富營(yíng)養(yǎng)化湖庫(kù)天空地一體化監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

段洪濤，萬能勝，邱銀國(guó)，劉 剛，陳 青，羅菊花，陳 遠(yuǎn)，齊天賜

(1：中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所中國(guó)科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)(2：安徽省巢湖管理局湖泊生態(tài)環(huán)境研究院，合肥 230000)(3：巢湖管理局環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，巢湖 238000)

湖泊和水庫(kù)是我國(guó)的主要飲用水源地，但大都處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài). 根據(jù)2007-2010年第二次全國(guó)湖泊調(diào)查結(jié)果，東部平原湖區(qū)、東北平原與山地湖區(qū)和云貴高原湖區(qū)138個(gè)面積大于10 km2的湖泊中85.4%都處于富營(yíng)養(yǎng)化水平[1]. 富營(yíng)養(yǎng)化的一個(gè)嚴(yán)重后果就是藍(lán)藻水華頻繁暴發(fā)，大量水華藍(lán)藻漂浮在湖面，水體呈稠密的油狀，腥臭難忍，每升藻類密度達(dá)到上億甚至百億個(gè)，不僅影響水體景觀，還威脅飲用水安全. 事實(shí)上，2007年無錫太湖水危機(jī)事件，就是由藍(lán)藻水華暴發(fā)引起的[2]；同樣，合肥市因?yàn)樗{(lán)藻水華問題，關(guān)閉了以西巢湖為水源地的水廠，改至水質(zhì)較好的董鋪水庫(kù)和大房郢水庫(kù)(董大水庫(kù))；昆明市也因?yàn)榈岢厮{(lán)藻經(jīng)常性暴發(fā)，2007年開通了掌鳩河引水供水工程，水源地改為云龍水庫(kù). 湖泊等水體富營(yíng)養(yǎng)化引起的藍(lán)藻水華頻發(fā)，已成為影響社會(huì)穩(wěn)定、制約區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大問題.

在太湖、巢湖和滇池等富營(yíng)養(yǎng)化湖泊，藍(lán)藻水華已經(jīng)成為常態(tài)，并將在未來較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)存在. 太湖在連續(xù)10年的全流域高投入治污背景下，2017年與2010年相比，總氮(TN)濃度有所下降，但仍高于2.00 mg/L；總磷(TP)濃度輕微下降后又顯著升高，2017年全湖平均濃度為0.13 mg/L，增高16.9%；葉綠素a濃度也有所升高，在40 μg/L左右[3-4]. 巢湖管理局環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，巢湖2019年TN濃度在0.82～1.55 mg/L之間，年均值為1.18 mg/L；TP濃度在0.050～0.120 mg/L之間，年均值為0.078 mg/L，全年水質(zhì)在Ⅳ類上下浮動(dòng). 滇池形勢(shì)也不容樂觀，根據(jù)生態(tài)環(huán)境部最新公布數(shù)據(jù)(http://www.mee.gov.cn/)，滇池2019年第4季度為重度污染、輕度富營(yíng)養(yǎng)，主要污染指標(biāo)為pH、化學(xué)需氧量和TP濃度. 而在太湖開展的藍(lán)藻控制試驗(yàn)結(jié)果表明，藍(lán)藻大量生長(zhǎng)需要的最低TN和TP濃度分別為1.26和0.082 mg/L[5]. 但是，目前太湖、巢湖和滇池營(yíng)養(yǎng)鹽濃度整體上，特別是夏季，仍然高于該閾值，藍(lán)藻水華暴發(fā)已成為常態(tài)[6-8].

