牛志春，李旭文，張 詠，金 焰，姜 晟

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210036)

·環(huán)境預(yù)警·

太湖流域水環(huán)境天地一體化監(jiān)測體系構(gòu)建與應(yīng)用

牛志春，李旭文，張 詠，金 焰，姜 晟

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210036)

為全面提升中國水環(huán)境監(jiān)測預(yù)警能力和水平，建立天地一體化監(jiān)測體系，以太湖流域為研究區(qū)域，探索了水環(huán)境天地一體化監(jiān)測方法，有效地結(jié)合地面常規(guī)監(jiān)測與衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)優(yōu)勢，彌補(bǔ)了現(xiàn)行環(huán)境監(jiān)測體系的不足，為環(huán)境污染，生態(tài)變化，災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警、評估及應(yīng)急救助等指揮體系提供參考。

太湖;天地一體化;監(jiān)測

1 概述

長期以來，中國水環(huán)境監(jiān)測主要以地面布點采樣監(jiān)測為主，宏觀性、時效性較差，監(jiān)測成本相對較高，無法完全滿足環(huán)境保護(hù)發(fā)展的需要。而隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的日益成熟，其大范圍、全天候、全天時的優(yōu)勢，為環(huán)境監(jiān)測建立了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)保障，有效彌補(bǔ)了地面常規(guī)監(jiān)測費用高，監(jiān)測站點分散，缺乏時空連續(xù)性，難以全面、及時反映環(huán)境質(zhì)量狀況及其發(fā)展趨勢的不足，為建立天地一體化的環(huán)境保護(hù)技術(shù)支撐體系奠定了堅實的基礎(chǔ)［1，2］，為完善環(huán)境污染、生態(tài)變化以及災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)警、評估、應(yīng)急救助指揮體系提供了良好的平臺。通過多年來水環(huán)境遙感科研人員的不懈努力，衛(wèi)星遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在水質(zhì)及富營養(yǎng)化指標(biāo)方面也取得了很多的突破，建立了日趨成熟的適用于中國不同地區(qū)湖泊等二類水體的分區(qū)、分季節(jié)的，基于經(jīng)驗及半經(jīng)驗、分析機(jī)理的遙感反演模型。

隨著中國環(huán)境一號衛(wèi)星A星、B星組網(wǎng)的建成，其每2 d的重訪能力和30 m CCD影像的地面分辨率將能更加有力地支持對藍(lán)藻水華、湖泛以及其他時變較快的生態(tài)問題的監(jiān)測預(yù)警［3］。再加上資源衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星等國產(chǎn)衛(wèi)星影像，國外Landsat等對地觀測、科學(xué)研究、公益性衛(wèi)星影像資源不斷豐富、互為補(bǔ)充和協(xié)同應(yīng)用，可以預(yù)見，對湖泊等水體中的小尺度、光譜上弱幅(然而較穩(wěn)定)的特征、時變快(一般小于1 d，甚至3～5 h)的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)象的捕捉和持續(xù)監(jiān)控將更加可行，多星遙感數(shù)據(jù)的協(xié)同監(jiān)測具有很強(qiáng)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用潛力［4，5］。筆者選擇水環(huán)境問題最為突出的太湖流域作為研究區(qū)，探討了水環(huán)境天地一體化監(jiān)測體系建立需解決的問題，天地一體化監(jiān)測的發(fā)展方向及實際應(yīng)用等，為環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)全面開展水環(huán)境天地一體化監(jiān)測提供參考。

