基于高分數據的贛江流域水環境監測平臺設計與實現

胡永森 周朝陽

（1. 中國科學院空天信息創新研究院 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星應用中心，江西 南昌 330038）

1 引言

流域水環境監測伴隨著我國社會經濟的快速發展，其重要性日益凸顯，尤其為水資源管理和社會經濟發展決策提供了重要依據［1-3］。然而，傳統的人工地面樣本調查方法不僅耗時耗力，而且監測范圍窄，時間頻次低，難以達到費省效宏的作用［4-6］。我國高分專項發展十余年來，已成為國民經濟各領域、各部門重要的數據和技術支撐。同時，遙感在水環境監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實意義［12］。本文基于高分系列衛星設計了贛江流域水環境監測平臺，利用高分數據針對贛江流域水環境及生態環境進行監測和評估，滿足對贛江水環境監測、污染源監測及土壤侵蝕等領域的監測需求。

2 平臺設計目標

通過建設面向贛江流域高分數據共享服務平臺和相關模型，實現海量、多源衛星數據組織管理、快速生產、共享服務能力，滿足贛江流城水環境監測分析應用，實現對贛江流域生態環境監測，建立生態多樣性評價模型，對稀土礦區開采、重要水源涵養區生態環境、土壤侵蝕等方面進行周期性監測。

3 關鍵技術研究

3.1 空間信息大數據存儲與管理技術

采用分布式文件存儲模型集成技術，建立分布式網絡綜合數據庫，實現對空間信息大數據的存儲［13-14］。基于元數據對海量數據進行組織與管理，構建并實現基于數據庫管理系統（DBMS）元數據管理策略；改進基于哈希函數的索引方法，設計非活躍元數據的索引算法，減少管理非活躍元數據所需的時間與空間開銷［15-16］。基于經緯網格的遙感數據一體化組織模型（五層十五級），制定遙感影像的分層標準。在遙感影像瓦片數據標準化組織和靜態邏輯存儲體系的基礎上，實現無需數據檢索的海量遙感影像數據直接定位及元數據信息快速獲取。

3.2 水域面積變化監測數據處理方法

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

圖1 水域面積變化監測路線

3.3 水質參數遙感反演數據處理分析

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

圖2 水質參數遙感反演技術路線

3.4 流域水環境污染遙感識別處理分析

根據水質參數反演結果以及相關規范分別劃分水質污染等級，根據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合的方法，對重點監測區域內的重要水源涵養區生態環境、礦山和尾礦庫等具體污染源進行提取及土壤侵蝕監測［22-25］。水環境生態監測識別處理方法見圖3。

圖3 水環境生態監測識別處理方法

4 主要功能實現

4.1 高分衛星集成管理與處理服務

基于高分數據面向贛江流域生態環境監測的應用需求，搭建了平臺運行基礎環境、硬軟件系統平臺，形成了遙感衛星數據分發和信息處理、信息提取與分析、遙感信息產品的生產等多個子系統，可進行多源遙感數據的云檢測、幾何/輻射校正、地氣解耦等，形成規格化遙感數據，生成水表溫度、離水輻射率、表觀反射率產品、歸一化植被指數產品等產品，基于光譜、形狀、紋理等特征進行分類和信息提取。

4.2 贛江水環境監測系統

以高分衛星為主要數據源，構建水環境監測管理可視化平臺，全面提升流域水環境綜合管理技術水平和流域水環境監控能力。同時，可選取流域典型區域滿足對贛江治理開發和管理的各種方案進行模擬、分析與研究，該功能對于有效預防區內流域水環境污染，全面改善流域水環境具有重要作用。

4.3 贛江流域生態環境綜合應用

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

可基于聯合國糧農組織和維也納國際應用系統研究所所構建的世界土壤數據庫（HWSD），第二次全國土地調查南京土壤所所提供的1∶100 萬土壤數據（HWSD-China-Geo），依據SL 657—2014《南方紅壤丘陵區水土流失綜合治理技術標準》開展6 級土壤侵蝕分析。

5 結語

贛江水環境監測平臺的建立，實現了江西省內衛星數據的在線查詢、訂制、分發功能，有效打破數據應用行業壁壘，降低應用成本。通過對水環境和生態環境監測算法、模型的研制、優化、集成，極大滿足了對贛江流域的監測需求。但江西以山地和丘陵地形為主，且年均陰雨天較多，導致可用高分遙感數據空間覆蓋率和時間覆蓋率均較低，限制了監測頻次，下一步可考慮接入國外LandSat，MODIS 等遙感數據作為補充。