藍(lán)藻水華的整體應(yīng)對(duì)策略，已經(jīng)從被動(dòng)應(yīng)急轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)防御. 要做到主動(dòng)防御，必須及時(shí)了解藍(lán)藻水華的現(xiàn)狀和動(dòng)向. 但是湖泊和水庫(kù)等現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段普遍不完善，應(yīng)急監(jiān)測(cè)體系缺乏，難以滿足藍(lán)藻防控與應(yīng)急處置要求. 當(dāng)前，無人機(jī)、視頻監(jiān)控、自動(dòng)浮標(biāo)以及高分衛(wèi)星等技術(shù)的不斷發(fā)展，為構(gòu)建富營(yíng)養(yǎng)化湖庫(kù)藍(lán)藻天-空-地協(xié)同的立體應(yīng)急監(jiān)控體系提供了很好的條件. 實(shí)際上，天-空-地一體化的概念早已提出，其核心內(nèi)容是整合天、空和地基等不同觀測(cè)手段，聚合分析多源多維異構(gòu)時(shí)空大數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)單一手段觀測(cè)尺度或維度的不足，實(shí)現(xiàn)不同手段和信息的協(xié)同和互補(bǔ)，服務(wù)應(yīng)急和決策. 天-空-地立體監(jiān)控目前已經(jīng)在數(shù)字農(nóng)業(yè)、大氣環(huán)境、地震災(zāi)害等多種領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)踐[9-10]，具體水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，如太湖、千島湖、滇池、洱海等都提出了天-空-地立體化監(jiān)測(cè)的理念，并進(jìn)行了部分實(shí)踐. 實(shí)際上，衛(wèi)星遙感、水質(zhì)站自動(dòng)監(jiān)測(cè)等手段早已經(jīng)被廣泛使用，但更多是各自運(yùn)行相互獨(dú)立，部分實(shí)現(xiàn)了手段的立體化，但并沒有真正實(shí)現(xiàn)手段的協(xié)同和一體化. 天-空-地一體化監(jiān)測(cè)并不是單純地通過增加一兩種技術(shù)手段來補(bǔ)充形成立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，更需要整合不同手段信息，在空間尺度、時(shí)間尺度和獲取不同參數(shù)信息等方面取長(zhǎng)補(bǔ)短、互相補(bǔ)充，做到不同手段信息的協(xié)同和交互. 從這個(gè)角度來講，目前形成天-空-地一體化監(jiān)控系統(tǒng)的案例還比較少，更沒形成應(yīng)用范式方便更大范圍推廣. 本文圍繞富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藍(lán)藻水華及其衍生災(zāi)害，嘗試通過充分發(fā)揮多源觀測(cè)手段在不同時(shí)、空信息觀測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建藍(lán)藻水華應(yīng)急監(jiān)控系統(tǒng)框架和體系，形成全方位、多層次的天-空-地一體化觀測(cè)和應(yīng)急防控平臺(tái)，防止藍(lán)藻水華引起的水源地危機(jī)等突發(fā)性災(zāi)害發(fā)生，保障湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康和水源地水質(zhì)安全，相信在富營(yíng)養(yǎng)化湖庫(kù)具有重要應(yīng)用和推廣價(jià)值.

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 建設(shè)目標(biāo)

針對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖庫(kù)主要水環(huán)境災(zāi)害——藍(lán)藻水華及其衍生物，完善監(jiān)測(cè)手段，構(gòu)建應(yīng)急監(jiān)控體系，為藍(lán)藻水華科學(xué)管理和應(yīng)急防控服務(wù). 建設(shè)目標(biāo)整體上可概括為“三三五”：(1)三個(gè)目標(biāo)：現(xiàn)狀掌握、異常報(bào)警、原因追溯；(2)三個(gè)層次：整個(gè)湖體、重點(diǎn)區(qū)域、關(guān)鍵位置；(3)五種手段：衛(wèi)星、無人機(jī)、岸基/平臺(tái)視頻、浮標(biāo)、人工巡測(cè). 針對(duì)現(xiàn)有衛(wèi)星遙感陰雨天沒有數(shù)據(jù)的問題，補(bǔ)充無人機(jī)、岸基/平臺(tái)視頻監(jiān)控、自動(dòng)浮標(biāo)等監(jiān)測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)湖體-重點(diǎn)區(qū)域-關(guān)鍵位置全覆蓋的天-空-地立體監(jiān)控，及時(shí)掌握現(xiàn)狀信息；構(gòu)建富營(yíng)養(yǎng)化湖庫(kù)應(yīng)急監(jiān)控平臺(tái)，發(fā)揮衛(wèi)星遙感、岸基/平臺(tái)視頻監(jiān)測(cè)和浮標(biāo)等連續(xù)觀測(cè)特長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)水華、水色和水質(zhì)指標(biāo)等異常自動(dòng)報(bào)警，及時(shí)啟動(dòng)人工和無人機(jī)等應(yīng)急監(jiān)測(cè)手段，形成完善的富營(yíng)養(yǎng)化湖庫(kù)藍(lán)藻應(yīng)急監(jiān)控體系.

