温度监测方面的可靠性和一致性，旨在为核电温排水遥感监测手段提供参考。

二、数据源及预处理

2.1 数据源

选用田湾核电附近海域的遥感数据源为：2013年11月15日的Landsat-8 数据和HJ-1B数据（包括海面同步实测数据）。

Landsat-8是由美国地质调查局及太空署发射的最新的陆地卫星，卫星上携带有OLI和TIRS两个主要载荷[15]。HJ-1B卫星是我国自行研制的环境与灾害监测预报小卫星星座的重要组成之一，有效载荷为两台宽覆盖多光谱可见光相机(CCD)和一台红外相机(IRS)。详细情况见表1。

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2.2 数据预处理

温度反演前，首先对HJ-1B和Landsat-8影像进行几何校正，然后将田湾核电附近海域从两组影像上裁剪下来并进行重采样，以便对统计结果对比分析。在此之后，根据水的反射率小于陆地反射率的特点进行水陆分离处理。

三、温度反演

目前有学者对Landsat-8 TIRS热红外波段进行了分裂窗算法研究[16-17]，但根据USGS公布的测试结果，TIRS的11波段暂时无法应用，因此本研究对Landsat-8 TIRS温度反演只针对10波段，采用辐射传输方程算法（大气校正法）进行反演。

HJ-1B IRS只有一个热红外波段，其光谱范围(10.412.5μm）非常接近。针对HJ-1B数据热红外单通道设置特点，利用覃12.5μm)与TM6（10.5志豪提出的单窗算法进行温度反演[7]，并根据实际的波谱响应函数的差异对参数进行修订[18]。

3.1 Landsat-8 TIRS海面温度反演

卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值由大气向上辐射亮度、地面的真实辐射亮度经过大气层之后到达卫星传感器的能量组成。公式如下：

辐射定标主要是指将传感器观测到的图像灰度值转换成辐射亮度值的过程。定标系数可以直接从元数据中获取。定标公式：

2.地表比辐射率

物体的比辐射率是物体向外辐射电磁波的能力表征，依赖于地表物体的组成，而且与物体的表面状态及物理性质有关。本次研究反演主要针对海面进行，比辐射率变化不大，接近于黑体，可以取定值0.995。

3.其他参数的获取

大气上行辐射、大气下行辐射、透射率等参数都与大气作用有关。辐射传输法可以消除大气的影响，本次研究根据美国国家环境预测中心提供的标准大气剖面，结合MODTRAN4.0模块建立的大气校正模型进行大气校正[19-20]。根据卫星过境时刻的气压，地表温度，相对湿度，影像时间以及中心经纬度获取大气的上行辐射、下行辐射及大气透射率。

3.2 HJ-1B数据海面温度反演

单窗算法考虑了大气对辐射传输的影响，是一种简单可行并且保持较高精度的地表温度演算方法，公式如下：

1.大气透射率

研究表明大气透射率的变化主要取决于大气水汽含量的变化。针对HJ-1B热红外波段本身的光谱响应度，通过模拟大气水汽含量在0.1-5.0g/cm2区间内变化情况，建立了水汽含量与大气透射率之间的关系式：

目前水汽反演算法主要是依据近红外谱段内的水汽吸收差异进行计算的。由于MODIS的第2和19波段对大气水汽吸收差异较大，且Terra/MODIS的过境时间和HJ-1B卫星相近，水汽反演按照陈青莲等使用的MODIS成熟算法[21]，反演同地区时空同步的大气水汽含量。

2.大气等效温度

大气平均作用温度主要取决于大气剖面气温分布和大气状态。由于卫星过境时的时间很短，一般情况下很难实施实时大气剖面数据和大气状态的直接观测，针对环境卫星的热红外波段的光谱响应特点，对其进行参数调整，将中纬度冬季大气等效温度与大气地面温度T0表示为如下线性关系：

基于以上的算法利用ENVI+IDL进行波段运算，获得海面的温度场如图1所示。

3.3 度反演结果

根据两种传感器获取的温度场分布情况，获取到各个参数如表2所示。其中，平均温度为核电周边海域内所有水体的平均海面温度。

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四、结果与分析

4.1 海面温度监测可靠性分析

为了验证结果的可靠性，在卫星过境时间进行海面温度测量。将反演海面温度值（SST）与实测温度值使用最小二乘法进行拟合[22-23]。探讨Landsat-8和HJ-1B数据反演的SST和海面实测值之间的回归关系，拟合结果如图2所示

