太湖流域水環(huán)境天地一體化監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建與應(yīng)用

牛志春，李旭文，張 詠，金 焰，姜 晟

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南京 210036)

·環(huán)境預(yù)警·

太湖流域水環(huán)境天地一體化監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建與應(yīng)用

牛志春，李旭文，張 詠，金 焰，姜 晟

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南京 210036)

為全面提升中國(guó)水環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警能力和水平，建立天地一體化監(jiān)測(cè)體系，以太湖流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，探索了水環(huán)境天地一體化監(jiān)測(cè)方法，有效地結(jié)合地面常規(guī)監(jiān)測(cè)與衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了現(xiàn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)體系的不足，為環(huán)境污染，生態(tài)變化，災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)警、評(píng)估及應(yīng)急救助等指揮體系提供參考。

太湖;天地一體化;監(jiān)測(cè)

1 概述

長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)水環(huán)境監(jiān)測(cè)主要以地面布點(diǎn)采樣監(jiān)測(cè)為主，宏觀性、時(shí)效性較差，監(jiān)測(cè)成本相對(duì)較高，無(wú)法完全滿足環(huán)境保護(hù)發(fā)展的需要。而隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的日益成熟，其大范圍、全天候、全天時(shí)的優(yōu)勢(shì)，為環(huán)境監(jiān)測(cè)建立了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)保障，有效彌補(bǔ)了地面常規(guī)監(jiān)測(cè)費(fèi)用高，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分散，缺乏時(shí)空連續(xù)性，難以全面、及時(shí)反映環(huán)境質(zhì)量狀況及其發(fā)展趨勢(shì)的不足，為建立天地一體化的環(huán)境保護(hù)技術(shù)支撐體系奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［1，2］，為完善環(huán)境污染、生態(tài)變化以及災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、預(yù)警、評(píng)估、應(yīng)急救助指揮體系提供了良好的平臺(tái)。通過(guò)多年來(lái)水環(huán)境遙感科研人員的不懈努力，衛(wèi)星遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在水質(zhì)及富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)方面也取得了很多的突破，建立了日趨成熟的適用于中國(guó)不同地區(qū)湖泊等二類水體的分區(qū)、分季節(jié)的，基于經(jīng)驗(yàn)及半經(jīng)驗(yàn)、分析機(jī)理的遙感反演模型。

隨著中國(guó)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星A星、B星組網(wǎng)的建成，其每2 d的重訪能力和30 m CCD影像的地面分辨率將能更加有力地支持對(duì)藍(lán)藻水華、湖泛以及其他時(shí)變較快的生態(tài)問(wèn)題的監(jiān)測(cè)預(yù)警［3］。再加上資源衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星等國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像，國(guó)外Landsat等對(duì)地觀測(cè)、科學(xué)研究、公益性衛(wèi)星影像資源不斷豐富、互為補(bǔ)充和協(xié)同應(yīng)用，可以預(yù)見，對(duì)湖泊等水體中的小尺度、光譜上弱幅(然而較穩(wěn)定)的特征、時(shí)變快(一般小于1 d，甚至3～5 h)的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)象的捕捉和持續(xù)監(jiān)控將更加可行，多星遙感數(shù)據(jù)的協(xié)同監(jiān)測(cè)具有很強(qiáng)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用潛力［4，5］。筆者選擇水環(huán)境問(wèn)題最為突出的太湖流域作為研究區(qū)，探討了水環(huán)境天地一體化監(jiān)測(cè)體系建立需解決的問(wèn)題，天地一體化監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向及實(shí)際應(yīng)用等，為環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全面開展水環(huán)境天地一體化監(jiān)測(cè)提供參考。

2 水環(huán)境天地一體化監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建

水環(huán)境天地一體化監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建應(yīng)在現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測(cè)能力的基礎(chǔ)上，利用國(guó)家及地方太湖流域各類水環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備、機(jī)構(gòu)隊(duì)伍資源，充分結(jié)合地面監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)來(lái)開展。國(guó)家、省、市、縣四級(jí)監(jiān)測(cè)部門密切配合，以星地信息同步采集、傳輸和匯集，天地一體化水環(huán)境信息快速集成、處理和分析，監(jiān)測(cè)成果快速輸出并展示為基礎(chǔ)，以領(lǐng)導(dǎo)決策為先導(dǎo)，以應(yīng)急監(jiān)控為主線，建立一整套完善的水環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警體系(圖1)［6］。

2.1 星地同步監(jiān)測(cè)能力建設(shè)