2 水環(huán)境天地一體化監(jiān)測體系構(gòu)建

水環(huán)境天地一體化監(jiān)測體系構(gòu)建應(yīng)在現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測能力的基礎(chǔ)上，利用國家及地方太湖流域各類水環(huán)境監(jiān)測裝備、機(jī)構(gòu)隊伍資源，充分結(jié)合地面監(jiān)測和衛(wèi)星遙感監(jiān)測優(yōu)勢來開展。國家、省、市、縣四級監(jiān)測部門密切配合，以星地信息同步采集、傳輸和匯集，天地一體化水環(huán)境信息快速集成、處理和分析，監(jiān)測成果快速輸出并展示為基礎(chǔ)，以領(lǐng)導(dǎo)決策為先導(dǎo)，以應(yīng)急監(jiān)控為主線，建立一整套完善的水環(huán)境監(jiān)測預(yù)警體系(圖1)［6］。

2.1 星地同步監(jiān)測能力建設(shè)

太湖流域天地一體化監(jiān)測體系的建立應(yīng)充分整合國家、省、市、縣四級監(jiān)測能力和信息資源。國家環(huán)境監(jiān)測部門負(fù)責(zé)監(jiān)測方案的編制;省級環(huán)境監(jiān)測部門負(fù)責(zé)監(jiān)測任務(wù)的組織實施，衛(wèi)星遙感監(jiān)測、監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總分析及監(jiān)測報告的編制;市、縣環(huán)境監(jiān)測部門負(fù)責(zé)衛(wèi)星過境期間水質(zhì)同步監(jiān)測，包括手工采樣監(jiān)測、水質(zhì)快速監(jiān)測、水質(zhì)自動監(jiān)測、藍(lán)藻及湖泛發(fā)生情況巡測等，監(jiān)測數(shù)據(jù)、信息及時傳輸?shù)绞〖壄h(huán)境監(jiān)測部門。目前，太湖流域按照“高標(biāo)準(zhǔn)、全覆蓋、最先進(jìn)”的目標(biāo)已建成了水環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)、手工地面監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)及遙感監(jiān)測系統(tǒng)等，全面覆蓋了流域內(nèi)行政交界斷面、主要入湖河流、送水通道等區(qū)域，星地監(jiān)控預(yù)警能力大幅提升。

圖1 太湖流域水環(huán)境監(jiān)測體系構(gòu)建

水環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)包括太湖流域水質(zhì)自動監(jiān)測站網(wǎng)、浮標(biāo)站網(wǎng)及污染源在線監(jiān)控等，“十一五”期間，環(huán)保系統(tǒng)共建成水質(zhì)自動站198個，浮標(biāo)站11個，監(jiān)測項目涉及水質(zhì)五參數(shù)、氨氮、總磷、總氮、總有機(jī)碳、重金屬、生物毒性及葉綠素a等。水質(zhì)手工地面監(jiān)測系統(tǒng)包括水質(zhì)手工采樣監(jiān)測和水質(zhì)光譜測量，水質(zhì)手工監(jiān)測是指在太湖湖體定點手工采集水質(zhì)樣品，通過實驗室分析得出各項監(jiān)測指標(biāo)的濃度值，常規(guī)指標(biāo)包括《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)表1中規(guī)定的基本項目24項，加測水位、透明度、總磷、總氮、葉綠素a及懸浮物，監(jiān)測頻次為每月一次。水體光譜測量則是利用野外光譜輻射儀測量水面光譜輻射率曲線及一些輔助參數(shù)，如風(fēng)速、風(fēng)向、GPS點位信息等。衛(wèi)星遙感監(jiān)測主要根據(jù)不同的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源及水質(zhì)特有的光譜反射特征，利用最佳波段或波段組合，建立分析模型，對太湖湖體水質(zhì)、藍(lán)藻發(fā)生情況等進(jìn)行監(jiān)測。比較常用的數(shù)據(jù)源包括高空間分辨率的美國陸地資源衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)、環(huán)境一號衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)、美國SPOT衛(wèi)星數(shù)據(jù)、中巴衛(wèi)星CBERS CCD數(shù)據(jù);高時間分辨率的美國EOS MODIS數(shù)據(jù)、NOAA數(shù)據(jù)及美國SeaWiFS數(shù)據(jù)等［7］。

2.2 信息網(wǎng)絡(luò)保障體系建設(shè)

