核電廠規劃限制區遙感監查方法初探

孫中平，賈 祥，姜 俊，曹 飛，王昌佐

(1．北京師范大學地理學與遙感科學學院遙感科學國家重點實驗室，北京100875;2．環境保護部衛星環境應用

中心，北京100094;3．中國原子能科學研究院，北京102413;4．環境保護部核電安全監管司，北京100035)

目前，我國核電發展進入體系化、規?；男聲r期，已經成為全球核電發展的重心之一。經過20多年的建設，我國核電事業得到了長足的發展，目前我國建成發電的核電機組有15臺，在建核電機組有30臺［1］。由于核電廠對地方經濟的拉動作用，部分核電廠規劃限制區人口機械增長明顯［2］，也存在化工廠等固定危險源建設問題，核電廠規劃限制區的發展與限制矛盾日趨突出。目前，由于人員和經費的限制，各級部門對核電廠規劃限制區的管理工作難以有效開展。如何有效地管理核電廠規劃限制區，使之不妨礙應急防護措施的有效實施，保證核電廠運行安全，是我國核電廠面臨的一個挑戰。

遙感技術具有快速、連續、精度高、覆蓋范圍廣等優越性特點，在土地利用變化監測與管理中發揮了重要作用［3-4］。20世紀90年代以來，國際原子能機構(IAEA)組織開展了基于衛星遙感技術的核設施監測研究與應用工作［5］，以便掌握和了解各成員國未申報或可疑的秘密核活動［6］，Vatsavai等采用地理空間影像挖掘技術初步構建了核設施監測工作基本框架［7］。2009年以來，環境保護部衛星中心利用環境一號衛星和其他衛星數據，每半年對我國所有擬建和在建核電項目預選或建設廠址進行遙感監測，形成監測報告并上報環境保護部，為核電項目監管提供了有力支持，有效地遏制了未批先建或違規建設現象。國內學者也對核電廠規劃限制區監管存在的問題進行了研究［2，8］，但是，有關核電廠規劃限制區監查方法的研究成果鮮見發表，尚未形成一套完整和可行的技術方法。本研究面向核電廠規劃限制區管理，選擇秦山核電基地作為研究區，以中、高分辨率衛星影像為主要數據源，在構建遙感監查分類體系的基礎上，初步構建了一套核電廠規劃限制區遙感監查技術方法，以期為核電廠限制區管理工作提供技術支持。

一、規劃限制區遙感監查方法

1．規劃限制區遙感監查分類體系構建

依照《中華人民共和國放射性污染防治法》《核動力廠環境輻射防護規定》(GB 6249—2011)及《浙江省核電廠輻射環境保護條例》等法規和標準，核電廠規劃限制區管理主要包括兩個方面:一是限制影響核電廠應急計劃實施的設施新建與擴建，如大型的工業和民用設施、大型的醫院和監獄等，用以限制人口大規模地機械增長，從而保證應急計劃實施的可行性;二是限制可能影響核電廠安全運行的設施建設，如化工廠、煉油廠等可能引發重大外部事件的設施，以防止這些設施在事故條件下影響核電廠的安全運行［8］。

本文根據核電廠規劃限制區管理的主要內容，結合中、高空間分辨率衛星影像數據的信息量與地物可分性，參考《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2007)，構建規劃限制區遙感監查土地利用分類體系(見表1)，并初步確定主要監查對象。

2．規劃限制區遙感監查技術流程

核電廠規劃限制區遙感監查以30 m空間分辨率的中分辨率影像、2 m高分辨率影像為主要數據源，并輔以行政區劃圖、規劃限制區圖、DEM等輔助數據。

表1 核電廠規劃限制區遙感監查分類體系

通過遙感影像幾何校正、掩膜、影像融合等處理步驟，生成研究區范圍內的正射影像圖。利用面向對象分類和人工目視解譯相結合的方法，生成兩期遙感監查土地利用分類圖，通過疊加對比分析，生成核電廠規劃限制區遙感監查分類變化圖。

針對變化區域，利用近期高分辨率衛星影像，結合分類體系，輔以監查對象解譯標志，提取規劃限制區遙感監查對象分布圖。通過現場核查，核實提取的土地利用類型變化區域，最終形成核電廠規劃限制區遙感監查報告，為國家、地方政府提供數據支持。核電廠規劃限制區遙感監查技術流程如圖1所示。

