无人机平台航空遥感监测核电站温排水——以辽宁省红沿河核电站为例

王祥, 王新新, 苏岫, 孟庆辉， 邹德君, 伊晓东, 王林, 文世勇, 赵建华

(1.国家海洋环境监测中心国家海洋局近岸海域生态环境重点实验室，大连 116023；2.大连航天北斗科技股份有限公司，大连 116023；3.大连理工大学土木工程学院测量与空间信息技术研究所，大连 116023)

0 引言

目前，我国正面临一次性能源短缺的困境，而核能是目前唯一被证实具有高热能且不产生温室效应气体的能源技术。《核电中长期发展规划(2011—2020年)》及国家能源“十三五”规划明确了积极、稳步推进核电发展的主体思想。到2030年，我国预计将有超过110座核电站投入运行，成为世界装机容量最大的国家。核电运行需要大量的自然水体对核反应过程进行冷却，大量余热经循环冷却水排入受纳水体，导致其温度升高，理化性质改变，进而影响甚至威胁水体生物群落结构及生态系统。因而，加强对温排水混合温升区监测不仅是核电运行期间环境监测与评价的重要工作，也是保护水体生态系统平衡的重要手段。

当前，温排水监测技术主要包括卫星遥感、载人飞机航空遥感及海面实测，而以无人机平台搭载红外载荷对温排水监测的研究还未见在文献中报道。随着卫星遥感技术的日益成熟，多时空分辨率卫星数据已投入诸多核电站的监测研究之中[1-6]，但云覆盖、长回访周期及低空间分辨率等因素限制了其常态化业务监测的灵活性和实用性；载人飞机航空遥感灵活性及空间分辨率都优于卫星遥感，在秦山核电站[7]及田湾核电站[8]得到了实验应用，但其对起降场地有特殊要求，备航手续繁琐且成本昂贵，难以业务推广；海面实测可提供较为精确的离散点状温度数据，却无法同步获取大面积面状监测结果。

针对上述不足，以辽宁省红沿河核电站温排水为研究对象，提出一种以无人机平台搭载红外载荷的新型航空遥感监测方式，通过低空遥感的高空间分辨率成像及红外载荷的实测数据订正，寻求建立一种更加灵活、高效的温排水监测技术方法。

1 试验区概况

试验区为辽宁省红沿河核电站，厂址位于辽宁省瓦房店市，北、西、南三面临海，东侧与陆地接壤，属温带季风气候区，年平均气温为11.0 ℃，全年平均气压为1 011.6 hPa。核电站一期工程建设4台CPR1000核电机组，二期工程规划建设2台ACPR1000核电机组，机组采用以海水为冷却水的直流供水系统。厂区周围海域水深变化较大，等深线大体与海岸线平行，5 m等深线靠近岸边。厂址海区属不规则半日潮，多年平均潮差为1.33 m，平均大潮潮差为1.53 m，平均小潮潮差为1.08 m。潮流运动以往复流为主，涨、落潮主流向分别为东北向和西南向，附近海域水体弥散条件较好。

2 无人机航空遥感试验

试验以核电站安全环境标准法规为准则，基于热红外遥感技术理论，在试验区海洋潮汐、洋流和气象等资料支持的前提下，制定航拍及同步走航实测作业计划，开展无人机航空遥感测量，获取夏季典型潮汐条件下核电站温排水扩散信息。

2.1 无人机平台遥感监测系统

本次试验无人机平台遥感监测系统由无人机、稳定云台、红外载荷及GPS定位和姿态记录设备构成，其中，无人机采用固定翼电动无人机(型号X80)，机身底部以三轴MEMS陀螺仪和控制精度达0.04°的无刷云台来搭载红外镜头，以抑制航拍过程中载荷的倾斜与晃动。红外载荷采用德国Optris公司专为无人机载荷设计的短焦广角PI640红外热成像仪，焦距为10.5 mm，视场角为60°×45°，工作波段为7.5～13 μm。GPS定位采用中海达BX380系列，设备安置在固定翼无人机上。红外载荷成像姿态以固定在云台上的双轴高精度数显倾角仪(型号DMI820)实时记录，角度测量分辨率为0.001°。

2.2 航拍及同步实测数据获取

试验日期为2016年6月16日，当日附近海域天气晴朗，航拍作业时段选取一天当中风力较小的7: 00 am—7: 30 am，该时段近地面气温为20 ℃，风力3级，相对湿度为79%，无人机航线规划如图1，以黄色虚线标识，航拍区域覆盖部分陆地，航线平行于岸线方向，航高为200 m。

图1 无人机航拍及同步走航航迹

海面同步进行走航温度测量。测量仪器为HydroLab DS5多参数水质仪，采样频率为1 Hz，测量起止时间为07: 05 am—07: 38 am，历时33 min。实测航迹如图1绿线所示，共获取实测数据650组。

2.3 试验数据处理分析

1)航拍数据筛选。无人机飞行过程中，规划航线变换处有较大的晃动，此时成像姿态变化较大，成像质量不佳，将此部分数据剔除；同时，根据旁向重叠率20%要求对图像进行择优选取。选取图像以精确到秒的时间信息与定位及姿态数据匹配，共获取高质量航拍数据23组。

2)广角畸变校正。试验采用的红外镜头为广角镜头，不可避免地引起成像的“桶形畸变”(图2)。本研究采用如图3的同心圆修正模型，利用规则格网为背景，以坐标变换和灰度校正2个步骤实现桶形畸变的校正。前者将红外图像上离散整数坐标上的灰度值按预定拟合关系进行坐标位置变换，后者则根据坐标变换得到的非整数坐标以插值方式对整个有效整数坐标进行灰度填充。