在太湖流域水環(huán)境天地一體化同步監(jiān)測體系中，信息快速獲取和安全傳遞至關(guān)重要，為此必須建立完善的信息網(wǎng)絡(luò)保障體系［8，9］，及時、準(zhǔn)確地將各類監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總、分析，對一些敏感的環(huán)境問題進(jìn)行預(yù)測、預(yù)警。

天地一體化水環(huán)境信息傳輸主要涉及幾個方面，一是水質(zhì)自動站及浮標(biāo)站等自動監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，依靠國家、省、市已建成的環(huán)境信息傳輸VPN專網(wǎng)及時匯集、整理。二是地面實測數(shù)據(jù)、視頻資料、水質(zhì)光譜數(shù)據(jù)等則通過3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，用于后續(xù)數(shù)據(jù)的分析提?。?0，11］。三是不同分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)資料的獲取，環(huán)境一號衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)主要依靠中國資源衛(wèi)星中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分發(fā)，處理好的1B數(shù)據(jù)再通過FTP等方式下載得到;EOS/MODIS等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的接收處理包括兩種方式，一種是通過廣播方式接收數(shù)據(jù)，另外一種是建立衛(wèi)星數(shù)據(jù)直收系統(tǒng)，在衛(wèi)星過境期間對數(shù)據(jù)進(jìn)行同步接收處理，接收到的數(shù)據(jù)再通過局域網(wǎng)傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸速度及安全性。

2.3 監(jiān)測成果應(yīng)用體系建設(shè)

建立覆蓋全流域、內(nèi)容齊全的各類應(yīng)用系統(tǒng)，加大對天地一體化同步監(jiān)測數(shù)據(jù)的深度分析、挖掘，提升監(jiān)測應(yīng)用能力，如環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、水環(huán)境質(zhì)量綜合分析系統(tǒng)、太湖流域海量遙感數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)等［12］。

在各類應(yīng)用系統(tǒng)的支撐下，對星地同步監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸、集成分析，通過環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)整合各類地面手工監(jiān)測數(shù)據(jù)、自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將整理入庫的長時間序列數(shù)據(jù)及時傳輸給水環(huán)境質(zhì)量綜合分析系統(tǒng)［13］，利用該系統(tǒng)提取分析各類水環(huán)境信息，編制水質(zhì)監(jiān)測日報。在地面數(shù)據(jù)處理過程中，利用海量遙感數(shù)據(jù)管理平臺及水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)同步處理實時接收到的遙感數(shù)據(jù)，通過內(nèi)置的水質(zhì)遙感監(jiān)測模型、藍(lán)藻水華遙感提取模型、湖泛提取算法等及時輸出各類水質(zhì)可遙感指標(biāo)，輸出水質(zhì)遙感監(jiān)測日報。最后，對遙感監(jiān)測結(jié)果及地面監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行空間疊加分析，修正各類水質(zhì)監(jiān)測模型，提升遙感監(jiān)測精度，實現(xiàn)太湖流域全覆蓋、多角度、多手段的實時監(jiān)測。

3 水環(huán)境天地一體化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

3.1 太湖藍(lán)藻天地一體化同步監(jiān)測

太湖藍(lán)藻天地一體化同步監(jiān)測包括遙感監(jiān)測、地面監(jiān)測及監(jiān)測結(jié)果對比分析3個方面(圖2)。遙感監(jiān)測是指利用環(huán)境一號或美國EOS/MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)實時監(jiān)測太湖藍(lán)藻發(fā)生、分布、演變情況，利用遙感圖像接收系統(tǒng)、處理系統(tǒng)及時制作太湖藍(lán)藻遙感分布圖，并及時輸出各類專報及成果圖。地面監(jiān)測是指在衛(wèi)星過境期間利用現(xiàn)有太湖監(jiān)測船巡測西部沿岸區(qū)、梅梁湖、貢湖等藍(lán)藻多發(fā)及重點監(jiān)測區(qū)，監(jiān)視藍(lán)藻發(fā)生及分布，同時利用藻密度監(jiān)測儀實時監(jiān)測藻密度分布情況，數(shù)據(jù)獲取后及時整理分析。藍(lán)藻監(jiān)控預(yù)警部門根據(jù)衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果、地面實測結(jié)果綜合分析藍(lán)藻暴發(fā)等級，一旦發(fā)生重大污染事件，及時啟動應(yīng)急響應(yīng)程序。

