基于高分数据的赣江流域水环境监测平台设计与实现

胡永森 周朝阳

（1. 中国科学院空天信息创新研究院 遥感科学国家重点实验室，北京 100101；2. 江西省国防科技信息和卫星应用中心，江西 南昌 330038）

1 引言

流域水环境监测伴随着我国社会经济的快速发展，其重要性日益凸显，尤其为水资源管理和社会经济发展决策提供了重要依据［1-3］。然而，传统的人工地面样本调查方法不仅耗时耗力，而且监测范围窄，时间频次低，难以达到费省效宏的作用［4-6］。我国高分专项发展十余年来，已成为国民经济各领域、各部门重要的数据和技术支撑。同时，遥感在水环境监测中的重要作用也日益彰显［7-11］。赣江是江西的母亲河，对赣江流域的保护具有十分重要的现实意义［12］。本文基于高分系列卫星设计了赣江流域水环境监测平台，利用高分数据针对赣江流域水环境及生态环境进行监测和评估，满足对赣江水环境监测、污染源监测及土壤侵蚀等领域的监测需求。

2 平台设计目标

通过建设面向赣江流域高分数据共享服务平台和相关模型，实现海量、多源卫星数据组织管理、快速生产、共享服务能力，满足赣江流城水环境监测分析应用，实现对赣江流域生态环境监测，建立生态多样性评价模型，对稀土矿区开采、重要水源涵养区生态环境、土壤侵蚀等方面进行周期性监测。

3 关键技术研究

3.1 空间信息大数据存储与管理技术

采用分布式文件存储模型集成技术，建立分布式网络综合数据库，实现对空间信息大数据的存储［13-14］。基于元数据对海量数据进行组织与管理，构建并实现基于数据库管理系统（DBMS）元数据管理策略；改进基于哈希函数的索引方法，设计非活跃元数据的索引算法，减少管理非活跃元数据所需的时间与空间开销［15-16］。基于经纬网格的遥感数据一体化组织模型（五层十五级），制定遥感影像的分层标准。在遥感影像瓦片数据标准化组织和静态逻辑存储体系的基础上，实现无需数据检索的海量遥感影像数据直接定位及元数据信息快速获取。

3.2 水域面积变化监测数据处理方法

鉴于不同区域的水体特性不一，为排除水域宽度、水体含沙量、水体深度等影响，采用归一化差异水体指数法（NDWI）、改进的归一化差异水体指数法（MNDWI）、修订型归一化差异水体指数法（RNDWI）、新型水体指数法（NWI）等方法进行水域面积提取，并结合人机交互进行结果筛选，以达到在不同的水域特性中都能获取较优的符合实际的水域面积［17-18］。水域面积变化监测路线见图1。

图1 水域面积变化监测路线

3.3 水质参数遥感反演数据处理分析

水质参数遥感反演机理在于水质变化会改变水体理化性质，从而影响水体光谱反射特性［19］。因此，通过水质参数与遥感反射率的相关性分析，确定水质参数诊断性波谱及波段组合，建立水质参数遥感估算模型，进行流域水质参数遥感反演［20-21］。水质参数遥感反演技术路线见图2。

图2 水质参数遥感反演技术路线

3.4 流域水环境污染遥感识别处理分析

根据水质参数反演结果以及相关规范分别划分水质污染等级，根据污染程度分布及地形走势初步判断污染源的可能位置，并进行重点监测、污染源提取和污染类型确定。同时建立解译标志，采用目视解译与计算机解译相结合的方法，对重点监测区域内的重要水源涵养区生态环境、矿山和尾矿库等具体污染源进行提取及土壤侵蚀监测［22-25］。水环境生态监测识别处理方法见图3。

图3 水环境生态监测识别处理方法

4 主要功能实现

4.1 高分卫星集成管理与处理服务

基于高分数据面向赣江流域生态环境监测的应用需求，搭建了平台运行基础环境、硬软件系统平台，形成了遥感卫星数据分发和信息处理、信息提取与分析、遥感信息产品的生产等多个子系统，可进行多源遥感数据的云检测、几何/辐射校正、地气解耦等，形成规格化遥感数据，生成水表温度、离水辐射率、表观反射率产品、归一化植被指数产品等产品，基于光谱、形状、纹理等特征进行分类和信息提取。

4.2 赣江水环境监测系统

以高分卫星为主要数据源，构建水环境监测管理可视化平台，全面提升流域水环境综合管理技术水平和流域水环境监控能力。同时，可选取流域典型区域满足对赣江治理开发和管理的各种方案进行模拟、分析与研究，该功能对于有效预防区内流域水环境污染，全面改善流域水环境具有重要作用。

4.3 赣江流域生态环境综合应用

依托高分卫星集成管理与处理服务功能，可开展赣江流域稀土矿区开采监测、土壤侵蚀监测、地表覆盖分类产品制作、植被水体变化监测、水源地水体污染遥感反演等。

可基于联合国粮农组织和维也纳国际应用系统研究所所构建的世界土壤数据库（HWSD），第二次全国土地调查南京土壤所所提供的1∶100 万土壤数据（HWSD-China-Geo），依据SL 657—2014《南方红壤丘陵区水土流失综合治理技术标准》开展6 级土壤侵蚀分析。

5 结语

赣江水环境监测平台的建立，实现了江西省内卫星数据的在线查询、订制、分发功能，有效打破数据应用行业壁垒，降低应用成本。通过对水环境和生态环境监测算法、模型的研制、优化、集成，极大满足了对赣江流域的监测需求。但江西以山地和丘陵地形为主，且年均阴雨天较多，导致可用高分遥感数据空间覆盖率和时间覆盖率均较低，限制了监测频次，下一步可考虑接入国外LandSat，MODIS 等遥感数据作为补充。