圖1 富營(yíng)養(yǎng)化湖庫(kù)藍(lán)藻天-空-地一體化監(jiān)控平臺(tái)架構(gòu)Fig.1 Architecture of cyanobacterial blooms monitoring platform in eutrophic lakes

1.2 系統(tǒng)框架

富營(yíng)養(yǎng)化湖庫(kù)藍(lán)藻監(jiān)控平臺(tái)結(jié)構(gòu)包括3層：數(shù)據(jù)獲取層、業(yè)務(wù)邏輯層以及應(yīng)用表現(xiàn)層(圖1).(1)數(shù)據(jù)獲取層：為系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用提供必要的數(shù)據(jù)支撐，基于衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、岸基/平臺(tái)視頻、浮標(biāo)、人工巡測(cè)等監(jiān)測(cè)手段構(gòu)建天-空-地一體化的湖庫(kù)藍(lán)藻立體監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，全方位、實(shí)時(shí)感知湖庫(kù)水質(zhì)情況以及異常信息，并通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，最終建成標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)；(2)業(yè)務(wù)邏輯層：連接后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)與平臺(tái)人機(jī)界面的核心，包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析以及智能決策3個(gè)功能模塊. 其中，數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)多種監(jiān)測(cè)手段獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，為數(shù)據(jù)的對(duì)比分析以及系統(tǒng)的智能決策提供支持；數(shù)據(jù)分析模塊通過對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理結(jié)果以及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)變化趨勢(shì)分析與預(yù)測(cè)、水質(zhì)/水色異常識(shí)別及原因分析等功能；智能決策模塊基于數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊的結(jié)果實(shí)現(xiàn)水質(zhì)超標(biāo)判斷、水質(zhì)變化的原因追溯、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及應(yīng)急預(yù)案制定等功能；(3)應(yīng)用表現(xiàn)層：又稱為人機(jī)界面層，包含水質(zhì)時(shí)空分布狀態(tài)以及變化趨勢(shì)的實(shí)時(shí)展示、水質(zhì)預(yù)警信息的實(shí)時(shí)推送、水質(zhì)變化原因的智能分析、應(yīng)急預(yù)案查詢等功能；通過基于Web Services服務(wù)架構(gòu)的人機(jī)界面訪問接口，實(shí)現(xiàn)Web版與App版湖庫(kù)藍(lán)藻立體監(jiān)控平臺(tái)，支持平臺(tái)各個(gè)功能模塊在平臺(tái)前端界面上的可視化展示與人機(jī)交互.

2 天-空-地立體監(jiān)控系統(tǒng)巢湖實(shí)踐

巢湖(31.40°～31.72°N，117.24°～117.90°E)，位于安徽省中部，平均水深3.0 m，水面面積785.4 km2(吳淞9.0 m)，流域面積1.36萬 km2，是中國(guó)著名的五大淡水湖之一.沿湖共有入湖河流39條，其中較大的河流有杭埠河、白石天河、派河、南淝河、烔煬河、柘皋河、兆河等，貢獻(xiàn)了全湖總水量的90%[11]，從南、西、北3面匯入湖內(nèi)，然后在東南部經(jīng)唯一的出湖河流裕溪河注入長(zhǎng)江. 在1960s之前，巢湖以其優(yōu)美的風(fēng)景以及豐富的漁業(yè)資源而聞名[12]. 然而，由于當(dāng)?shù)?，特別是上游合肥市人口和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近幾十年來該湖遭受了富營(yíng)養(yǎng)化和頻繁的藍(lán)藻水華暴發(fā)[7,13-14]. 2012年，隨著行政區(qū)劃調(diào)整的完成，巢湖成了合肥市內(nèi)湖. 為更好地組織協(xié)調(diào)環(huán)境污染治理和生態(tài)保護(hù)工作，更好地實(shí)現(xiàn)“拱衛(wèi)長(zhǎng)江下游生態(tài)安全”的重任，合肥市委、市政府提出了“大湖名城、創(chuàng)新高地”的城市發(fā)展規(guī)劃. 2017年，我國(guó)環(huán)境保護(hù)部明確提出著力推進(jìn)“老三湖”(太湖、巢湖、滇池)和“新三湖”(洱海、丹江口、白洋淀)，以及長(zhǎng)江、海河、跨國(guó)界河流等流域水生態(tài)保護(hù)和水污染防治. 巢湖作為“老三湖”之一，構(gòu)建天-空-地一體的監(jiān)控系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，防止藍(lán)藻水華突發(fā)性災(zāi)害，不僅對(duì)當(dāng)?shù)爻鞘锌沙掷m(xù)發(fā)展和流域人民生產(chǎn)生活都具有重要作用，對(duì)于其他富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重的湖庫(kù)也具有較大借鑒作用.

