基于遙感技術的內陸湖泊水質監測系統

周 正,劉良明

(武漢大學遙感信息工程學院,湖北武漢 430079)

基于遙感技術的內陸湖泊水質監測系統

周 正,劉良明

(武漢大學遙感信息工程學院,湖北武漢 430079)

針對傳統內陸湖泊水質監測應用周期長、不連續、費用較高的局限性,介紹基于遙感數據的內陸湖泊水質監測系統,包括系統需求、系統框架、系統結構及系統特征,并討論系統未來設計的改進。

水質;湖泊;遙感;系統

一、引 言

內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淡水資源的 90%以上。它支撐著農業、商業、運輸、娛樂、旅游業的發展,為人類提供食品和能源,也是各種生物的重要棲息地。正因為湖泊如此重要,所以必須加大湖泊污染治理力度,讓不堪重負的湖泊休養生息,使其盡快恢復健康的生態服務功能[1]。為了實現這一目標,必須鼓勵并實現多學科的技術創新,而在眾多技術領域中,遙感技術在水質監測領域已經越來越受到關注。

傳統水質監測方法存在許多缺陷,包括監測周期較長、時間與空間上不連續、費用較高等。而遙感技術由于其快速、連續、信息量大等特征被廣泛應用于水質監測領域。本文詳細介紹了基于遙感數據的內陸湖泊水質監測系統的設計,該系統的目標是能夠全面快速地反映內陸湖泊水質變化趨勢,提供豐富的信息用于改善內陸湖泊水質問題。

二、系統需求

1.數據需求

系統數據需求包括三類數據源:遙感數據、地面實測數據和環境背景數據。

(1)遙感數據

系統采用環境與災害監測預報小衛星 A、B星(HJ-1A/1B衛星)CCD數據作為主要的遙感數據源。首先,其空間分辨率為 30 m,比較適合大型內陸湖泊的監測;其次,A、B星兩臺 CCD相機組網后重訪周期僅為 4 d,有利于湖泊水質動態監測。另外,此數據免費提供給相關機構,有利于系統獲得長期穩定的數據來源。A、B星 CCD數據主要載荷參數如表 1所示[2]。

表 1 HJ-1A/1B衛星 CCD主要載荷參數

(2)地面實測數據

地面實測數據是由相關環境保護部門提供的湖泊斷面的監測點位數據,包括每個監測周期內的各種水質指標監測值。這些地面實測數據一方面用于建立系統中基于遙感數據的水質監測模型;另一方面用于在系統中實現湖泊水質指標常規監測。

(3)環境背景數據

系統中環境背景數據是一個數據集合,它包括環境統計數據、污染源數據、土地覆蓋變化數據、植被數據、水文數據和各種基礎地理信息數據等。它們作為輔助數據可用于水環境質量分析與水質監測結果的可視化表達。

2.功能需求

基于遙感數據的內陸湖泊水質監測系統的設計目標是充分利用遙感技術的優勢進行湖泊水質的大范圍、連續、動態監測,為了實現這一目標,系統必須滿足以下的功能需求:①遙感數據與地面實測數據的自動化預處理;②基于遙感數據的水質指標監測;③基于遙感與地面實測數據結合的湖泊水質評價;④湖泊水質的動態監測與分析;⑤湖泊水質監測可視化表達。

三、系統框架設計

依據上述需求,本系統總體結構如圖 1所示,系統由四個子系統構成,它們分別是數據管理子系統、數據預處理子系統、水質監測子系統、制圖與可視化子系統。

圖 1 系統總體結構圖

1.數據管理子系統

系統涉及大量遙感數據、地面觀測數據、水環境專題數據,以及各種環境背景數據等,因此數據管理子系統將對這些數據進行統一管理,建立一個數據資源的管理平臺。數據管理子系統按照數據分類標準和產品分級標準對各種數據源進行分級存儲,從而有效地為其他子系統提供輸入/輸出數據。

2.數據預處理子系統

在湖泊水質監測系統中,數據預處理是一個非常重要的環節,它是水質監測應用的前期工作,對輸入的遙感數據與地面觀測數據進行標準化處理,從而保證輸入數據在統一的環境下進行后續的分析與應用。對于遙感數據,其功能主要包括數據格式轉換、輻射定標、幾何校正、大氣校正、投影變換、興趣區域提取等。地面觀測數據主要實現格式與數據內容的標準化。數據預處理子系統為其他系統提供初級標準遙感及地面觀測數據。

