內(nèi)陸湖泊水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

范登科，劉良明，劉 洋

(1.武漢大學遙感信息工程學院，武漢 430079;2.黑龍江測繪局，哈爾濱 150081)

水資源作為人類社會生存和發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，在生產(chǎn)生活中發(fā)揮著巨大作用，隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，水資源短缺和水環(huán)境污染問題已經(jīng)日趨嚴重，由此引發(fā)供需、競爭等多種矛盾。各國政府早已將水環(huán)境監(jiān)測和治理納入到國家發(fā)展戰(zhàn)略中，特別是對與人們生產(chǎn)生活息息相關的內(nèi)陸湖泊、河流的環(huán)境監(jiān)測，成為一項需要大力投入和長期執(zhí)行的重要工作。為了更加科學高效地開展這項工作，遙感技術(shù)被成功應用到水環(huán)境監(jiān)測上來，并得到越來越廣泛的認可和關注。

目前，傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法是根據(jù)監(jiān)測站點的實測數(shù)據(jù)來分析水質(zhì)情況，該方法能夠比較精確地測出某個局部點范圍內(nèi)的污染情況，但是不能快速地統(tǒng)計出大區(qū)域的污染信息。為了更加有效地對湖北省水質(zhì)情況進行監(jiān)測，應該綜合利用遙感、地理信息系統(tǒng)等空間信息技術(shù)，并和傳統(tǒng)方法相結(jié)合，對水質(zhì)情況進行分析和監(jiān)測。為了快速、精確地從遙感影像中提取與水環(huán)境監(jiān)測相關的生化指標信息，需要一個軟件系統(tǒng)對空間數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一組織和高效處理，使人們能夠有效地查看各個水網(wǎng)的環(huán)境情況，便于水環(huán)境監(jiān)測專家和工作者做出分析和決策?，F(xiàn)有的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)大多依賴于地面?zhèn)鞲衅骷皩崪y數(shù)據(jù)的分析[1，2]，國外有關引入遙感技術(shù)進行水環(huán)境監(jiān)測的可行性研究仍處于起步階段[3]，自2008年環(huán)境一號小衛(wèi)星在軌運行起，我國以應用該星座數(shù)據(jù)的關鍵技術(shù)為研究目標，將太湖列為示范區(qū)域，開展了水環(huán)境遙感監(jiān)測的可行性研究[4]，并在此基礎上設計開發(fā)了包括數(shù)據(jù)管理、遙感影像處理、遙感模型應用、專題產(chǎn)品生產(chǎn)和發(fā)布等功能在內(nèi)的太湖水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)，為水環(huán)境遙感監(jiān)測提供了基礎的研究和示范平臺。

由于湖泊的水環(huán)境狀況與地理位置、氣候條件、周邊土地利用類型等因素密切相關，不同湖泊的水質(zhì)變化規(guī)律表現(xiàn)出不一致性，需要根據(jù)具體的水域系統(tǒng)構(gòu)建符合該區(qū)域特征的水質(zhì)參數(shù)反演模型。此外，太湖區(qū)域水質(zhì)參數(shù)模型的反演依賴了大量歷史和地面實測數(shù)據(jù)，擁有較為密集分布的地面監(jiān)測點，而大東湖水網(wǎng)的監(jiān)測點分布較為稀疏，特別是近湖岸區(qū)域缺乏有效的監(jiān)測。因此在確保水質(zhì)參數(shù)反演精度的基礎上，為了更好的表達水環(huán)境狀況的空間分布，提出了適用于本文研究區(qū)域的水環(huán)境遙感監(jiān)測實施方案。并借鑒太湖水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)的設計思想，針對湖北省大東湖水網(wǎng)和梁子湖水系水環(huán)境監(jiān)測的需要和特殊性，在遙感技術(shù)應用于水環(huán)境監(jiān)測的具體實施路線基礎上，設計并實現(xiàn)了遙感數(shù)據(jù)預處理與水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1 水環(huán)境遙感監(jiān)測實施方案