2.1 監(jiān)控手段建設(shè)

水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)上以人工采集回到實(shí)驗(yàn)室分析獲得，藍(lán)藻水華面積以MODIS衛(wèi)星監(jiān)測(cè)為主. 人工監(jiān)測(cè)頻率低，覆蓋范圍有限，出現(xiàn)突發(fā)情況很難覺察. 而MODIS衛(wèi)星雖然時(shí)間分辨率很高，但容易受云雨天氣影響. 據(jù)2000-2019年針對(duì)所有巢湖MODIS有效影像統(tǒng)計(jì)，最好的年份也不超過150 d有效影像，這給日常業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)藍(lán)藻水華帶來了難題；另外，MODIS影像空間分辨率在500 m左右，很難對(duì)重點(diǎn)區(qū)域，比如取水口、風(fēng)景名勝區(qū)等進(jìn)行有效觀測(cè). 這需要借助新的、成熟的觀測(cè)手段彌補(bǔ)監(jiān)測(cè)的缺位.

目前，基于探頭的水質(zhì)自動(dòng)觀測(cè)技術(shù)突飛猛進(jìn)，水站的監(jiān)測(cè)頻次可以根據(jù)情況連續(xù)監(jiān)測(cè)或每幾小時(shí)監(jiān)測(cè)一次，管理人員可以通過控制軟件自行設(shè)定，自動(dòng)、快速獲取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在突發(fā)性水污染事故預(yù)警預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)等方面有效彌補(bǔ)了人工監(jiān)測(cè)的短板. 目前，國(guó)家水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括水溫、pH值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、總有機(jī)碳、氨氮、總氮(TN)、總磷(TP)和葉綠素a等[15]. 巢湖目前已經(jīng)在湖體7個(gè)國(guó)控站點(diǎn)建成自動(dòng)觀測(cè)站，主要觀測(cè)TN、TP、氨氮、化學(xué)需氧量、水溫、葉綠素a、溶解氧、pH值和電導(dǎo)率9個(gè)參數(shù). 另外，沿湖岸帶建成33個(gè)攝像頭，基本涵蓋了主要入湖河口和重要風(fēng)景名勝區(qū)，可快速獲取固定區(qū)域的視頻或者圖像，經(jīng)過簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理，獲取藍(lán)藻水華的分布面積和范圍(圖2)；也可以進(jìn)一步觀測(cè)水色的異常，比如針對(duì)藍(lán)藻水華堆積、死亡以及突發(fā)污染事件等引起的水色變化，研制類似圖2的自動(dòng)處理算法和程序，實(shí)現(xiàn)水色異常自動(dòng)報(bào)警.

無人機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水體監(jiān)測(cè)，但能做到具體水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)的主要是基于搭載高光譜傳感器的多旋翼等荷載量大的機(jī)型. 韓國(guó)科學(xué)家和中方合作，已經(jīng)有針對(duì)河流水體葉綠素a和藻藍(lán)素濃度無人機(jī)遙感的成功案例[16-17]. 但是，高光譜傳感器和能搭載其的多旋翼無人機(jī)等機(jī)型目前價(jià)格較高，整套動(dòng)輒在60萬元以上；特別是還涉及到復(fù)雜的飛行操控和數(shù)據(jù)處理，直接應(yīng)用到巢湖管理局等地方業(yè)務(wù)部門難度較大，目前還不具備條件. 但是消費(fèi)級(jí)無人機(jī)，比如大疆精靈Phantom系列、御Mavic系列等，價(jià)格在1萬元左右，成本可控，且飛行經(jīng)過簡(jiǎn)單培訓(xùn)很容易掌握，可以快速獲取較大范圍的視頻或者圖像，結(jié)合圖2類似的圖像處理技術(shù)，可用于水源地取水口、風(fēng)景名勝區(qū)和出入湖河流等重點(diǎn)區(qū)域的常規(guī)或者應(yīng)急藍(lán)藻監(jiān)控.