圖1 核電站規劃限制區遙感監查技術流程

二、研究區概況及數據源

1．研究區概況

秦山核電基地位于浙江省嘉興市海鹽縣秦山街道，是我國第1座一址多堆、多堆型的核電基地。自1991年第1臺機組并網發電以來，經過20年的建設，目前基地正在運行的有3座核電廠(秦山核電廠、秦山第二核電廠和秦山第三核電廠)，7臺機組(5臺壓水堆和2臺重水堆機組)，發電能力達430萬kW［9］，另外，還有2臺百萬千瓦級壓水堆機組在建。秦山核電基規劃限制區以各座反應堆分別界定5 km的外包路線為統一的規劃限制區進行設置，主要位于秦山街道境內，少部分在武原街道、澉浦鎮境內(如圖2所示)。秦山核電基地機組的建設和運營不斷帶動當地經濟的快速發展，規劃限制區的發展與限制矛盾日益突出。

圖2 秦山核電基地及規劃限制區

2．數據情況

由于秦山核電基地并網發電前缺乏高分辨率遙感影像覆蓋，本研究所采用的基期遙感影像為LandsatTM影像，軌道號為118/39，空間分辨率為30 m，獲取時間為1990年6月11日。用于對比分析的遙感影像為環境一號B星CCD影像，軌道號為451/80，空間分辨率為30 m，獲取時間為2012年5月6日。為了實現多源遙感影像的優勢互補，通過融合處理得到既有高空間分辨率又有高光譜分辨率的遙感影像，高分遙感影像數據采用資源三號全色和多光譜兩種數據:正視NAD數據，軌道號為880/149，空間分辨率為2．1 m，獲取時間為2012年6月18日;多光譜MUX數據，軌道號為881/149，分辨率為5．8 m，獲取時間為2012年11月11日。所選遙感影像紋理清晰，研究區域云量極少，含云量均不超過5%。兩期中分辨率遙感影像的獲取時相、空間分辨率、光譜波段基本一致，便于變化信息提取。

三、數據處理與分析

1．遙感影像預處理

本研究首先利用比例尺為1∶50 000的DEM數據對所選遙感影像進行幾何精校正，校正時均方根誤差控制在0．5個像元內?；谇厣胶穗娀匾巹潊^邊界，對精校正后的遙感影像進行掩膜處理，并對影像進行增強處理，得到研究區影像數據?？紤]到研究區海鹽縣秦山街道地勢比較平坦，地類相對簡單，采用HIS變換方法［10］，對兩景資源三號高分辨率遙感影像進行了融合處理，形成高分遙感融合影像，融合后影像特征得以加強，影像可識別度大大提高。數據預處理工作均基于ERDAS2010進行。利用已有高分辨率遙感影像，結合有關文件資料，對核電廠規劃限制區主要監查對象遙感影像圖形結構、紋理特征進行了分析研究，構建了監查對象解譯標志庫。

2．分類及變化提取

傳統的基于像素的遙感影像分類方法以像素作為識別的基本單元，僅能夠利用影像的光譜信息，信息提取精度比較低［11］。為了充分利用遙感影像的光譜、紋理、形狀、上下文等信息，本研究采用Sun Z P［12］提出的面向對象的分類方法，在基于eCognition 8．0軟件進行面向對象信息提取的基礎上，后期加入人工判讀，得到兩期遙感監查分類結果。利用ArcGIS 10．0軟件，對兩者進行疊加分析，提取生成研究區土地利用變化信息，生成秦山核電基地規劃限制區遙感監查分類變化圖(如圖3所示)。

圖3 秦山核電基地規劃限制區遙感監查分類變化

3．精度評價

遙感圖像的分類精度驗證與評價一般通過專家判讀及外業調查等手段獲取地塊的實際屬性，并以此為依據，對識別結果進行檢驗和評價。本研究采用目前較常用的混淆矩陣(confusion matrix)法進行分類精度驗證，精度評價指標包括總體精度、用戶精度、生產者精度和Kappa系數等。本研究采用的資源三號多光譜融合影像，其空間分辨率較高，可以直接在影像上解譯，采用簡單隨機抽樣法在分類結果上選擇300個測試樣本，通過人工判讀獲取地物的信息，作為參考數據對分類結果進行精度評價。精度評價結果見表2。

從精度評價表可以看出，總體精度為89．67%，Kappa系數為0．85，說明研究區整體分類效果較好。

表2 分類精度評價結果

4．遙感監查對象變化信息提取

為減少工作量，提高遙感監查精度，本研究僅針對變化區域進行遙感監查對象識別。將核電廠規劃限制區遙感監查分類變化圖和現勢高分辨率遙感融合影像進行疊加，依據監查對象解譯標志庫，結合土地利用類型，進行人工判讀目視解譯，得到規劃限制區遙感監查對象分布圖。以地面現場核查數據為依據，對監查對象變化信息提取精度進行核實，盡可能地減少錯提、漏提分類變化和監查對象分布信息，從而確保提取信息空間位置和屬性的準確性。

5．監查結果與分析

1990—2012年，秦山核電基地規劃限制區整體土地利用格局基本不變，占地面積由大到小依次為耕地、住宅用地、水域、林草地、工礦用地、交通用地、公共用地，其中耕地比重最大，超過一半。研究變化的22年間，耕地、住宅用地和林草地面積有所下降，而工礦用地和交通用地顯著增長，分別增長4．1倍和1．2倍(見表3)。

