基于遥感技术的内陆湖泊水质监测系统

周 正,刘良明

(武汉大学遥感信息工程学院,湖北武汉 430079)

基于遥感技术的内陆湖泊水质监测系统

周 正,刘良明

(武汉大学遥感信息工程学院,湖北武汉 430079)

针对传统内陆湖泊水质监测应用周期长、不连续、费用较高的局限性,介绍基于遥感数据的内陆湖泊水质监测系统,包括系统需求、系统框架、系统结构及系统特征,并讨论系统未来设计的改进。

水质;湖泊;遥感;系统

一、引 言

内陆湖泊在全球淡水资源中具有特殊的重要意义,其水资源量占地表液态淡水资源的 90%以上。它支撑着农业、商业、运输、娱乐、旅游业的发展,为人类提供食品和能源,也是各种生物的重要栖息地。正因为湖泊如此重要,所以必须加大湖泊污染治理力度,让不堪重负的湖泊休养生息,使其尽快恢复健康的生态服务功能[1]。为了实现这一目标,必须鼓励并实现多学科的技术创新,而在众多技术领域中,遥感技术在水质监测领域已经越来越受到关注。

传统水质监测方法存在许多缺陷,包括监测周期较长、时间与空间上不连续、费用较高等。而遥感技术由于其快速、连续、信息量大等特征被广泛应用于水质监测领域。本文详细介绍了基于遥感数据的内陆湖泊水质监测系统的设计,该系统的目标是能够全面快速地反映内陆湖泊水质变化趋势,提供丰富的信息用于改善内陆湖泊水质问题。

二、系统需求

1.数据需求

系统数据需求包括三类数据源:遥感数据、地面实测数据和环境背景数据。

(1)遥感数据

系统采用环境与灾害监测预报小卫星 A、B星(HJ-1A/1B卫星)CCD数据作为主要的遥感数据源。首先,其空间分辨率为 30 m,比较适合大型内陆湖泊的监测;其次,A、B星两台 CCD相机组网后重访周期仅为 4 d,有利于湖泊水质动态监测。另外,此数据免费提供给相关机构,有利于系统获得长期稳定的数据来源。A、B星 CCD数据主要载荷参数如表 1所示[2]。

表 1 HJ-1A/1B卫星 CCD主要载荷参数

(2)地面实测数据

地面实测数据是由相关环境保护部门提供的湖泊断面的监测点位数据,包括每个监测周期内的各种水质指标监测值。这些地面实测数据一方面用于建立系统中基于遥感数据的水质监测模型;另一方面用于在系统中实现湖泊水质指标常规监测。

(3)环境背景数据

系统中环境背景数据是一个数据集合,它包括环境统计数据、污染源数据、土地覆盖变化数据、植被数据、水文数据和各种基础地理信息数据等。它们作为辅助数据可用于水环境质量分析与水质监测结果的可视化表达。

2.功能需求

基于遥感数据的内陆湖泊水质监测系统的设计目标是充分利用遥感技术的优势进行湖泊水质的大范围、连续、动态监测,为了实现这一目标,系统必须满足以下的功能需求:①遥感数据与地面实测数据的自动化预处理;②基于遥感数据的水质指标监测;③基于遥感与地面实测数据结合的湖泊水质评价;④湖泊水质的动态监测与分析;⑤湖泊水质监测可视化表达。

三、系统框架设计

依据上述需求,本系统总体结构如图 1所示,系统由四个子系统构成,它们分别是数据管理子系统、数据预处理子系统、水质监测子系统、制图与可视化子系统。

图 1 系统总体结构图

1.数据管理子系统

系统涉及大量遥感数据、地面观测数据、水环境专题数据,以及各种环境背景数据等,因此数据管理子系统将对这些数据进行统一管理,建立一个数据资源的管理平台。数据管理子系统按照数据分类标准和产品分级标准对各种数据源进行分级存储,从而有效地为其他子系统提供输入/输出数据。

2.数据预处理子系统

在湖泊水质监测系统中,数据预处理是一个非常重要的环节,它是水质监测应用的前期工作,对输入的遥感数据与地面观测数据进行标准化处理,从而保证输入数据在统一的环境下进行后续的分析与应用。对于遥感数据,其功能主要包括数据格式转换、辐射定标、几何校正、大气校正、投影变换、兴趣区域提取等。地面观测数据主要实现格式与数据内容的标准化。数据预处理子系统为其他系统提供初级标准遥感及地面观测数据。

3.水质监测子系统

水质监测子系统利用遥感反演与时序分析模型生成一系列水质指标参数产品,并利用这些指标参数产品进一步输出包括湖泊水质分区、湖泊水污染评价、湖泊富营养化评价等水质监测高级产品。另外,水质监测子系统还包含应用模型管理模块用于支持应用模型库的修改、更新与定制。

4.制图与可视化子系统

制图与可视化子系统包含专题产品制图与可视化表达两部分。其中制图模块具有所见即所得的特点,既提供地图、图例、比例尺等基本要素,还提供表格、统计图、几何图形等要素,可实现对水质监测专题产品的制图排版并通过输出设备进行打印输出。