使用遙感數(shù)據(jù)實施水環(huán)境監(jiān)測，主要是對遙感數(shù)據(jù)進行處理和運算，得到可以反映水質(zhì)狀況的遙感特征參數(shù)，通過構(gòu)建反演模型或利用空間分析方法，提取水體目標中的各項水質(zhì)參數(shù)，并根據(jù)水環(huán)境評價標準，綜合多種水質(zhì)參數(shù)對監(jiān)測水體的富營養(yǎng)化程度、污染程度、水質(zhì)類別等做出判別。與傳統(tǒng)地面?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測方法相比較而言，遙感監(jiān)測方法表現(xiàn)出大范圍、時空連續(xù)性強、實時監(jiān)測等優(yōu)勢。根據(jù)湖北省大東湖水網(wǎng)的湖區(qū)分布特點和歷史環(huán)境狀況資料，提出該區(qū)域內(nèi)湖泊環(huán)境遙感監(jiān)測的技術(shù)路線，包括遙感數(shù)據(jù)預處理、水環(huán)境指標提取、水環(huán)境狀況評價3個部分，實施流程如圖1所示。

圖1 水環(huán)境遙感監(jiān)測技術(shù)路線

1.1 遙感數(shù)據(jù)預處理

為了更科學、合理地將遙感數(shù)據(jù)應用到水環(huán)境監(jiān)測中，需要對未經(jīng)地理坐標校準和輻射定標的初級遙感影像產(chǎn)品進行計算處理，生成表達地物反射率和亮度溫度的中間產(chǎn)品。此外，由于所關注和研究的目標是湖泊區(qū)域內(nèi)的水體，而非其他地物類型，需要對水體與非水體目標進行提取和區(qū)分。綜上所述，水環(huán)境遙感監(jiān)測的預處理過程包括數(shù)據(jù)準備、輻射定標、幾何校正和湖區(qū)提取4個部分，而且它們執(zhí)行處理的先后順序是固定不變的。數(shù)據(jù)準備根據(jù)原始影像的元數(shù)據(jù)計算輻射定標系數(shù);輻射定標使用該定標系數(shù)轉(zhuǎn)換影像DN值到地表反射率;幾何校正通過配準的方式將影像地理空間坐標修正為真實、正確的數(shù)值;湖區(qū)提取對所有研究水域目標進行識別，轉(zhuǎn)換其他陸地目標為影像背景。其中，幾何校正和湖區(qū)提取受影像質(zhì)量和處理算法的影響較大，需要根據(jù)環(huán)境小衛(wèi)星影像的特點做實驗對比分析，從效率和精度2個方面，選擇最優(yōu)的算法以達到監(jiān)測需要。

1.2 水環(huán)境指標提取

不同水質(zhì)的水體在遙感影像上有較明顯的反映[5]，使用預處理后的遙感影像數(shù)據(jù)，借助光學－生化/光學－物理模型，對比參考國內(nèi)外同類衛(wèi)星數(shù)據(jù)(TM、CBERS等)水質(zhì)指標提取方法，通過波段組合運算的方式構(gòu)造多種具有光學、生化、物理或混合特性的特征，將其與同一時期內(nèi)的地面實測數(shù)據(jù)建立關系模型，尋找最佳的數(shù)學模型描述二者間的數(shù)值關系。由于影像的輻射信息可能受到季節(jié)、經(jīng)緯度、高程等因素的影響，分析獲得到的某一特定水質(zhì)指標的反演模型并不唯一，為了提高模型的適用性和穩(wěn)定性，需要使用大量影像進行實驗驗證。同時，為了避免應急過程中模型反演結(jié)果精度與實際地面監(jiān)測差異明顯的情況，采用先把遙感影像分割為湖區(qū)圖斑，再將地面監(jiān)測點數(shù)據(jù)內(nèi)插計算分布到圖斑中的空間數(shù)據(jù)分析方法，以實現(xiàn)水環(huán)境指標含量的真實化遙感方式表達。

