基于遙感技術(shù)的內(nèi)陸湖泊水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

周 正,劉良明

(武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院,湖北武漢 430079)

基于遙感技術(shù)的內(nèi)陸湖泊水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

周 正,劉良明

(武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院,湖北武漢 430079)

針對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)陸湖泊水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用周期長、不連續(xù)、費(fèi)用較高的局限性,介紹基于遙感數(shù)據(jù)的內(nèi)陸湖泊水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng),包括系統(tǒng)需求、系統(tǒng)框架、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)特征,并討論系統(tǒng)未來設(shè)計(jì)的改進(jìn)。

水質(zhì);湖泊;遙感;系統(tǒng)

一、引 言

內(nèi)陸湖泊在全球淡水資源中具有特殊的重要意義,其水資源量占地表液態(tài)淡水資源的 90%以上。它支撐著農(nóng)業(yè)、商業(yè)、運(yùn)輸、娛樂、旅游業(yè)的發(fā)展,為人類提供食品和能源,也是各種生物的重要棲息地。正因?yàn)楹慈绱酥匾?所以必須加大湖泊污染治理力度,讓不堪重負(fù)的湖泊休養(yǎng)生息,使其盡快恢復(fù)健康的生態(tài)服務(wù)功能[1]。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),必須鼓勵(lì)并實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的技術(shù)創(chuàng)新,而在眾多技術(shù)領(lǐng)域中,遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域已經(jīng)越來越受到關(guān)注。

傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測方法存在許多缺陷,包括監(jiān)測周期較長、時(shí)間與空間上不連續(xù)、費(fèi)用較高等。而遙感技術(shù)由于其快速、連續(xù)、信息量大等特征被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域。本文詳細(xì)介紹了基于遙感數(shù)據(jù)的內(nèi)陸湖泊水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì),該系統(tǒng)的目標(biāo)是能夠全面快速地反映內(nèi)陸湖泊水質(zhì)變化趨勢,提供豐富的信息用于改善內(nèi)陸湖泊水質(zhì)問題。

二、系統(tǒng)需求

1.數(shù)據(jù)需求

系統(tǒng)數(shù)據(jù)需求包括三類數(shù)據(jù)源:遙感數(shù)據(jù)、地面實(shí)測數(shù)據(jù)和環(huán)境背景數(shù)據(jù)。

(1)遙感數(shù)據(jù)

系統(tǒng)采用環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)小衛(wèi)星 A、B星(HJ-1A/1B衛(wèi)星)CCD數(shù)據(jù)作為主要的遙感數(shù)據(jù)源。首先,其空間分辨率為 30 m,比較適合大型內(nèi)陸湖泊的監(jiān)測;其次,A、B星兩臺(tái) CCD相機(jī)組網(wǎng)后重訪周期僅為 4 d,有利于湖泊水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。另外,此數(shù)據(jù)免費(fèi)提供給相關(guān)機(jī)構(gòu),有利于系統(tǒng)獲得長期穩(wěn)定的數(shù)據(jù)來源。A、B星 CCD數(shù)據(jù)主要載荷參數(shù)如表 1所示[2]。

表 1 HJ-1A/1B衛(wèi)星 CCD主要載荷參數(shù)

(2)地面實(shí)測數(shù)據(jù)

地面實(shí)測數(shù)據(jù)是由相關(guān)環(huán)境保護(hù)部門提供的湖泊斷面的監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)據(jù),包括每個(gè)監(jiān)測周期內(nèi)的各種水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測值。這些地面實(shí)測數(shù)據(jù)一方面用于建立系統(tǒng)中基于遙感數(shù)據(jù)的水質(zhì)監(jiān)測模型;另一方面用于在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)湖泊水質(zhì)指標(biāo)常規(guī)監(jiān)測。

(3)環(huán)境背景數(shù)據(jù)

系統(tǒng)中環(huán)境背景數(shù)據(jù)是一個(gè)數(shù)據(jù)集合,它包括環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、污染源數(shù)據(jù)、土地覆蓋變化數(shù)據(jù)、植被數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)和各種基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)等。它們作為輔助數(shù)據(jù)可用于水環(huán)境質(zhì)量分析與水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果的可視化表達(dá)。