可视化模块用于对遥感数据、地面观测数据以及各种专题产品数据进行可视化表达。其中既包括对各种数据的静态显示,又包含对数据的动态连续表达,同时模块中还加入了多媒体数据用于可视化,以便能更好地表达湖泊水质的动态变化特征。可视化模块具有两种工作模式:①交互式模式,用户可以自己选择可视化表达的方式;②自动化模式,系统会自动组合相应的可视化表达方式对数据进行可视化。

四、系统逻辑结构

基于遥感数据的内陆湖泊水质监测系统采用C/S体系结构,保证系统具有良好的稳定性与可扩展性。系统整体结构体系分为三个层次:数据层、应用层和表现层,其整体逻辑结构图如图 2所示。

图 2 系统逻辑结构图

1)数据层在系统中实现各种空间数据与属性数据的集成,包括遥感数据库、地面观测数据库、基础地理信息数据库、环境背景数据库等。

2)应用层提供一个平台以实现系统的各种功能,它接收用户的需求,调用数据层数据实现相应功能并输出相应的产品。

3)表现层相当于一个可视化环境,系统的各种数据与专题产品在这个环境中以各种各样的形式显示出来,这些形式包含报告、专题图、统计图标、动画等。

五、系统特点

基于遥感数据的内陆湖泊水质监测系统继承了相关水环境应用系统的优势,又体现了遥感技术的特点,其具有如下特点。

1.数据处理自动化

考虑到系统业务化运行需求,系统采用任务流工作方式,用户只需根据需求在系统开始运行时填写配置文件,系统会全自动完成整个任务流并输出相关产品。不仅提高了系统运行效率而且节省了用户时间,使得用户可以集中精力于湖泊水质分析从而做出正确决策。

2.丰富可视化表达

传统系统可视化表达方式比较单一,本系统中利用多种方法对专题数据产品以及各种数据源进行表达,用以传递更为丰富的湖泊水质信息,使得监测结果更为直观鲜明,这样既能够帮助非遥感背景专家进行湖泊水质分析决策,又便于公众参与湖泊水质治理。

3.新型遥感数据源应用

本系统中采用了环境与灾害监测预报小卫星A、B星 (HJ-1A/1B卫星)CCD数据作为主要的遥感数据源,充分促进利用国产卫星遥感数据源进行内陆湖泊水质监测的技术实现。

六、系统实现与应用

内陆湖泊水质监测系统以武汉市东湖、梁子湖作为系统测试区域,对东湖、梁子湖水质进行监测应用,其实现的主要应用功能包括了环境小卫星CCD数据辐射定标、几何校正、水域提取、水环境指标参数反演、水质监测与评价等,系统主要功能界面如图 3～图 7所示。

图 3 系统主界面

图 4 HJ-1A/1B CCD数据预处理

图 5 遥感水质监测

图 6 水质监测制图与可视化

图 7 数据管理

在系统的应用过程中,能够实现业务化的运行并取得了一定的效果,为湖北省水环境保护部门提供了一定的技术支持。

七、结束语

基于遥感数据的内陆湖泊水质监测系统能够满足湖泊水质动态、连续、大范围监测的业务化需求,为湖泊生态治理提供了相应的技术支持。随着湖泊水质遥感监测技术的发展,它将在水环境保护领域发挥更大的作用。系统在未来需要在以下几个方面进行改进:①引入更多的新型遥感卫星数据源;②实现湖泊水污染的预警与预报;③利用数据同化技术改善遥感监测精度。

致谢:本文的工作得到了湖北省环境监测中心站的数据支持,在此表示感谢!

[1]Wuhan Declaration.Rehabilitate the Lake Ecosystem:Global Challenges and the Chinese Innovations[J].Lakes&Reservoir:Research and Management,2010(15):1-2.

[2]Technical Specification of Payloads of HJ-1A/1B/1C.China Centre for Resources Satellite Data and Application[EB/OL].[2010-07-20].http:∥www.cresda.com/n16/n92006/n92066/n98627/index.html.

[3]MAC IASZEK L A.Requirements Analysis and System Design[M].Boston:AddisonWesley,2007.

[4]张丽,张继贤,乔平林,等.流域水资源环境监测系统的设计与实现[J].测绘通报,2004(2):50-53.

[5]万幼川,李植生.湖泊水质信息系统研究与应用[J].测绘学报,1996,25(4):278-284.

[6]GHOSH S,MUJJUMDAR M.Risk Minimization in WaterQuality Control Problems of a River System[J].Advances inWater Resources,2006,29(3):458-470.

[7]V IGONLO A,POCHETT INO A,CI CERONE D.Water Quality Assess ment Using Remote Sensing Techniques:Medrano Creek,Argentina[J].Journal of EnvironmentalManagement,2006,81(4):429-433.

[8]STROBL R O,ROB ILLARD P.Network Design for Water Quality Monitoring of Surface Freshwaters:A Review[J]. Journal of Environmental Management,2008,87(4):639-648.

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

国家 973计划资助项目(2004CB318206)

周 正 (1984—),男,湖北武汉人,博士生,研究方向为环境与灾害遥感监测评价。