洞庭湖水體遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步探討

張屹　李利強(qiáng)　易敏　田琪　彭高卓　李虹

摘 要：針對(duì)洞庭湖水環(huán)境的監(jiān)測(cè)任務(wù)，在傳統(tǒng)水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，介紹遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理與水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能組成和具體實(shí)現(xiàn)，并對(duì)該系統(tǒng)做出總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：洞庭湖；遙感；水環(huán)境

洞庭湖位于湖南省北部，長(zhǎng)江荊江河段南岸，總流域面積25.72萬(wàn)km2，集水面積104萬(wàn)km2，為我國(guó)第二大淡水湖泊。近年來(lái)隨著環(huán)洞庭湖區(qū)人口增多和周?chē)鞘薪?jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，洞庭湖水質(zhì)的污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻，污染情況出現(xiàn)多源局部擴(kuò)大，湖泊總體水質(zhì)呈惡化趨勢(shì)，給水環(huán)境監(jiān)測(cè)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)和壓力。目前，對(duì)洞庭湖的水質(zhì)監(jiān)測(cè)仍采用傳統(tǒng)的實(shí)地采樣和實(shí)驗(yàn)室分析等手段來(lái)分析水質(zhì)情況，該方法是以點(diǎn)位進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，對(duì)測(cè)定局部范圍內(nèi)水質(zhì)的情況準(zhǔn)確性較高，但不能全面反映洞庭湖湖泊生態(tài)環(huán)境的總體時(shí)空變化，且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、成本高，也不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為了更加有效地對(duì)洞庭湖水質(zhì)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，降低監(jiān)測(cè)成本，節(jié)省人力資源，從總體、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)洞庭湖水質(zhì)的情況，采用遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的不足尤為可行。

一、建立洞庭湖水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)實(shí)施方案

根據(jù)洞庭湖區(qū)水網(wǎng)分布特點(diǎn)和歷史環(huán)境狀況資料確定水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)路線，包括遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理、水環(huán)境指標(biāo)提取、水環(huán)境狀況評(píng)價(jià)3個(gè)部分。

（一）遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過(guò)對(duì)未經(jīng)地理坐標(biāo)校準(zhǔn)和輻射定標(biāo)的初級(jí)遙感影像產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)算處理，生成表達(dá)地物反射率和亮度溫度的中間產(chǎn)品，提取出水體目標(biāo)，包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、輻射定標(biāo)、幾何校正和湖區(qū)提取4個(gè)部分。

（二）水環(huán)境指標(biāo)提取

使用預(yù)處理后的遙感影像數(shù)據(jù)，借助光學(xué)一生化/光學(xué)一物理模型，通過(guò)波段組合運(yùn)算的方式構(gòu)造多種具有光學(xué)、生化、物理或混合特性的特征，將其與同一時(shí)期內(nèi)的地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立關(guān)系模型，再將地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)內(nèi)插計(jì)算分布到圖斑中的空間數(shù)據(jù)中，以實(shí)現(xiàn)水環(huán)境指標(biāo)含量的真實(shí)化遙感方式表達(dá)。

（三）水環(huán)境狀況評(píng)價(jià)

根據(jù)國(guó)家環(huán)保部公布的水環(huán)境狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)使用遙感影像數(shù)據(jù)反演獲得的葉綠素a、總磷、總氮、高錳酸鹽等總計(jì)13項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)，其中富營(yíng)養(yǎng)化程度分為輕營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)、輕度富營(yíng)養(yǎng)、中度富營(yíng)養(yǎng)和重度富營(yíng)養(yǎng)5級(jí)，水污染程度分為優(yōu)、良好、輕度污染、中度污染、重度污染5級(jí)，水質(zhì)等級(jí)分為I～V與劣V類(lèi)六級(jí)，當(dāng)參與評(píng)價(jià)的單項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)超出標(biāo)準(zhǔn)限值所在級(jí)別，且為所評(píng)價(jià)指標(biāo)中最高時(shí)，將水環(huán)境狀況確定為該級(jí)別，直到所有參與評(píng)價(jià)的指標(biāo)完成限值判定。