3.水質監測子系統

水質監測子系統利用遙感反演與時序分析模型生成一系列水質指標參數產品,并利用這些指標參數產品進一步輸出包括湖泊水質分區、湖泊水污染評價、湖泊富營養化評價等水質監測高級產品。另外,水質監測子系統還包含應用模型管理模塊用于支持應用模型庫的修改、更新與定制。

4.制圖與可視化子系統

制圖與可視化子系統包含專題產品制圖與可視化表達兩部分。其中制圖模塊具有所見即所得的特點,既提供地圖、圖例、比例尺等基本要素,還提供表格、統計圖、幾何圖形等要素,可實現對水質監測專題產品的制圖排版并通過輸出設備進行打印輸出。

可視化模塊用于對遙感數據、地面觀測數據以及各種專題產品數據進行可視化表達。其中既包括對各種數據的靜態顯示,又包含對數據的動態連續表達,同時模塊中還加入了多媒體數據用于可視化,以便能更好地表達湖泊水質的動態變化特征?？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的方式;②自動化模式,系統會自動組合相應的可視化表達方式對數據進行可視化。

四、系統邏輯結構

基于遙感數據的內陸湖泊水質監測系統采用C/S體系結構,保證系統具有良好的穩定性與可擴展性。系統整體結構體系分為三個層次:數據層、應用層和表現層,其整體邏輯結構圖如圖 2所示。

圖 2 系統邏輯結構圖

1)數據層在系統中實現各種空間數據與屬性數據的集成,包括遙感數據庫、地面觀測數據庫、基礎地理信息數據庫、環境背景數據庫等。

2)應用層提供一個平臺以實現系統的各種功能,它接收用戶的需求,調用數據層數據實現相應功能并輸出相應的產品。

3)表現層相當于一個可視化環境,系統的各種數據與專題產品在這個環境中以各種各樣的形式顯示出來,這些形式包含報告、專題圖、統計圖標、動畫等。

五、系統特點

基于遙感數據的內陸湖泊水質監測系統繼承了相關水環境應用系統的優勢,又體現了遙感技術的特點,其具有如下特點。

1.數據處理自動化

考慮到系統業務化運行需求,系統采用任務流工作方式,用戶只需根據需求在系統開始運行時填寫配置文件,系統會全自動完成整個任務流并輸出相關產品。不僅提高了系統運行效率而且節省了用戶時間,使得用戶可以集中精力于湖泊水質分析從而做出正確決策。

2.豐富可視化表達

傳統系統可視化表達方式比較單一,本系統中利用多種方法對專題數據產品以及各種數據源進行表達,用以傳遞更為豐富的湖泊水質信息,使得監測結果更為直觀鮮明,這樣既能夠幫助非遙感背景專家進行湖泊水質分析決策,又便于公眾參與湖泊水質治理。

3.新型遙感數據源應用

本系統中采用了環境與災害監測預報小衛星A、B星 (HJ-1A/1B衛星)CCD數據作為主要的遙感數據源,充分促進利用國產衛星遙感數據源進行內陸湖泊水質監測的技術實現。

六、系統實現與應用

內陸湖泊水質監測系統以武漢市東湖、梁子湖作為系統測試區域,對東湖、梁子湖水質進行監測應用,其實現的主要應用功能包括了環境小衛星CCD數據輻射定標、幾何校正、水域提取、水環境指標參數反演、水質監測與評價等,系統主要功能界面如圖 3～圖 7所示。

圖 3 系統主界面

圖 4 HJ-1A/1B CCD數據預處理

圖 5 遙感水質監測

圖 6 水質監測制圖與可視化

圖 7 數據管理

在系統的應用過程中,能夠實現業務化的運行并取得了一定的效果,為湖北省水環境保護部門提供了一定的技術支持。

七、結束語

基于遙感數據的內陸湖泊水質監測系統能夠滿足湖泊水質動態、連續、大范圍監測的業務化需求,為湖泊生態治理提供了相應的技術支持。隨著湖泊水質遙感監測技術的發展,它將在水環境保護領域發揮更大的作用。系統在未來需要在以下幾個方面進行改進:①引入更多的新型遙感衛星數據源;②實現湖泊水污染的預警與預報;③利用數據同化技術改善遙感監測精度。

致謝:本文的工作得到了湖北省環境監測中心站的數據支持,在此表示感謝!

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Water Quality Mon itoring System for Inland Lakes Based on Remote Sensing

ZHOU Zheng,L IU Liangming

0494-0911(2011)02-0035-04

P237.9

B

2010-09-15

國家 973計劃資助項目(2004CB318206)

周 正 (1984—),男,湖北武漢人,博士生,研究方向為環境與災害遙感監測評價。