滇池藍藻水華監測預警空間信息系統設計與實現

房晟忠,顏 翔,彭 斌，吳 勇，秦艷姣

(1.昆明市環境監測中心，云南 昆明 650228；2.中國航天科工信息技術研究院，北京 100070)

0 引言

滇池是我國著名的高原淡水湖泊，屬金沙江水系，位于昆明市南端，湖體略呈弓形，弓背向東，南北長約40 km，東西最寬處12.5 km，平均水深4.4 m，水面積300 km2，庫容12.9億立方米，素有“五百里滇池”的美譽。滇池具有城市供水、工農業用水、調蓄、防洪、旅游、水產養殖等多種功能，是昆明生態安全格局的重要組成部分，對昆明市乃至全省社會經濟發展起著至關重要的作用。然而，由于80年代經濟和社會的發展，大量的工業廢水和生活污水排入滇池，超過了滇池水環境容量和自凈能力，水體迅速富營養化，昔日的“高原明珠”蛻變為我國污染最嚴重的湖泊之一，成為全國環境污染的典型。“十二五”期間，滇池治理工作取得了一定成績，滇池水環境質量呈現企穩向好的發展趨勢，藍藻水華的爆發程度得到有效控制，但是滇池藍藻水華生長的客觀條件依然沒有得到根本性的改善，滇池的水質環境狀況及氣候條件依然有利于藍藻的生長和發育，2015年夏季滇池藍藻水華再次爆發，滇池藍藻水華治理工作依然艱巨。為深入貫徹落實“十三五”滇池水污染防治總體規劃，進一步提升滇池藍藻水華預警監測的能力，本文開展滇池藍藻水華監測預警空間信息系統設計及應用研究，致力于提升滇池監測預警信息化能力和保障水平，使滇池生態環境監測能力與生態文明建設要求相適應。

1 系統設計

1.1 系統定位

滇池藍藻水華監測預警空間信息系統建設，旨在通過GIS、遙感和計算機網絡技術等，集成滇池藍藻水華監測多源數據資源，包括滇池常規水質監測數據、藍藻生物量監測數據、多源衛星藍藻監測數據、地基水華遙感監測數據、地面氣象站氣象要素、浮標站觀測數據、沿岸在線水質自動站數據及成果，建立信息平臺，以實現藍藻水華監測業務支撐及成果展示、數據統計分析、信息資源共享，為昆明市環保局及滇池流域管理部門藍藻水華監測預警工作提供信息平臺支撐，充分發揮和挖掘滇池藍藻水華空天地一體化監測技術、成果與其他部門信息資源的效能，為滇池藍藻水華治理提供決策依據[1-3]。此外，滇池藍藻水華預警監測信息平臺將預留接口，與昆明市環境監測中心“十二五”期間建成的滇池水環境監測信息平臺進行集成，實現數據、應用的互聯互通。

圖1 系統體系結構

1.2 系統體系結構

基于現有的遙感衛星資源和已經形成的科研成果，依托計算機軟硬件環境與網絡通信平臺，以信息化標準規范體系及安全體系為保障，開發滇池藍藻水華監測預警空間信息系統。如圖1所示，系統采用數據采集層、基礎設施層、數據層、支撐層、應用層多層構架設計開發[4-6]。數據采集層主要通過衛星遙感監測設備、地基遙感監測設備、常規水質監測設備、氣象水文監測設備、浮臺監測設備獲取藍藻水華基礎數據和專題數據；基礎設施層為硬件、軟件和網絡基礎設施等；數據層由基礎地理數據庫、衛星遙感數據庫、地基遙感數據庫、氣象水文數據庫和藍藻水華專題數據庫組成；支撐層基于關鍵軟件技術平臺對各類業務功能需求進行服務封裝，以服務的方式提供給應用層服務支撐，并與之交互；應用層則是基于平臺層開發各項業務應用，應用范圍包括滇池藍藻水華監測預警空間信息系統、相關環境保護管理應用接口等。系統主要提供藍藻水華查詢識別、水質參數定量反演與監測、藍藻水華數據分析、視頻監控、監測報告、藍藻水華預警及應急處置等功能，滿足藍藻水華預警監測管理工作的需要。

1.3 系統功能設計

系統提供地圖瀏覽、藍藻水華查詢識別、水質參數定量反演與監測、數據分析、監測報告、視頻監控、預警及應急處置七大功能模塊，如圖2所示。

圖2 系統功能結構

(1)地圖瀏覽：實現對基礎地理信息以及藍藻水華信息、水質狀況等各類專題信息的綜合一張圖瀏覽展示；

(2)藍藻水華查詢識別：實現對水華空間分布位置、分布面積等信息的查詢識別定位；

(3)水質參數定量反演與監測：實現滇池葉綠素a濃度、懸浮物濃度、水體透明度、藻藍蛋白濃度的定量反演與監測；

(4)藍藻水華數據分析：基于日常遙感監測數據提供藍藻水華空間對比分析、指標對比分析和時空演變分析；

(5)視頻監控：提供實時視頻監控瀏覽、歷史視頻監控數據回放；

(6)藍藻水華預警及應急處置：基于最新監測數據，再依據《昆明市政府關于滇池藍藻大規模爆發應急處置預案》，系統自動判斷藍藻水華爆發的概率預測結果、發生趨勢、級別等情況，提供應急預案和處置輔助；

