基于高分數(shù)據(jù)的贛江流域水環(huán)境監(jiān)測平臺設(shè)計與實現(xiàn)

胡永森 周朝陽

（1. 中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院 遙感科學國家重點實驗室，北京 100101；2. 江西省國防科技信息和衛(wèi)星應(yīng)用中心，江西 南昌 330038）

1 引言

流域水環(huán)境監(jiān)測伴隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，其重要性日益凸顯，尤其為水資源管理和社會經(jīng)濟發(fā)展決策提供了重要依據(jù)［1-3］。然而，傳統(tǒng)的人工地面樣本調(diào)查方法不僅耗時耗力，而且監(jiān)測范圍窄，時間頻次低，難以達到費省效宏的作用［4-6］。我國高分專項發(fā)展十余年來，已成為國民經(jīng)濟各領(lǐng)域、各部門重要的數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。同時，遙感在水環(huán)境監(jiān)測中的重要作用也日益彰顯［7-11］。贛江是江西的母親河，對贛江流域的保護具有十分重要的現(xiàn)實意義［12］。本文基于高分系列衛(wèi)星設(shè)計了贛江流域水環(huán)境監(jiān)測平臺，利用高分數(shù)據(jù)針對贛江流域水環(huán)境及生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測和評估，滿足對贛江水環(huán)境監(jiān)測、污染源監(jiān)測及土壤侵蝕等領(lǐng)域的監(jiān)測需求。

2 平臺設(shè)計目標

通過建設(shè)面向贛江流域高分數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺和相關(guān)模型，實現(xiàn)海量、多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)組織管理、快速生產(chǎn)、共享服務(wù)能力，滿足贛江流城水環(huán)境監(jiān)測分析應(yīng)用，實現(xiàn)對贛江流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，建立生態(tài)多樣性評價模型，對稀土礦區(qū)開采、重要水源涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)環(huán)境、土壤侵蝕等方面進行周期性監(jiān)測。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 空間信息大數(shù)據(jù)存儲與管理技術(shù)

采用分布式文件存儲模型集成技術(shù)，建立分布式網(wǎng)絡(luò)綜合數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對空間信息大數(shù)據(jù)的存儲［13-14］?；谠獢?shù)據(jù)對海量數(shù)據(jù)進行組織與管理，構(gòu)建并實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）元數(shù)據(jù)管理策略；改進基于哈希函數(shù)的索引方法，設(shè)計非活躍元數(shù)據(jù)的索引算法，減少管理非活躍元數(shù)據(jù)所需的時間與空間開銷［15-16］?；诮?jīng)緯網(wǎng)格的遙感數(shù)據(jù)一體化組織模型（五層十五級），制定遙感影像的分層標準。在遙感影像瓦片數(shù)據(jù)標準化組織和靜態(tài)邏輯存儲體系的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)無需數(shù)據(jù)檢索的海量遙感影像數(shù)據(jù)直接定位及元數(shù)據(jù)信息快速獲取。

3.2 水域面積變化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法

鑒于不同區(qū)域的水體特性不一，為排除水域?qū)挾?、水體含沙量、水體深度等影響，采用歸一化差異水體指數(shù)法（NDWI）、改進的歸一化差異水體指數(shù)法（MNDWI）、修訂型歸一化差異水體指數(shù)法（RNDWI）、新型水體指數(shù)法（NWI）等方法進行水域面積提取，并結(jié)合人機交互進行結(jié)果篩選，以達到在不同的水域特性中都能獲取較優(yōu)的符合實際的水域面積［17-18］。水域面積變化監(jiān)測路線見圖1。