1.3 水環(huán)境狀況評價

使用通過遙感手段所提取的水環(huán)境指標影像數(shù)據(jù)，依據(jù)傳統(tǒng)地面監(jiān)測方式下的水環(huán)境狀況評價標準和方法，通過與標準限值進行比較計算獲取監(jiān)測目標水體的富營養(yǎng)化程度、水污染程度、水質(zhì)等級，并將分級評價結(jié)果記錄生成相應的遙感專題影像，水環(huán)境狀況的空間分布情況在遙感影像上得到直觀地反映。根據(jù)國家環(huán)保部公布的水環(huán)境狀況評價標準，對使用遙感影像數(shù)據(jù)反演獲得的葉綠素a、總磷、總氮、高錳酸鹽等總計13項指標進行分級，其中富營養(yǎng)化程度分為輕營養(yǎng)、中營養(yǎng)、輕度富營養(yǎng)、中度富營養(yǎng)和重度富營養(yǎng)5級，水污染程度分為優(yōu)、良好、輕度污染、中度污染、重度污染5級，水質(zhì)等級分為Ⅰ～Ⅴ與劣Ⅴ類六級，當參與評價的單項水質(zhì)指標超出標準限值所在級別，且為所評價指標中最高時，將水環(huán)境狀況確定為該級別，直到所有參與評價的指標完成限值判定。

2 水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

參照水環(huán)境遙感監(jiān)測實施的技術(shù)路線，結(jié)合系統(tǒng)操作的方便性、可視化性，以及業(yè)務化運行的靈活性、可變性等特點，“遙感數(shù)據(jù)預處理與水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)”采用多文檔多視圖主框架結(jié)構(gòu)結(jié)合COM組件的方式進行開發(fā)和組織，采取分層結(jié)構(gòu)設計和開發(fā)。考慮到與用戶交互的需求，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可分為4層，各部分的耦合關系盡量少，以保證系統(tǒng)的靈活性和可維護性。不同的服務層對應不同的系統(tǒng)功能模塊，具有不同的應用特點，也具有不同程度的復用和更新。其中功能層預處理部分包括一個配準分系統(tǒng)，與本系統(tǒng)共享文件數(shù)據(jù)接口。在主要處理運算功能設計確保生產(chǎn)效率和成果精度的基礎上，系統(tǒng)各層接口間、本系統(tǒng)與配準分系統(tǒng)接口間的數(shù)據(jù)通信和聯(lián)系是系統(tǒng)靈活操作和遙感影像流程化處理的關鍵。系統(tǒng)的四層總體架構(gòu)組織方式如圖2所示。

圖2 水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 主要功能設計

在整個水環(huán)境遙感監(jiān)測實施過程中，由于大多數(shù)系統(tǒng)功能僅涉及簡單的遙感影像波段組合運算，影響最終水環(huán)境評價結(jié)果的處理主要表現(xiàn)在空間地理定位和水環(huán)境指標的遙感手段提取2個階段。其中空間地理定位需要根據(jù)影像特征采用特定的圖像配準算法，修正因采集環(huán)境、傳感器姿態(tài)、地形起伏等多種因素造成的地理坐標偏差，考慮影像全局幾何畸變的方式與對校正精度的需求，該功能設計對算法有較高的依賴性，并且為了達到流程化、少量乃至無人工干預的處理目標，應盡量減少參數(shù)配置和匹配操作，由計算機自動識別分析完成判斷，完成幾何校正預處理操作，即設計實現(xiàn)自動化的遙感影像配準處理功能。