表3 秦山核電基地規劃限制區遙感監查分類面積及其變化統計 hm2

1990—2012年，秦山核電基地規劃限制區主要監查對象共新增或擴建了38處(見表4)，包括中型企業、中型生活居住區、醫院、學校、政府機關，以及化工廠、采石廠、加油站和港口碼頭等。經過整理、統計，構建形成規劃限制區監查對象信息庫，提供準確的空間定位和信息統計，為規劃限制區管理提供較好的數據支持。

表4 秦山核電基地規劃限制區遙感監查對象信息統計

總的來說，雖然秦山核電基地目前已有較大的發展，其規劃限制區范圍內的經濟發展仍得到了一定控制，至今仍未產生萬人以上的城鎮，人口增長得到了控制，也不存在大型企業，交通條件得到了很大的改善。規劃限制區的人口分布和生產企業分布能滿足基地實施核事故應急措施的要求，不存在執行場外應急計劃不可克服的條件。但也存在一些問題可能影響核電廠安全及核應急工作的有效實施，如隨著工業的快速發展，特別是紡織服裝等勞動密集型企業的增長，外來人口增加明顯;限制區內存在化工廠、采石廠等固定危險源，在一定程度上影響核電廠的安全穩定運行。

四、結 論

研究結果表明，利用衛星遙感影像，提取核電廠規劃限制區監查對象變化信息是可行的，能夠達到預期的結果，可以為核電廠規劃限制區管理提供有效的數據支撐。受高分辨率遙感數據覆蓋所限，研究用的兩期對比影像分辨率為30 m，分辨率較低，對于更詳細的地物特征不容易反映出來，導致分類的結果不盡詳細，存在加油站等較小地物漏判的現象，從而使監查的精度受影響。

近幾年，資源一號02C、資源三號、高分一號等國產高分辨率遙感衛星相繼發射，形成了穩定、高分辨率、高重訪周期的衛星數據資源，這為核電安全遙感監測范圍從核電廠址擴展到核電廠周圍規劃限制區提供了數據保障。全部應用多時相高分辨遙感影像后，會大大提高影像的識別精度，同時可直接通過基于對象的變化檢測方法來提取變化，將會進一步減輕工作量，提高精度。但目前尚無統一的分割精度評價標準，如何合理地選取最優分割尺度需要進一步深入研究［13］。另外，監查對象的分級標準特別是重點監查對象的內涵和規模也需要進一步的研究確定。

［1］ 王中堂．落實《核安全規劃》持續提高核電廠安全水平［J］．環境保護，2013，41(3-4):27-29．

［2］ 曲靜原．如何保證核電廠的環境安全［J］．環境保護，2011(6):28-31．

［3］ 孫中平，魏斌，申文明，等．環境一號衛星數據產品共享機制研究［J］．中國工程科學，2011，13(3):38-44．

［4］ 劉銳，陳毓齡．RS和GIS技術在土地利用動態監測中的應用［J］．測繪通報，2011(5):76-79．

［5］ 張書成．遙感技術在核監測活動中的應用［J］．國外鈾金地質，2000，17(4):347-351．

［6］ GARCIA H E，BURRT L，COLESGA，et al．Integration of Facility Modeling Capabilities for Nuclear Nonproliferation Analysis［J］．Progress in Nuclear Energy，2012，54(1):96-111．

［7］ VATSAVAI R R，BHADURI B，CHERIYADAT A，et al．Geospatial Image Mining for Nuclear Proliferation Detection:Challenges and New Opportunities［C］∥2010 IEEE International Conference on Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS)［S．l．］:IEEE，2010:48-51．

［8］ 陳政文．淺析核電廠規劃限制區的設置和監管［J］．核安全，2008(3):33-37．

［9］ 劉鴻詩，胡曉燕，陳彬，等．秦山核電基地外圍環境放射性水平20年監測結果［J］．原子能科學技術，2013，47(10):1906-1915．

［10］ 諸云強，孫九林．土地利用遙感動態監測應用研究——以蘭州安寧區為例［J］．資源科學，2006，28(2):82-87．

［11］ 肖奧，趙文吉，胡德勇，等．利用對象和支持向量機的遙感信息提取方法探討［J］．測繪科學，2010，35(5):154-157．

［12］ SUN Z P，SHEN W M，WEI B，et al．Object-oriented Land Cover Classification Using HJ-1 Remote Sensing Imagery［J］．Science China Earth Sciences，2010，53(1):34-44．

［13］ 林卉，劉培，夏俊士，等．基于分水嶺變換的遙感影像面向對象多尺度分割算法研究［J］．測繪通報，2011(10):17-19．