图2 “桶形畸变”影像

图3 同心圆修正模型

影像广角畸变校正于海边进行。采集的热红外图像成像清晰(图4)，图像中不同地物(包括道路、广场和护岸等)清晰可辨。同时利用便携式差分GPS在实地采集了多种明显地物点作为比较修正的依据。

图4 同心圆模型修正桶形畸变

分别以一次回归和四次多项式来拟合桶形畸变规律，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为原始成像中各点位至光心的径向距离；st(r)为畸变校正后点位至光心的径向距离。依据实测GPS数据进行校正结果的比较，如表1所示。

表1 影像畸变校正结果比对

由表1可知，四次多项式拟合影像畸变效果较好，整体偏差控制在0.003以下。

3)无人机航拍影像数据几何纠正。试验采用动态后处理(post processing kinetic，PPK)差分定位技术进行GPS定位信息的后处理，在20 Hz采样频率条件下，预设观测区域航线上数据均能够达到固定解条件，POS数据定位精度可达cm级，部分浮动解或单点解存在于航线变换拐弯处，超出预设观测区域范围，因而不予考虑。因海面无法布设像控点，在无地面控制点的情况下，将POS参数直接作为影像外方位元素，通过共线条件方程和间接法进行影像纠正，将存在几何变形的无人机遥感影像平面变换至大地水平面，实现对预处理后无人机航拍影像的几何纠正。

4)水体表面温度信息获取。对同步获取的实测数据及航拍数据进行点对点的时空匹配，时间及空间匹配尺度分别设定为±1 s和1个像元，共获取匹配数据552对。对比走航实测水体温度和航拍红外温度数据，两者存在稳定的线性关系，在进行航拍影像温度标定时，以走航数据采集时间为序，利用随机选取的一半数量的匹配数据对建立航拍红外温度值和船测温度值一一对应的映射关系。而后，依据前述线性关系以回归拟合方式获取模型参数，如图5，进而用于红外载荷数据的温度标定，获取水体表面温度信息。

3 试验结果及精度验证

排水口处航拍影像热扩散信息专题图见图6。

图6 热扩散专题图

由图6可见，航拍成像结果信息丰富，细节展现度高，排水口处高温水流条带状冲刷信息清晰可辨，边缘处混合温升区温度渐变层次分明。温排水自冷却池经排水渠流向外侧开阔海域，排水口处水体温度达到近25 ℃，相比边缘区域水体温度高出近10 ℃，高温冷却水沿排水口离岸方向呈扇形延伸。随着水体的扩散，冷热水体混合加剧，水体温度随之降低，在200 m以外混合区水温降至约21 ℃。同时，排水口附近有沿水流方向的异常低温水流条带，经现场勘察分析发现，异常低温水流条带是由冷却水倾倒形成的泡沫，并夹杂高温加热的水中有机物质(大多为藻类)形成的漂浮泡沫条带，因其与水体发射率不同，导致热红外图像上呈现不同的温度。排水口两侧低温区域分别为航拍入境的水泥质坝基，因拍摄时间为早晨，太阳光辐射加热作用较弱，其温度明显低于水体温度，但在中午前后，太阳辐射强烈，水泥质坝基增温强烈，温度明显高于水体。

基于建模剩余的另一半匹配数据进行无人机反演水体表面温度的精度验证，采用平均绝对误差(即试验结果值与现场实测值差值的绝对值)验证精度，即

(3)

图7 无人机航拍数据精度验证

由图7可知，平均绝对误差为0.4 ℃，最小绝对误差为0.1 ℃，最大绝对误差为0.8 ℃。进一步分析图5可见，大致以20 ℃为界，高于20 ℃区域呈现走航实测温度整体略高于无人机航拍反演温度的特点，即“体温”高于“皮温”，且温度越高二者差异越大；而在低于20 ℃区域则呈现出相反的趋势，“皮温”略高于“体温”，且随着温度的降低二者差异增加，造成该现象的主要原因是海-气界面的热量交换[9-10]。当日航拍试验期间，近地面气温为20 ℃，在靠近温排水口附近水域，大量高温循环冷却水排出，于排水口处形成一定范围的高温水体，此时海-气界面未达到热平衡状态，存在由水体向大气的热输送，导致该温度区间呈现“体温”高于“皮温”的现象。随着循环冷却水的扩散、混合，一定区域内海-气界面达到热平衡，此时海水再吸收太阳短波辐射能量而形成薄的增温水层，从而造成“皮温”高于“体温”。

4 结论

本研究采用无人机搭载红外载荷方式对辽宁省红沿河核电站温排水海域的温度场分布状况进行监测，利用同心圆模型及PPK差分定位技术分别完成了成像过程中的广角畸变校正及影像的几何定位，解决了大视角成像中边缘区域的畸变校正及海上航拍无法布设像控点的难题，并以同步走航实测数据实现热红外遥感中大气噪声的剔除。结果显示：相较于现有监测手段，无人机平台航空遥感监测系统更具灵活机动性。航拍监测结果平均绝对误差可较好地控制在0.4 ℃以内，说明该方法可以作为核电站温排水常态化监测手段，服务于核电站管理及环境影响评价。

同时，研究中也发现，受制于无人机载荷重量的限制，现有热红外无人机载荷均不具备黑体来实时跟踪和校正设备长时间运行引起的温度漂移。显然，这在大区域和长航时观测项目中必然引起精度的损失，故需要相关研究学者在观测技术方法或者载荷设备的研制方面做进一步的努力。可以预见，伴随着多光谱及高光谱设备的小型化，无人机遥感技术在陆地以及海洋监测中的应用将更加多元化和精细化。