圖2 基于攝像頭/無人機(jī)視頻照片的藍(lán)藻水華提取(上行為原始照片，下行為藍(lán)藻水華提取結(jié)果)Fig.2 Extraction of cyanobacterial blooms based on drone /camera photos (upper row: original photos; lower row: cyanobacterial bloom extraction results)

圖3 富營(yíng)養(yǎng)化湖庫(kù)天-空-地監(jiān)控示意圖(以巢湖為例)Fig.3 Schematic diagram of three-dimensional monitoring in eutrophic lakes (Take Lake Chaohu for example)

2.2 應(yīng)急監(jiān)控體系

巢湖的應(yīng)急監(jiān)控體系主要圍繞著“三三五”目標(biāo)建設(shè). 空間尺度從區(qū)域上劃分為3個(gè)層次(圖3)：湖體、重點(diǎn)區(qū)域和關(guān)鍵位置，通俗地講可以稱為點(diǎn)、線、面. 由于空間尺度和關(guān)注問題的不同，可以分別針對(duì)3個(gè)層次采用不同的觀測(cè)手段. 湖體(面)，主要指整個(gè)巢湖水體，區(qū)域大，主要面臨的是藍(lán)藻水華問題，衛(wèi)星遙感高頻觀測(cè)可以發(fā)揮主要監(jiān)測(cè)作用；重點(diǎn)區(qū)域(線)，主要指入湖河口、風(fēng)景名勝區(qū)、藻華暴發(fā)區(qū)、水源地I級(jí)保護(hù)區(qū)等，面積一般較小，可以主要采用高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)觀測(cè)，并輔助以無人機(jī)和視頻監(jiān)測(cè)；關(guān)鍵位置(點(diǎn))，主要指水源地取水口、國(guó)控/省控?cái)嗝?、河流出入口斷面、岸邊帶等，區(qū)域非常小，主要采用浮標(biāo)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、岸基/平臺(tái)視頻監(jiān)測(cè)，輔助以無人機(jī)監(jiān)測(cè).

具體的建設(shè)方案如下(表1)：(1)整個(gè)湖體：MODIS、GOCI等500 m左右高頻衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)(一天兩次或多次)為主，輔助以高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)(GF-1 WFI，16 m，兩天一次；Sentinel-2 MSI 10 m，單星10天一次，雙星5天一次)，可獲取藍(lán)藻水華面積、葉綠素a濃度等指標(biāo)；(2)重點(diǎn)區(qū)域(河口、景觀區(qū)、藻華暴發(fā)區(qū)、水源地I級(jí)保護(hù)區(qū))：以高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主，以無人機(jī)(光學(xué)相機(jī))為輔，可獲取藍(lán)藻水華面積、葉綠素a濃度、污染引起的黑水團(tuán)范圍和面積等指標(biāo). (3)關(guān)鍵位置(取水口、國(guó)控/省控?cái)嗝?、河流出入湖斷面、岸邊帶?：以浮標(biāo)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、岸基/平臺(tái)視頻監(jiān)測(cè)為主，以無人機(jī)監(jiān)測(cè)為輔；浮標(biāo)可獲取精細(xì)的水質(zhì)指標(biāo)，岸基/平臺(tái)視頻和無人機(jī)可獲取圖片、視頻，提取藍(lán)藻和黑水團(tuán)等分布范圍和面積.