2.功能需求

基于遙感數(shù)據(jù)的內(nèi)陸湖泊水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是充分利用遙感技術(shù)的優(yōu)勢進(jìn)行湖泊水質(zhì)的大范圍、連續(xù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測,為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),系統(tǒng)必須滿足以下的功能需求:①遙感數(shù)據(jù)與地面實(shí)測數(shù)據(jù)的自動(dòng)化預(yù)處理;②基于遙感數(shù)據(jù)的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測;③基于遙感與地面實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)合的湖泊水質(zhì)評(píng)價(jià);④湖泊水質(zhì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測與分析;⑤湖泊水質(zhì)監(jiān)測可視化表達(dá)。

三、系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

依據(jù)上述需求,本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1所示,系統(tǒng)由四個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成,它們分別是數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)、制圖與可視化子系統(tǒng)。

圖 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

系統(tǒng)涉及大量遙感數(shù)據(jù)、地面觀測數(shù)據(jù)、水環(huán)境專題數(shù)據(jù),以及各種環(huán)境背景數(shù)據(jù)等,因此數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)將對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理,建立一個(gè)數(shù)據(jù)資源的管理平臺(tái)。數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種數(shù)據(jù)源進(jìn)行分級(jí)存儲(chǔ),從而有效地為其他子系統(tǒng)提供輸入/輸出數(shù)據(jù)。

2.數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)

在湖泊水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)預(yù)處理是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié),它是水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用的前期工作,對(duì)輸入的遙感數(shù)據(jù)與地面觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,從而保證輸入數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的環(huán)境下進(jìn)行后續(xù)的分析與應(yīng)用。對(duì)于遙感數(shù)據(jù),其功能主要包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、輻射定標(biāo)、幾何校正、大氣校正、投影變換、興趣區(qū)域提取等。地面觀測數(shù)據(jù)主要實(shí)現(xiàn)格式與數(shù)據(jù)內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)化。數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)為其他系統(tǒng)提供初級(jí)標(biāo)準(zhǔn)遙感及地面觀測數(shù)據(jù)。

3.水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)

水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)利用遙感反演與時(shí)序分析模型生成一系列水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)產(chǎn)品,并利用這些指標(biāo)參數(shù)產(chǎn)品進(jìn)一步輸出包括湖泊水質(zhì)分區(qū)、湖泊水污染評(píng)價(jià)、湖泊富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)等水質(zhì)監(jiān)測高級(jí)產(chǎn)品。另外,水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)還包含應(yīng)用模型管理模塊用于支持應(yīng)用模型庫的修改、更新與定制。

4.制圖與可視化子系統(tǒng)

制圖與可視化子系統(tǒng)包含專題產(chǎn)品制圖與可視化表達(dá)兩部分。其中制圖模塊具有所見即所得的特點(diǎn),既提供地圖、圖例、比例尺等基本要素,還提供表格、統(tǒng)計(jì)圖、幾何圖形等要素,可實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)監(jiān)測專題產(chǎn)品的制圖排版并通過輸出設(shè)備進(jìn)行打印輸出。

可視化模塊用于對(duì)遙感數(shù)據(jù)、地面觀測數(shù)據(jù)以及各種專題產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表達(dá)。其中既包括對(duì)各種數(shù)據(jù)的靜態(tài)顯示,又包含對(duì)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)連續(xù)表達(dá),同時(shí)模塊中還加入了多媒體數(shù)據(jù)用于可視化,以便能更好地表達(dá)湖泊水質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化特征?？梢暬K具有兩種工作模式:①交互式模式,用戶可以自己選擇可視化表達(dá)的方式;②自動(dòng)化模式,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)組合相應(yīng)的可視化表達(dá)方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化。

四、系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

基于遙感數(shù)據(jù)的內(nèi)陸湖泊水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)采用C/S體系結(jié)構(gòu),保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性與可擴(kuò)展性。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)體系分為三個(gè)層次:數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和表現(xiàn)層,其整體邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖 2所示。

圖 2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

1)數(shù)據(jù)層在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)各種空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的集成,包括遙感數(shù)據(jù)庫、地面觀測數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、環(huán)境背景數(shù)據(jù)庫等。