Landsat-8反演获得的SST值与实测数据拟合关系式为拟合后回归系数的平方值达到了0.9601，标准误差为0.37；反演获得的SST值与实测数据拟合关系式为拟合后回归系数的平方值达到了0.9649，标准误差仅为0.2。

数据拟合结果表明海面实测值与Landsat-8反演的SST值和HJ-1B数据反演的SST值之间线性特征均非常明显，具有很好的线性相关性。从线性关系的程度上可以反映出温度反演方法获得的温度场数据是准确可信的，海面温度监测结果是可靠的。

4.2 海面温度监测结果一致性分析

由于这两景数据通过田湾核电基地附近海域的时间相差仅40分钟（Landsat-8过境时间为上午10:38分，过境时间为上午09:58），对比温度场反演结果可以研究不同遥感数据获取温度场结果的一致性。

根据热红外温度场数据（见图1），核电周边海域的温度场明显受到了核电温排水的影响，由排水口向外延伸温度逐渐降低，到达本底温度区后，温度稳定，再向外海延伸温度逐渐升高。结合表2温度场最大值、最小值结果，在田湾核电基地附近海域，两种传感器反演的海水表面温度空间分布趋势基本一致。

温排水影响区域为核电站排水口处高于周边海域本底温度0.1℃以上区域。以连岛北部的海水温度为基准值，综合考虑周边海域（温排水影响区域剔除后海域）平均海面温度作为本底温度。提取核电站热影响区，划分为10个等级并分别进行编码（见图3），分类统计各个等级的面积，获得HJ-1B IRS与Landsat8 TIRS温升面积对比图（见图4）。

通过图1、图3、图4可以看出，2013年11月15日IRS数据和TIRS数据反演出热影响扩散形状分布大致相同，温度范围也基本相似，各级别的温升区面积差别不大；由于空间分辨率的关系，Landsat8可以反映更为精细的温度场边缘，监测到最高的温升级别高于本底温度7℃，大于IRS最高6℃的温升级别，这说明TIRS数据比IRS 数据可以更准确地描述温排水对周边海域热影响的分布状况；温升面积的统计信息显示，6℃以上的温升面积仅占总面积的2%左右，即这两种数据反映的温排水对环境的热影响主要集中在前8个级别（占总面积的97%以上），因此，IRS可以达到与Landsat-8 TIRS相同的监测效果，也就是说两种传感器对核电温排水影响区域监测结果也是一致的。

五、结论

1、通过对Landsat-8 TIRS与HJ-1BIRS温度场反演结果、温升编码图比较以及实测数据拟合，HJ-1B与Landsat-8热红外波段在海面温度监测方面有很好的可靠性和一致性。

2、比较Landsat-8 TIRS与HJ-1BIRS热红外波段反演所得温排水温度分布及范围，0.1-6℃级以内IRS与TIRS的热影响分布级别基本一致，TIRS对高温区温升面积分布的监测更精确，空间分辨率较低的IRS数据对温度反演相对局限。鉴于两种数据在空间分辨率和时间分辨率上各有所长，可以相互补充，在海温监测方面二者兼用效果更为理想。

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201 6-201 7年度河北省遥感技术应用先进个人

关宗江（河北省地球物理勘查院）

王 乾（中国冶金地质总局地球物理勘查院）

武淑瑶（河北恒华信息技术有限公司）

王 琳（河北省国土资源利用规划院）

林亚卫（河北地矿局水文工程地质勘查院）

徐雯佳（河北地矿局水文工程地质勘查院）

杨 斌（河北省遥感中心）

王向前（中国电子科技集团公司第五十四研究所）

陈金勇（中国电子科技集团公司第五十四研究所）

帅 通（中国电子科技集团公司第五十四研究所）

张 恩（核工业航测遥感中心）

闻彩焕（河北省地质测绘院）

封 哲（河北省环境监测中心）

贺军亮（石家庄学院）

张 岩（河北省林业调查规划设计院）

金永涛（北华航天工业学院）

刘扬正（河北省遥感应用协会）

赵春雷（河北省气象科学研究所）

蔡淑红（河北省农业技术推广总站）

许 宁（河北省农业技术推广总站）

王 淼（河北省农业技术推广总站）