太湖流域天地一體化監(jiān)測(cè)體系的建立應(yīng)充分整合國(guó)家、省、市、縣四級(jí)監(jiān)測(cè)能力和信息資源。國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)部門負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)方案的編制;省級(jí)環(huán)境監(jiān)測(cè)部門負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)任務(wù)的組織實(shí)施，衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總分析及監(jiān)測(cè)報(bào)告的編制;市、縣環(huán)境監(jiān)測(cè)部門負(fù)責(zé)衛(wèi)星過(guò)境期間水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)，包括手工采樣監(jiān)測(cè)、水質(zhì)快速監(jiān)測(cè)、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、藍(lán)藻及湖泛發(fā)生情況巡測(cè)等，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、信息及時(shí)傳輸?shù)绞〖?jí)環(huán)境監(jiān)測(cè)部門。目前，太湖流域按照“高標(biāo)準(zhǔn)、全覆蓋、最先進(jìn)”的目標(biāo)已建成了水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、手工地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，全面覆蓋了流域內(nèi)行政交界斷面、主要入湖河流、送水通道等區(qū)域，星地監(jiān)控預(yù)警能力大幅提升。

圖1 太湖流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建

水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)包括太湖流域水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)、浮標(biāo)站網(wǎng)及污染源在線監(jiān)控等，“十一五”期間，環(huán)保系統(tǒng)共建成水質(zhì)自動(dòng)站198個(gè)，浮標(biāo)站11個(gè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目涉及水質(zhì)五參數(shù)、氨氮、總磷、總氮、總有機(jī)碳、重金屬、生物毒性及葉綠素a等。水質(zhì)手工地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括水質(zhì)手工采樣監(jiān)測(cè)和水質(zhì)光譜測(cè)量，水質(zhì)手工監(jiān)測(cè)是指在太湖湖體定點(diǎn)手工采集水質(zhì)樣品，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室分析得出各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的濃度值，常規(guī)指標(biāo)包括《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)表1中規(guī)定的基本項(xiàng)目24項(xiàng)，加測(cè)水位、透明度、總磷、總氮、葉綠素a及懸浮物，監(jiān)測(cè)頻次為每月一次。水體光譜測(cè)量則是利用野外光譜輻射儀測(cè)量水面光譜輻射率曲線及一些輔助參數(shù)，如風(fēng)速、風(fēng)向、GPS點(diǎn)位信息等。衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)主要根據(jù)不同的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源及水質(zhì)特有的光譜反射特征，利用最佳波段或波段組合，建立分析模型，對(duì)太湖湖體水質(zhì)、藍(lán)藻發(fā)生情況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。比較常用的數(shù)據(jù)源包括高空間分辨率的美國(guó)陸地資源衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)、環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)、美國(guó)SPOT衛(wèi)星數(shù)據(jù)、中巴衛(wèi)星CBERS CCD數(shù)據(jù);高時(shí)間分辨率的美國(guó)EOS MODIS數(shù)據(jù)、NOAA數(shù)據(jù)及美國(guó)SeaWiFS數(shù)據(jù)等［7］。

2.2 信息網(wǎng)絡(luò)保障體系建設(shè)

在太湖流域水環(huán)境天地一體化同步監(jiān)測(cè)體系中，信息快速獲取和安全傳遞至關(guān)重要，為此必須建立完善的信息網(wǎng)絡(luò)保障體系［8，9］，及時(shí)、準(zhǔn)確地將各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總、分析，對(duì)一些敏感的環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)警。

天地一體化水環(huán)境信息傳輸主要涉及幾個(gè)方面，一是水質(zhì)自動(dòng)站及浮標(biāo)站等自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，依靠國(guó)家、省、市已建成的環(huán)境信息傳輸VPN專網(wǎng)及時(shí)匯集、整理。二是地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻資料、水質(zhì)光譜數(shù)據(jù)等則通過(guò)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，用于后續(xù)數(shù)據(jù)的分析提?。?0，11］。三是不同分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)資料的獲取，環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)主要依靠中國(guó)資源衛(wèi)星中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分發(fā)，處理好的1B數(shù)據(jù)再通過(guò)FTP等方式下載得到;EOS/MODIS等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的接收處理包括兩種方式，一種是通過(guò)廣播方式接收數(shù)據(jù)，另外一種是建立衛(wèi)星數(shù)據(jù)直收系統(tǒng)，在衛(wèi)星過(guò)境期間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步接收處理，接收到的數(shù)據(jù)再通過(guò)局域網(wǎng)傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸速度及安全性。

2.3 監(jiān)測(cè)成果應(yīng)用體系建設(shè)