2)應(yīng)用層提供一個(gè)平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能,它接收用戶的需求,調(diào)用數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能并輸出相應(yīng)的產(chǎn)品。

3)表現(xiàn)層相當(dāng)于一個(gè)可視化環(huán)境,系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)與專題產(chǎn)品在這個(gè)環(huán)境中以各種各樣的形式顯示出來,這些形式包含報(bào)告、專題圖、統(tǒng)計(jì)圖標(biāo)、動(dòng)畫等。

五、系統(tǒng)特點(diǎn)

基于遙感數(shù)據(jù)的內(nèi)陸湖泊水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)繼承了相關(guān)水環(huán)境應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)勢,又體現(xiàn)了遙感技術(shù)的特點(diǎn),其具有如下特點(diǎn)。

1.數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化

考慮到系統(tǒng)業(yè)務(wù)化運(yùn)行需求,系統(tǒng)采用任務(wù)流工作方式,用戶只需根據(jù)需求在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)填寫配置文件,系統(tǒng)會(huì)全自動(dòng)完成整個(gè)任務(wù)流并輸出相關(guān)產(chǎn)品。不僅提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率而且節(jié)省了用戶時(shí)間,使得用戶可以集中精力于湖泊水質(zhì)分析從而做出正確決策。

2.豐富可視化表達(dá)

傳統(tǒng)系統(tǒng)可視化表達(dá)方式比較單一,本系統(tǒng)中利用多種方法對(duì)專題數(shù)據(jù)產(chǎn)品以及各種數(shù)據(jù)源進(jìn)行表達(dá),用以傳遞更為豐富的湖泊水質(zhì)信息,使得監(jiān)測結(jié)果更為直觀鮮明,這樣既能夠幫助非遙感背景專家進(jìn)行湖泊水質(zhì)分析決策,又便于公眾參與湖泊水質(zhì)治理。

3.新型遙感數(shù)據(jù)源應(yīng)用

本系統(tǒng)中采用了環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)小衛(wèi)星A、B星 (HJ-1A/1B衛(wèi)星)CCD數(shù)據(jù)作為主要的遙感數(shù)據(jù)源,充分促進(jìn)利用國產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源進(jìn)行內(nèi)陸湖泊水質(zhì)監(jiān)測的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

六、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

內(nèi)陸湖泊水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)以武漢市東湖、梁子湖作為系統(tǒng)測試區(qū)域,對(duì)東湖、梁子湖水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測應(yīng)用,其實(shí)現(xiàn)的主要應(yīng)用功能包括了環(huán)境小衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)、幾何校正、水域提取、水環(huán)境指標(biāo)參數(shù)反演、水質(zhì)監(jiān)測與評(píng)價(jià)等,系統(tǒng)主要功能界面如圖 3～圖 7所示。

圖 3 系統(tǒng)主界面

圖 4 HJ-1A/1B CCD數(shù)據(jù)預(yù)處理

圖 5 遙感水質(zhì)監(jiān)測

圖 6 水質(zhì)監(jiān)測制圖與可視化

圖 7 數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)的應(yīng)用過程中,能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)化的運(yùn)行并取得了一定的效果,為湖北省水環(huán)境保護(hù)部門提供了一定的技術(shù)支持。

七、結(jié)束語

基于遙感數(shù)據(jù)的內(nèi)陸湖泊水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足湖泊水質(zhì)動(dòng)態(tài)、連續(xù)、大范圍監(jiān)測的業(yè)務(wù)化需求,為湖泊生態(tài)治理提供了相應(yīng)的技術(shù)支持。隨著湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展,它將在水環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。系統(tǒng)在未來需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn):①引入更多的新型遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)源;②實(shí)現(xiàn)湖泊水污染的預(yù)警與預(yù)報(bào);③利用數(shù)據(jù)同化技術(shù)改善遙感監(jiān)測精度。

致謝:本文的工作得到了湖北省環(huán)境監(jiān)測中心站的數(shù)據(jù)支持,在此表示感謝!

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2010-09-15

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周 正 (1984—),男,湖北武漢人,博士生,研究方向?yàn)榄h(huán)境與災(zāi)害遙感監(jiān)測評(píng)價(jià)。