二、洞庭湖水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)洞庭湖水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)實(shí)施方案，進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)，原則上要求系統(tǒng)具有在可視化的環(huán)境中，操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化高、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、靈活度高、可根據(jù)需求進(jìn)行維護(hù)或升級(jí)等特點(diǎn)。進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)采用多文檔多與視圖主框架結(jié)構(gòu)和模塊化與分層開(kāi)發(fā)，不同的服務(wù)層對(duì)應(yīng)不同的系統(tǒng)功能模塊，具有不同的應(yīng)用特點(diǎn)。

（一）主要功能設(shè)計(jì)

在整個(gè)水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)實(shí)施過(guò)程中空間地理定位及配準(zhǔn)影響最終水環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果，該功能設(shè)計(jì)對(duì)算法有較高的依賴(lài)性，它需要根據(jù)影像特征采用特定的圖像配準(zhǔn)算法，修正因采集環(huán)境、傳感器姿態(tài)、地形起伏等多種因素造成的地理坐標(biāo)偏差，并考慮影像全局幾何畸變的方式與對(duì)校正精度，需要達(dá)到流程化、少量乃至無(wú)人工干預(yù)的處理目標(biāo)。

水環(huán)境指標(biāo)提取作為水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能之一，負(fù)責(zé)完成遙感輻射指標(biāo)到水環(huán)境生化指標(biāo)的計(jì)算轉(zhuǎn)換，該功能設(shè)計(jì)包括反演模型建立和指標(biāo)計(jì)算2個(gè)部分。

通過(guò)使用大量遙感數(shù)據(jù)與同期地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立水環(huán)境指標(biāo)反演模型，，依據(jù)回歸分析理論，選擇有直接影響作用或相關(guān)程度高的光譜范圍，建立能夠表達(dá)遙感指標(biāo)與物理生化指標(biāo)之間數(shù)值關(guān)系的過(guò)程，采用XML文件結(jié)點(diǎn)記錄方式，按模型所屬類(lèi)別的重要性進(jìn)行分級(jí)管理.結(jié)點(diǎn)級(jí)別自頂向下分別是：水質(zhì)參數(shù)類(lèi)別、所在湖區(qū)、影像所屬衛(wèi)星傳感器類(lèi)別、模型信息，其中模型信息包括介紹、湖區(qū)代碼、公式和計(jì)算波段4個(gè)部分。

水環(huán)境指標(biāo)計(jì)算功能的設(shè)計(jì)包括從XML文件中調(diào)用指定反演模型公式執(zhí)行計(jì)算的常規(guī)運(yùn)行模式。

（二）數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是面向數(shù)據(jù)處理的業(yè)務(wù)化運(yùn)行系統(tǒng)，在執(zhí)行處理任務(wù)的過(guò)程中會(huì)涉及多種類(lèi)型數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)以及頻繁的數(shù)據(jù)I/O操作，特別是對(duì)于多線程批處理任務(wù)下的數(shù)據(jù)處理來(lái)說(shuō)，效率顯得尤為重要。具體到整個(gè)系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)接口來(lái)說(shuō)，應(yīng)包括有3種類(lèi)型：文本數(shù)據(jù)接口、空間數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)庫(kù)接口

三、水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能

基于上述技術(shù)路線及架構(gòu)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)了遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理與水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用JAVA語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，引入前臺(tái)操作顯示與后臺(tái)運(yùn)算處理同步執(zhí)行的多線程運(yùn)行模式，系統(tǒng)的主要功能包括：可視化的影像瀏覽查詢操作；以工程文件及文件夾的方式幫助用戶組織管理數(shù)據(jù)；影像預(yù)處理；水質(zhì)參數(shù)提取，包含模型反演和空間分析；水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化、水污染程度、水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)；水環(huán)境遙感評(píng)價(jià)產(chǎn)品制作等。

四、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)洞庭湖水域的環(huán)境監(jiān)測(cè)提出可行化的遙感監(jiān)測(cè)實(shí)施方案，以該方案的實(shí)施為目標(biāo)詳細(xì)介紹了水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組織架構(gòu)方式、主要功能模塊和數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)方法，為加強(qiáng)洞庭湖水質(zhì)遙感實(shí)用化、定量化的研究，為未來(lái)的洞庭湖水質(zhì)遙感工作展開(kāi)，以及盡早建立洞庭湖水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供借鑒和參考。

作者簡(jiǎn)介：張屹，湖南省洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心。