建立覆蓋全流域、內(nèi)容齊全的各類應(yīng)用系統(tǒng)，加大對(duì)天地一體化同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的深度分析、挖掘，提升監(jiān)測(cè)應(yīng)用能力，如環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、水環(huán)境質(zhì)量綜合分析系統(tǒng)、太湖流域海量遙感數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等［12］。

在各類應(yīng)用系統(tǒng)的支撐下，對(duì)星地同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸、集成分析，通過(guò)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)整合各類地面手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將整理入庫(kù)的長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸給水環(huán)境質(zhì)量綜合分析系統(tǒng)［13］，利用該系統(tǒng)提取分析各類水環(huán)境信息，編制水質(zhì)監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)。在地面數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，利用海量遙感數(shù)據(jù)管理平臺(tái)及水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同步處理實(shí)時(shí)接收到的遙感數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)置的水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)模型、藍(lán)藻水華遙感提取模型、湖泛提取算法等及時(shí)輸出各類水質(zhì)可遙感指標(biāo)，輸出水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)。最后，對(duì)遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果及地面監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行空間疊加分析，修正各類水質(zhì)監(jiān)測(cè)模型，提升遙感監(jiān)測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)太湖流域全覆蓋、多角度、多手段的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 水環(huán)境天地一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

3.1 太湖藍(lán)藻天地一體化同步監(jiān)測(cè)

太湖藍(lán)藻天地一體化同步監(jiān)測(cè)包括遙感監(jiān)測(cè)、地面監(jiān)測(cè)及監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析3個(gè)方面(圖2)。遙感監(jiān)測(cè)是指利用環(huán)境一號(hào)或美國(guó)EOS/MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太湖藍(lán)藻發(fā)生、分布、演變情況，利用遙感圖像接收系統(tǒng)、處理系統(tǒng)及時(shí)制作太湖藍(lán)藻遙感分布圖，并及時(shí)輸出各類專報(bào)及成果圖。地面監(jiān)測(cè)是指在衛(wèi)星過(guò)境期間利用現(xiàn)有太湖監(jiān)測(cè)船巡測(cè)西部沿岸區(qū)、梅梁湖、貢湖等藍(lán)藻多發(fā)及重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)，監(jiān)視藍(lán)藻發(fā)生及分布，同時(shí)利用藻密度監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藻密度分布情況，數(shù)據(jù)獲取后及時(shí)整理分析。藍(lán)藻監(jiān)控預(yù)警部門根據(jù)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果、地面實(shí)測(cè)結(jié)果綜合分析藍(lán)藻暴發(fā)等級(jí)，一旦發(fā)生重大污染事件，及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)程序。

3.2 太湖湖泛天地一體化同步監(jiān)測(cè)

圖2 太湖藍(lán)藻天地一體化監(jiān)測(cè)

“太湖湖泛”是一種俗稱，目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的術(shù)語(yǔ)，多指藻類在湖泊岸邊、入湖河口和湖汊等區(qū)域聚集死亡，因快速耗氧導(dǎo)致腐爛和發(fā)臭，并在厭氧狀態(tài)下和底泥相互作用所形成的死藻殘?bào)w、污泥以及湖水的混合體。湖泛發(fā)生時(shí)，水體會(huì)出現(xiàn)不同程度的黑臭現(xiàn)象，對(duì)湖泊水生態(tài)造成較大影響。太湖湖泛天地一體化監(jiān)測(cè)包括遙感監(jiān)測(cè)、地面巡測(cè)、應(yīng)急監(jiān)測(cè)等(圖3)。遙感監(jiān)測(cè)是指利用接收到的HJ-1數(shù)據(jù)快速、連續(xù)地跟蹤太湖水體的變化情況，研判大面積、連續(xù)性分布的藍(lán)藻水華區(qū)域中出現(xiàn)的湖泛分布信息，監(jiān)視藍(lán)藻水華生長(zhǎng)消亡變化，一旦影像中反映出湖泛信息，立即判讀湖泛發(fā)生面積，啟動(dòng)湖泛應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，通知湖體巡測(cè)船及相關(guān)人員，及時(shí)采集水樣，并調(diào)用水質(zhì)自動(dòng)站數(shù)據(jù)，分析水質(zhì)現(xiàn)狀，按應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制采取圍網(wǎng)隔離、增氧曝氣、藍(lán)藻打撈、人工增雨、調(diào)水引流等措施，排除險(xiǎn)情，恢復(fù)水質(zhì)。

圖3 太湖湖泛天地一體化監(jiān)測(cè)

3.3 太湖湖體水質(zhì)天地一體化同步監(jiān)測(cè)