圖1 水域面積變化監(jiān)測路線

3.3 水質(zhì)參數(shù)遙感反演數(shù)據(jù)處理分析

水質(zhì)參數(shù)遙感反演機理在于水質(zhì)變化會改變水體理化性質(zhì)，從而影響水體光譜反射特性［19］。因此，通過水質(zhì)參數(shù)與遙感反射率的相關(guān)性分析，確定水質(zhì)參數(shù)診斷性波譜及波段組合，建立水質(zhì)參數(shù)遙感估算模型，進行流域水質(zhì)參數(shù)遙感反演［20-21］。水質(zhì)參數(shù)遙感反演技術(shù)路線見圖2。

圖2 水質(zhì)參數(shù)遙感反演技術(shù)路線

3.4 流域水環(huán)境污染遙感識別處理分析

根據(jù)水質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果以及相關(guān)規(guī)范分別劃分水質(zhì)污染等級，根據(jù)污染程度分布及地形走勢初步判斷污染源的可能位置，并進行重點監(jiān)測、污染源提取和污染類型確定。同時建立解譯標志，采用目視解譯與計算機解譯相結(jié)合的方法，對重點監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的重要水源涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)環(huán)境、礦山和尾礦庫等具體污染源進行提取及土壤侵蝕監(jiān)測［22-25］。水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測識別處理方法見圖3。

圖3 水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測識別處理方法

4 主要功能實現(xiàn)

4.1 高分衛(wèi)星集成管理與處理服務(wù)

基于高分數(shù)據(jù)面向贛江流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用需求，搭建了平臺運行基礎(chǔ)環(huán)境、硬軟件系統(tǒng)平臺，形成了遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)和信息處理、信息提取與分析、遙感信息產(chǎn)品的生產(chǎn)等多個子系統(tǒng)，可進行多源遙感數(shù)據(jù)的云檢測、幾何/輻射校正、地氣解耦等，形成規(guī)格化遙感數(shù)據(jù)，生成水表溫度、離水輻射率、表觀反射率產(chǎn)品、歸一化植被指數(shù)產(chǎn)品等產(chǎn)品，基于光譜、形狀、紋理等特征進行分類和信息提取。

4.2 贛江水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

以高分衛(wèi)星為主要數(shù)據(jù)源，構(gòu)建水環(huán)境監(jiān)測管理可視化平臺，全面提升流域水環(huán)境綜合管理技術(shù)水平和流域水環(huán)境監(jiān)控能力。同時，可選取流域典型區(qū)域滿足對贛江治理開發(fā)和管理的各種方案進行模擬、分析與研究，該功能對于有效預(yù)防區(qū)內(nèi)流域水環(huán)境污染，全面改善流域水環(huán)境具有重要作用。

4.3 贛江流域生態(tài)環(huán)境綜合應(yīng)用

依托高分衛(wèi)星集成管理與處理服務(wù)功能，可開展贛江流域稀土礦區(qū)開采監(jiān)測、土壤侵蝕監(jiān)測、地表覆蓋分類產(chǎn)品制作、植被水體變化監(jiān)測、水源地水體污染遙感反演等。

可基于聯(lián)合國糧農(nóng)組織和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所所構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD），第二次全國土地調(diào)查南京土壤所所提供的1∶100 萬土壤數(shù)據(jù)（HWSD-China-Geo），依據(jù)SL 657—2014《南方紅壤丘陵區(qū)水土流失綜合治理技術(shù)標準》開展6 級土壤侵蝕分析。

5 結(jié)語

贛江水環(huán)境監(jiān)測平臺的建立，實現(xiàn)了江西省內(nèi)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的在線查詢、訂制、分發(fā)功能，有效打破數(shù)據(jù)應(yīng)用行業(yè)壁壘，降低應(yīng)用成本。通過對水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測算法、模型的研制、優(yōu)化、集成，極大滿足了對贛江流域的監(jiān)測需求。但江西以山地和丘陵地形為主，且年均陰雨天較多，導(dǎo)致可用高分遙感數(shù)據(jù)空間覆蓋率和時間覆蓋率均較低，限制了監(jiān)測頻次，下一步可考慮接入國外LandSat，MODIS 等遙感數(shù)據(jù)作為補充。