表1 天-空-地監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)方案

應(yīng)急監(jiān)控系統(tǒng)功能，主要包括3個(gè)部分：異常報(bào)警、應(yīng)急監(jiān)測(cè)和綜合服務(wù). 異常報(bào)警，主要利用常規(guī)監(jiān)測(cè)手段發(fā)現(xiàn)異常，并通過系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警發(fā)送給相關(guān)負(fù)責(zé)人；應(yīng)急監(jiān)測(cè)，在接到異常報(bào)警后，啟動(dòng)應(yīng)急監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)異常區(qū)域快速監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理；綜合服務(wù)，主要是發(fā)布監(jiān)測(cè)報(bào)告，提供原因分析，制定應(yīng)急處置方案，為政府相關(guān)管理機(jī)構(gòu)科學(xué)決策服務(wù). 具體任務(wù)：(1)異常報(bào)警：針對(duì)藍(lán)藻水華暴發(fā)面積大、水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)和突發(fā)水污染事件等，利用常規(guī)監(jiān)測(cè)手段發(fā)現(xiàn)異常并報(bào)警. 湖體和重點(diǎn)區(qū)域藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)以衛(wèi)星為主，面積大于一定閾值時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警；重點(diǎn)區(qū)域和關(guān)鍵位置，以浮標(biāo)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、岸基/平臺(tái)視頻監(jiān)測(cè)為主，浮標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)超過一定閾值，岸基/平臺(tái)視頻發(fā)現(xiàn)水色異常，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警. (2)應(yīng)急監(jiān)測(cè)：接到異常報(bào)警通知后，啟動(dòng)無人機(jī)和人工監(jiān)測(cè)等手段，實(shí)現(xiàn)異常區(qū)域高頻率監(jiān)測(cè)，并能對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)快速處理，及時(shí)獲取全面情況和相關(guān)水質(zhì)信息. (3)綜合服務(wù)：構(gòu)建軟硬件結(jié)合的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，快速獲取和發(fā)布相關(guān)監(jiān)測(cè)結(jié)果；綜合多種監(jiān)測(cè)手段，比對(duì)歷史數(shù)據(jù)，揭示水華、水質(zhì)異常和突發(fā)水污染事件原因；制定不同情景方案，提供應(yīng)急處置建議.

2.3 業(yè)務(wù)流程

監(jiān)測(cè)手段可以劃分為日常監(jiān)測(cè)和應(yīng)急監(jiān)控兩種. 日常監(jiān)測(cè)主要采用衛(wèi)星遙感、浮標(biāo)、岸基/平臺(tái)視頻等不需要人工操作、可自動(dòng)連續(xù)的監(jiān)測(cè)手段；應(yīng)急監(jiān)控手段主要采用無人機(jī)和人工監(jiān)測(cè)，其中無人機(jī)主要是大疆等消費(fèi)級(jí)機(jī)型，獲取視頻和照片，需要根據(jù)人工指令啟動(dòng). 具體的工作流程為(圖4)：(1)對(duì)水華面積、水色異常、水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)等設(shè)置閾值；(2)基于日常監(jiān)測(cè)手段，對(duì)全湖和重點(diǎn)區(qū)域水華聚集、水色異常和突發(fā)水污染事件等監(jiān)測(cè)，超過閾值后自動(dòng)或者人工復(fù)合后報(bào)警，并通過APP推送、短信等形式到達(dá)指定責(zé)任人；(3)責(zé)任人采取措施，啟動(dòng)無人機(jī)和人工監(jiān)測(cè)等應(yīng)急監(jiān)測(cè).

圖4 天-空-地立體監(jiān)控體系業(yè)務(wù)流程Fig.4 Work flow of the blooms monitoring system

3 問題與挑戰(zhàn)