3.2 太湖湖泛天地一體化同步監(jiān)測

圖2 太湖藍(lán)藻天地一體化監(jiān)測

“太湖湖泛”是一種俗稱，目前尚沒有統(tǒng)一的術(shù)語，多指藻類在湖泊岸邊、入湖河口和湖汊等區(qū)域聚集死亡，因快速耗氧導(dǎo)致腐爛和發(fā)臭，并在厭氧狀態(tài)下和底泥相互作用所形成的死藻殘體、污泥以及湖水的混合體。湖泛發(fā)生時，水體會出現(xiàn)不同程度的黑臭現(xiàn)象，對湖泊水生態(tài)造成較大影響。太湖湖泛天地一體化監(jiān)測包括遙感監(jiān)測、地面巡測、應(yīng)急監(jiān)測等(圖3)。遙感監(jiān)測是指利用接收到的HJ-1數(shù)據(jù)快速、連續(xù)地跟蹤太湖水體的變化情況，研判大面積、連續(xù)性分布的藍(lán)藻水華區(qū)域中出現(xiàn)的湖泛分布信息，監(jiān)視藍(lán)藻水華生長消亡變化，一旦影像中反映出湖泛信息，立即判讀湖泛發(fā)生面積，啟動湖泛應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，通知湖體巡測船及相關(guān)人員，及時采集水樣，并調(diào)用水質(zhì)自動站數(shù)據(jù)，分析水質(zhì)現(xiàn)狀，按應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制采取圍網(wǎng)隔離、增氧曝氣、藍(lán)藻打撈、人工增雨、調(diào)水引流等措施，排除險情，恢復(fù)水質(zhì)。

圖3 太湖湖泛天地一體化監(jiān)測

3.3 太湖湖體水質(zhì)天地一體化同步監(jiān)測

太湖湖體水質(zhì)天地一體化監(jiān)測包括衛(wèi)星遙感監(jiān)測、地面手工監(jiān)測、水質(zhì)自動監(jiān)測、湖體水質(zhì)巡測和星地同步監(jiān)測結(jié)果對比等(圖4)。其中衛(wèi)星遙感監(jiān)測是指利用環(huán)境一號或TM衛(wèi)星數(shù)據(jù)水質(zhì)遙感監(jiān)測系統(tǒng)等監(jiān)測太湖湖體水質(zhì)狀況，繪制主要水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)專題圖和等值線分布圖，反演太湖水質(zhì)現(xiàn)狀，提取各湖區(qū)及監(jiān)測點位水質(zhì)遙感監(jiān)測結(jié)果等。地面手工監(jiān)測是指衛(wèi)星過境期間實時采集湖體例行監(jiān)測點位水樣，能現(xiàn)場出結(jié)果的，現(xiàn)場做好統(tǒng)計報表，不能現(xiàn)場出結(jié)果的，將水樣及時送回實驗室，并快速測定溶解氧、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)等指標(biāo)。水質(zhì)自動監(jiān)測是指調(diào)用衛(wèi)星過境期間利用水質(zhì)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，評價監(jiān)測點位水質(zhì)狀況等。水質(zhì)巡測是指通過應(yīng)急監(jiān)測船快速采集環(huán)境污染事故發(fā)生水面的水質(zhì)樣品，及時監(jiān)測分析主要水質(zhì)指標(biāo)。以上數(shù)據(jù)通過信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，傳送至監(jiān)控預(yù)警部門，監(jiān)控預(yù)警人員對星地同步監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行深度比對分析，及時發(fā)現(xiàn)水質(zhì)隱患，啟動環(huán)境應(yīng)急預(yù)案。