太湖湖體水質(zhì)天地一體化監(jiān)測(cè)包括衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)、地面手工監(jiān)測(cè)、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、湖體水質(zhì)巡測(cè)和星地同步監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比等(圖4)。其中衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)是指利用環(huán)境一號(hào)或TM衛(wèi)星數(shù)據(jù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等監(jiān)測(cè)太湖湖體水質(zhì)狀況，繪制主要水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)專題圖和等值線分布圖，反演太湖水質(zhì)現(xiàn)狀，提取各湖區(qū)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果等。地面手工監(jiān)測(cè)是指衛(wèi)星過(guò)境期間實(shí)時(shí)采集湖體例行監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水樣，能現(xiàn)場(chǎng)出結(jié)果的，現(xiàn)場(chǎng)做好統(tǒng)計(jì)報(bào)表，不能現(xiàn)場(chǎng)出結(jié)果的，將水樣及時(shí)送回實(shí)驗(yàn)室，并快速測(cè)定溶解氧、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)等指標(biāo)。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)是指調(diào)用衛(wèi)星過(guò)境期間利用水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水質(zhì)狀況等。水質(zhì)巡測(cè)是指通過(guò)應(yīng)急監(jiān)測(cè)船快速采集環(huán)境污染事故發(fā)生水面的水質(zhì)樣品，及時(shí)監(jiān)測(cè)分析主要水質(zhì)指標(biāo)。以上數(shù)據(jù)通過(guò)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，傳送至監(jiān)控預(yù)警部門，監(jiān)控預(yù)警人員對(duì)星地同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度比對(duì)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)隱患，啟動(dòng)環(huán)境應(yīng)急預(yù)案。

圖4 太湖湖體水質(zhì)天地一體化監(jiān)測(cè)

4 結(jié)論

近年來(lái)，太湖流域在各級(jí)政府的高度重視下，監(jiān)測(cè)預(yù)警能力不斷提升，在全國(guó)范圍內(nèi)已基本形成了監(jiān)測(cè)密度最高、監(jiān)測(cè)指標(biāo)最全面、信息采集量最豐富、技術(shù)最先進(jìn)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，在天地一體化監(jiān)測(cè)方面，具備了最為優(yōu)越的軟硬件條件。再加上水環(huán)境遙感科研人員在太湖流域長(zhǎng)期觀測(cè)試驗(yàn)，在水質(zhì)及富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)遙感監(jiān)測(cè)方面也取得了很多突破，為遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了可參考的依據(jù)。為此，通過(guò)在太湖流域優(yōu)先發(fā)揮地面監(jiān)測(cè)及衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)、湖泛監(jiān)測(cè)、藍(lán)藻監(jiān)測(cè)等方面基本上實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)化運(yùn)行，為中國(guó)其他流域天地一體化全面監(jiān)測(cè)提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，為中國(guó)環(huán)境保護(hù)工作歷史性轉(zhuǎn)變提供重要的技術(shù)支撐。

［1］ 李德仁，陳述彭，童慶禧，等.關(guān)于發(fā)射我國(guó)軍民兩用高分辨率遙感衛(wèi)星和建立天地一體化空間信息獲取、處理與分發(fā)系統(tǒng)的建議［J］.科學(xué)新聞，2008(19):9-10.

［2］ 范一大.減災(zāi)衛(wèi)星服務(wù)體系［J］.中國(guó)減災(zāi)，2006(8):24-25.

［3］ 王橋.環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用系統(tǒng)工程及其關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展［J］.環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2009，1(1):31-36.

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Construction and Application of an Integrated Space-ground Monitoring System for Water Environment in Taihu Lake

NIU Zhi-chun，LI Xu-wen，ZHANG Yong，JIN Yan，JIANG Sheng
(Jiangsu Provincial Environmental Monitoring Center，Nanjing，Jiangsu 210036，China)

In order to upgrade the water environmental monitoring ability and establish the space-earth monitoring system，the space-ground monitoring method of the water environment was explored in Taihu lake area.The system combined the advantage effectively between the ground monitoring and the remote sensing monitoring technology，provided the reference for the environmental pollution，the ecological change，the disaster monitoring，early warning，assessment，emergency aid and so on，which made up the disadvantage of the present environmental monitoring system.

Taihu lake;space-ground;monitoring

X87

A

1674-6732(2012)-01-0001-05

10.3969/j.issn.1674-6732.2012.01.001

2011-11-15

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2009ZX07527-006-3)。

牛志春(1977—)，女，工程師，碩士，從事環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用工作。