(7)藍藻水華監測報告：提供藍藻水華監測周報、月報和年報生成功能，通過設定一定的條件，系統根據后臺數據進行數據分析運算及文字組織，將監測成果數據生成相應的報告。

2 系統實現及應用

2.1 系統實現

針對昆明滇池藍藻水華污染問題，以計算機軟硬件環境與網絡通信平臺為依托，以信息化標準規范體系、數據交換體系及安全體系為保障，基于各類基礎數據和藍藻水華專題數據，集成地理信息系統、多源遙感監測、數據庫、物聯網和計算機網絡等技術設計開發了滇池藍藻水華監測預警空間信息系統[7-13]。

系統基于SOA架構實現異構系統之間的通信及數據交換，數據庫和應用系統部署于Windows Server2008 64位操作系統中，采用ArcGIS平臺統一生產、管理空間數據庫，采用主流關系型數據庫Oracle存儲空間、非空間數據，主要通過B/S模式實現藍藻水華監測成果展示、動態監測、數據統計分析、預警處置等應用，為有關管理部門進行藍藻水華監管提供了信息平臺支撐。圖2中涉及的系統功能模塊都已實現。

2.2 系統應用效果

(1)藍藻水華監測多源數據支撐：系統集成滇池藍藻水華監測多源數據資源，包括滇池基礎地理數據、多源衛星遙感監測數據、地基遙感監測數據、浮標站監測數據、水質站監測數據、氣象站監測數據、水文監測數據(如圖3所示)。其中衛星遙感監測系統提供2014年至2018年期間高分系列、環境系列多源衛星影像數據，是宏觀、全面的藍藻水華監測，而地基遙感監測作為衛星遙感監測的主要補充，可提供藍藻水華重點區域的頻率為每小時的監測數據，彌補衛星遙感手段受天氣影響造成的數據不足問題。這些數據資源為滇池藍藻水華監測乃至流域水環境管理和相關研究提供了充足的數據支持。

圖3 監測數據集成展示界面

(2)藍藻水華監測信息一張圖顯示：系統實現對衛星遙感、地基遙感藍藻水華監測數據，水質監測站點監測數據，風場，視頻監控信息的可視化展現，直觀掌握藍藻水華的整體狀況。圖4所示為各類信息綜合一張圖展示。

圖4 監測數據一張圖顯示

(3)實現藍藻水華動態監測：結合業務實際，系統實現滇池藍藻衛星遙感監測和地基遙感監測成果的統一業務化應用，通過藍藻水華查詢識別、水質參數遙感監測、數據分析和視頻監控等功能應用，輔助藍藻水華的動態監測、預警和管理。首先通過查詢識別功能，可對藍藻水華的空間分布位置、分布面積等信息進行快速識別定位(如圖5)；其次系統集成相關模型，實現滇池葉綠素a濃度、懸浮物濃度、水體透明度、藻藍蛋白濃度的定量遙感反演與監測，如圖6所示為葉綠素a濃度遙感反演信息。另外系統提供多種數據分析功能，便于管理人員進行數據相互對比檢查、分析驗證。空間對比分析是基于一定的空間范圍，來對比不同時期內藍藻水華專題圖或者水質空間分布圖的差異變化情況(如圖7)；指標對比分析是根據用戶選擇相應的對比日期和對比指標，來對比藍藻水華發生的規律，并通過表格形式展示數據上的差異(如圖8)；時空演變分析功能可以隨著時間軸動態演變某個日期范圍內或某月內藍藻水華發生的空間變化情況。最后通過視頻監控功能，可對滇池重點監測區域進行實時視頻監控，方便管理人員直觀、便捷地掌握湖面水質情況(如圖9)。

圖5 藍藻水華查詢識別

圖6 葉綠素a濃度遙感反演監測

圖7 空間對比分析

圖8 指標對比分析

圖9 視頻監控

(4)藍藻水華預警處置及信息共享：系統基于最新水質監測預警數據、衛星遙感監測數據、地基遙感監測數據和氣象數據，集成藍藻水華預警模型，提供藍藻水華相關預警預報信息，此外系統提供應急處置功能，自動給出相應的應急處置措施，輔助管理員啟動相應的藍藻水華應急預案。系統基于監測成果數據，自動生成相應的藍藻水華監測報告，包括周報、月報和年報等，用戶可以通過信息共享發布網站進行查詢和下載，及時獲取所需信息(如圖10)，促進藍藻水華監測預警數據、信息、應用成果的有效共享和利用。

圖10 藍藻水華預警監測報告

3 結論

藍藻水華數據具有多源異構、時空變化的特性，依靠常規手段，難以實現藍藻水華信息的高效管理、動態監測和及時防治。本文針對昆明滇池藍藻水華污染問題，根據有關環境保護管理部門對滇池藍藻水華的監測、治理及環境保護工作需求，依托計算機軟硬件環境與網絡通信平臺，研究開發了滇池藍藻水華監測預警空間信息系統，初步構建了水陸統籌、天地一體、上下協同、信息共享的滇池生態環境監測網絡，集成了滇池多源衛星遙感監測數據、地基遙感監測數據、浮標站監測數據、水質站監測數據等數據資源，實現各類數據的一張圖綜合態勢顯示，通過系統藍藻水華查詢識別、水質參數定量反演與監測、空間分析、視頻監控等應用功能為藍藻水華動態監測管理提供了便捷工具，基于實時獲取的藍藻水華基礎數據及專題數據，集成預警模型，實現了藍藻水華爆發預警處置、監測報告、信息發布共享的網絡化、流程化應用，提高了藍藻水華預警監測管理工作效率，進一步完善了藍藻水華發現和處置機制，拓寬了監測治理思路。同時，對促進國家和地方環境監測部門的合作與交流，推廣遙感技術在地方環境監測部門的應用，具有重要示范效應和現實意義。