3.1 不同觀測(cè)手段優(yōu)缺點(diǎn)和互補(bǔ)性

巢湖、太湖等大型湖泊藍(lán)藻水華衛(wèi)星遙感現(xiàn)在采用的多是以MODIS傳感器為主的約500 m分辨率數(shù)據(jù)，其優(yōu)勢(shì)是Terra和Aqua兩顆星配合，可以上午(約11:00)和下午(約13:30)重復(fù)觀測(cè)，且數(shù)據(jù)免費(fèi)，容易獲取，水華提取和葉綠素a估算等算法較為成熟. 缺點(diǎn)主要包括兩方面：一方面是空間分辨率較粗，小范圍的重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域無法有效監(jiān)測(cè)；另一方面是光學(xué)數(shù)據(jù)的共有缺陷，受云雨天氣影響較大，在江淮流域全年有效數(shù)據(jù)基本不到一半；高分辨率衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域觀測(cè)，但數(shù)量有限，在巢湖的實(shí)踐表明，目前有效數(shù)據(jù)1周不超過1景. 無人機(jī)可以部分彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，通過針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域拍攝，可以快速獲取影像，了解水環(huán)境情況；也可以在有云情況下補(bǔ)充數(shù)據(jù). 但無人機(jī)同樣存在缺陷，主要是拍攝需要人工攜帶和啟動(dòng)，無法做到類似衛(wèi)星的自主拍攝，且風(fēng)雨天氣受限較多，多用于人工常規(guī)巡測(cè)或者應(yīng)急觀測(cè). 設(shè)置在固定站點(diǎn)的攝像頭可以做到白天連續(xù)觀測(cè)，通過結(jié)合算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提取，可以彌補(bǔ)重點(diǎn)位置衛(wèi)星和無人機(jī)觀測(cè)不足的問題. 實(shí)際上，不管是衛(wèi)星遙感、無人機(jī)還是攝像頭，都依賴光學(xué)鏡頭，存在不利天氣和水化學(xué)指標(biāo)無法觀測(cè)的問題(表2). 自動(dòng)浮標(biāo)有效彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷，可以監(jiān)測(cè)TN、TP濃度等水化學(xué)指標(biāo)，特別是可以連續(xù)觀測(cè)，不受天氣影響，但由于購(gòu)買和維護(hù)成本較高，只在有限點(diǎn)位安裝. 人工巡測(cè)是最為傳統(tǒng)的觀測(cè)方式，更多的是彌補(bǔ)現(xiàn)有觀測(cè)手段不足的問題. 總體來說，衛(wèi)星遙感、攝像頭和浮標(biāo)等具有自動(dòng)和連續(xù)觀測(cè)能力的技術(shù)，應(yīng)該是監(jiān)測(cè)水環(huán)境災(zāi)害突發(fā)事件并及時(shí)報(bào)警的主要觀測(cè)方式；其中，衛(wèi)星遙感主要針對(duì)全湖或重點(diǎn)區(qū)域大面積水華或黑水團(tuán)，而攝像頭主要針對(duì)局部區(qū)域水華或黑水團(tuán)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)站則是國(guó)控/省控等固定站點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)，三者具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，可以發(fā)揮協(xié)同作用. 而無人機(jī)、人工監(jiān)測(cè)更多地用于事件應(yīng)急觀測(cè)，補(bǔ)充突發(fā)事件發(fā)生時(shí)某些區(qū)域沒有影像、水質(zhì)超標(biāo)沒有數(shù)據(jù)的缺陷. 因此，充分發(fā)揮各種手段的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)相對(duì)劣勢(shì)，在日常監(jiān)測(cè)、異常報(bào)警和應(yīng)急防控3方面做到不同時(shí)空尺度的信息融合，有助于更好地滿足湖泊水環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求.

表2 不同監(jiān)測(cè)手段優(yōu)缺點(diǎn)比較

3.2 未來發(fā)展趨勢(shì)