圖4 太湖湖體水質(zhì)天地一體化監(jiān)測

4 結(jié)論

近年來，太湖流域在各級政府的高度重視下，監(jiān)測預(yù)警能力不斷提升，在全國范圍內(nèi)已基本形成了監(jiān)測密度最高、監(jiān)測指標(biāo)最全面、信息采集量最豐富、技術(shù)最先進(jìn)的水環(huán)境監(jiān)測預(yù)警體系，在天地一體化監(jiān)測方面，具備了最為優(yōu)越的軟硬件條件。再加上水環(huán)境遙感科研人員在太湖流域長期觀測試驗，在水質(zhì)及富營養(yǎng)化指標(biāo)遙感監(jiān)測方面也取得了很多突破，為遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了可參考的依據(jù)。為此，通過在太湖流域優(yōu)先發(fā)揮地面監(jiān)測及衛(wèi)星遙感監(jiān)測優(yōu)勢，在水質(zhì)監(jiān)測、湖泛監(jiān)測、藍(lán)藻監(jiān)測等方面基本上實現(xiàn)了業(yè)務(wù)化運行，為中國其他流域天地一體化全面監(jiān)測提供了可借鑒的經(jīng)驗，為中國環(huán)境保護(hù)工作歷史性轉(zhuǎn)變提供重要的技術(shù)支撐。

［1］ 李德仁，陳述彭，童慶禧，等.關(guān)于發(fā)射我國軍民兩用高分辨率遙感衛(wèi)星和建立天地一體化空間信息獲取、處理與分發(fā)系統(tǒng)的建議［J］.科學(xué)新聞，2008(19):9-10.

［2］ 范一大.減災(zāi)衛(wèi)星服務(wù)體系［J］.中國減災(zāi)，2006(8):24-25.

［3］ 王橋.環(huán)境一號衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用系統(tǒng)工程及其關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展［J］.環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2009，1(1):31-36.

［4］ 欒恩杰.建立天地一體化綜合衛(wèi)星應(yīng)用體系［J］.中國測繪，2003(6):26-27.

［5］ 李德仁.論天地一體化的大測繪——地球空間信息學(xué)［J］.測繪科學(xué)，2004(3):1-2.

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［8］ 劉品雄，葛之江，張連臺.天地一體化遙感信息應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)體系的發(fā)展［J］.航天返回與遙感，2001(3):63-66.

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［10］ 沈榮駿.我國天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想［J］.中國工程科學(xué)，2006(10):19-30.

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［12］ 于剛.新疆環(huán)境監(jiān)測中心站加快生態(tài)環(huán)境監(jiān)測天地一體化進(jìn)程［J］.干旱環(huán)境監(jiān)測，2005(19).

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Construction and Application of an Integrated Space-ground Monitoring System for Water Environment in Taihu Lake

NIU Zhi-chun，LI Xu-wen，ZHANG Yong，JIN Yan，JIANG Sheng
(Jiangsu Provincial Environmental Monitoring Center，Nanjing，Jiangsu 210036，China)

In order to upgrade the water environmental monitoring ability and establish the space-earth monitoring system，the space-ground monitoring method of the water environment was explored in Taihu lake area.The system combined the advantage effectively between the ground monitoring and the remote sensing monitoring technology，provided the reference for the environmental pollution，the ecological change，the disaster monitoring，early warning，assessment，emergency aid and so on，which made up the disadvantage of the present environmental monitoring system.

Taihu lake;space-ground;monitoring

X87

A

1674-6732(2012)-01-0001-05

10.3969/j.issn.1674-6732.2012.01.001

2011-11-15

國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2009ZX07527-006-3)。

牛志春(1977—)，女，工程師，碩士，從事環(huán)境遙感監(jiān)測應(yīng)用工作。