衛(wèi)星遙感一直在湖泊等內(nèi)陸水體監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮著不可替代的作用. 隨著目前衛(wèi)星數(shù)據(jù)源越來越多，比如我國(guó)的高分系列和海洋系列等衛(wèi)星、歐盟的哨兵(sentinel)系列衛(wèi)星、美國(guó)的NPP-VIIRS等衛(wèi)星以及韓國(guó)的GOCI靜止衛(wèi)星，可選擇和采用的數(shù)據(jù)非常豐富，空間分辨率也有顯著提高. 但遺憾的是，現(xiàn)有衛(wèi)星設(shè)計(jì)主要是針對(duì)陸地或者海洋，并沒有針對(duì)湖泊等內(nèi)陸水體的遙感衛(wèi)星，存在高時(shí)間分辨率數(shù)據(jù)空間分辨率低、高空間分辨率數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率低以及絕大部分傳感器性能并不完全適合湖泊水體特別是水源地監(jiān)測(cè)等缺點(diǎn). 在現(xiàn)有條件下，可以加強(qiáng)多星聯(lián)合監(jiān)測(cè)的研究，滿足當(dāng)前的需要. 但是隨著未來衛(wèi)星等荷載研制和發(fā)射成本的降低，更需要專門設(shè)計(jì)針對(duì)湖泊的專用傳感器和荷載，特別是靜止衛(wèi)星，或者小衛(wèi)星集群，甚至航空氣球，充分發(fā)揮衛(wèi)星大范圍、周期性的特點(diǎn)，研制高空間分辨率(優(yōu)于50 m)、高時(shí)間分辨率(一天至少大于兩次觀測(cè))以及適合水體特點(diǎn)的波段和高信噪比的傳感器，滿足湖泊觀測(cè)的需要. 無人機(jī)在某種程度上彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感的缺陷，可以針對(duì)小范圍區(qū)域進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)，但目前無人機(jī)受制于載重和傳感器的限制，更多的還是用于拍照或者錄像. 雖然高光譜傳感器等已經(jīng)成熟，但成本高昂，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，目前離業(yè)務(wù)化運(yùn)行還有段距離. 未來隨著傳感器小型化和性能提升，無人機(jī)續(xù)航能力加強(qiáng)，數(shù)據(jù)快速處理能力顯著提高，必將在水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，最終希望達(dá)到所見即所得的理想效果，即飛機(jī)飛過水體，水質(zhì)自動(dòng)成像，我們看到的不再是單純的影像數(shù)據(jù)，而是直接顯示關(guān)注的水質(zhì)濃度信息. 攝像頭與無人機(jī)相似，一個(gè)在天上機(jī)動(dòng)飛行，一個(gè)在固定點(diǎn)位進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，目前更多起到的作用都是圖像監(jiān)測(cè)，獲取的主要是定性信息(部分通過提取其中的水華或者水體顏色嘗試定量化)，未來如果隨著多光譜、甚至高光譜傳感器的發(fā)展，如果岸基視頻監(jiān)控發(fā)展成岸基高光譜成像監(jiān)控，也將和無人機(jī)一樣，實(shí)現(xiàn)從定性到定量的突破，將顯著提高觀測(cè)能力，有望發(fā)展成全息掃描系統(tǒng)，通過連續(xù)的成像光譜觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的連續(xù)觀測(cè). 自動(dòng)浮標(biāo)是未來最有望實(shí)現(xiàn)突破的技術(shù)，目前自動(dòng)觀測(cè)的主要問題是探頭成本，特別是維護(hù)成本較高，耗費(fèi)大量的人力物力，而且部分探頭需要配置的外設(shè)裝置較大，站點(diǎn)和觀測(cè)參數(shù)都有限，數(shù)據(jù)質(zhì)量不穩(wěn)定，未來應(yīng)該圍繞探頭小型化、自動(dòng)化、易維護(hù)、高性能目標(biāo)發(fā)展，滿足湖泊水質(zhì)更多的觀測(cè)要求. 最為重要的是，未來需要結(jié)合大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)，把各種觀測(cè)手段獲取的信息有效整合，從數(shù)據(jù)的展示發(fā)展到數(shù)據(jù)的智慧管理，為湖泊水環(huán)境災(zāi)害監(jiān)控和應(yīng)急預(yù)警服務(wù).

4 結(jié)論

本文針對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化引起的藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)應(yīng)急問題，基于目前成熟的衛(wèi)星、無人機(jī)、岸基/平臺(tái)視頻、浮標(biāo)、人工巡測(cè)等技術(shù)或手段，提出了天-空-地一體化監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)、系統(tǒng)框架和工作流程，并在巢湖進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，已取得初步成效. 相信這一套系統(tǒng)框架不僅在巢湖，而且在更多的富營(yíng)養(yǎng)化湖庫(kù)都具有應(yīng)用和推廣價(jià)值. 同時(shí)，需要注意的是，目前的監(jiān)測(cè)手段主要局限于現(xiàn)有成熟的、可業(yè)務(wù)化運(yùn)行的技術(shù)，還未做到全天候全要素定量監(jiān)測(cè)，未來隨著類似高光譜無人機(jī)等更多手段的成熟以及更多新技術(shù)手段的出現(xiàn)，相信天-空-地立體監(jiān)控系統(tǒng)將更為完善，更好地滿足富營(yíng)養(yǎng)化湖庫(kù)藍(lán)藻水華監(jiān)控的要求.