影像匹配是指在兩幅影像之間的識別同名點[6]。由于影像配準包括控制點提取、控制點匹配、模型估計和重采樣4個過程，對流程化處理和數(shù)據(jù)I/O的要求較高，因此幾何校正的功能使用獨立的配準分系統(tǒng)來實現(xiàn)。配準分系統(tǒng)的功能設計如圖3所示。在接到執(zhí)行幾何校正處理任務的請求時，由水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送啟動配準分系統(tǒng)命令，并將數(shù)據(jù)I/O信息以文件傳遞消息方式通知配準分系統(tǒng)進行處理準備。在校正開始前需要手工選擇配準影像和配置參數(shù)，進行校正時系統(tǒng)首先打開第一組影像自動提取和匹配控制點，同時計算糾正模型精度，完成后提示用戶重采樣操作，此時可以選擇執(zhí)行人工干預調(diào)整模型精度，當精度滿足需要時，確認重采樣操作完成匹配操作，同時系統(tǒng)自動加入第2組影像以上述流程執(zhí)行幾何校正，循環(huán)操作和處理直到完成所有待配準數(shù)據(jù)的校正。

圖3 幾何校正功能實現(xiàn)流程

在保證產(chǎn)品精度的同時，為了提高影像配準處理在遙感應用業(yè)務化生產(chǎn)中的效率，國內(nèi)外專家根據(jù)影像特征和研究區(qū)域提出了許多快速配準算法，有基于控制點庫的快速同名點搜索和匹配方法[7]，有分層匹配候選特征點集優(yōu)化搜索策略的配準方法[8]，本文水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)同時兼顧常規(guī)與應急運行模式，設計了2種遙感影像幾何校正方案，在常規(guī)運行下采用基于SIFT特征的配準方法，在應急運行下使用基于窗口灰度相關的控制點庫的方法，平衡精度與效率之間的矛盾。

水環(huán)境指標提取作為水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能之一，負責完成遙感輻射指標到水環(huán)境生化指標的計算轉(zhuǎn)換，目前應用遙感技術(shù)開展環(huán)境與災害監(jiān)測工作的一般方式是:使用大量遙感數(shù)據(jù)與同期地面實測數(shù)據(jù)，依據(jù)回歸分析理論，選擇有直接影響作用或相關程度高的光譜范圍，建立能夠表達遙感指標與物理生化指標之間數(shù)值關系的反演模型，經(jīng)過長期對比驗證和精度調(diào)整，達到脫離地面監(jiān)測而依靠遙感影像推演計算所需參數(shù)的目標。關于內(nèi)陸水域指標的遙感反演提取方法正處于研究和實驗階段[9，10]，且不同的水域自成系統(tǒng)，采用的反演模型各不相同，水環(huán)境指標提取功能設計應包括反演模型管理和指標計算2個部分。

由于系統(tǒng)涉及的水環(huán)境指標、監(jiān)測水域、傳感器類型、模型公式種類較多，組合千變?nèi)f化，需要進行統(tǒng)一有效的管理和調(diào)用。反演模型管理功能采用XML文件結(jié)點記錄方式，按模型所屬類別的重要性進行分級管理，結(jié)點級別自頂向下分別是:水質(zhì)參數(shù)類別、所在湖區(qū)、影像所屬衛(wèi)星傳感器類別、模型信息，其中模型信息包括介紹、湖區(qū)代碼、公式和計算波段4個部分。XML文件管理反演模型的內(nèi)容形式如圖4所示。

圖4 管理反演模型的XML文件內(nèi)容

水環(huán)境指標計算功能的設計除包括從XML文件中調(diào)用指定反演模型公式執(zhí)行計算(模型反演方法)的常規(guī)運行模式外，還設計了系統(tǒng)應急運行模型下地面實測點數(shù)據(jù)圖斑化分布(影像分割方法)的新穎指標提取方式，該方式在保證遙感指標值與實測值一致的基礎上，將傳統(tǒng)點位監(jiān)測數(shù)據(jù)擴展到空間區(qū)域中，是遙感技術(shù)應用于空間數(shù)據(jù)表達的新思路。水環(huán)境指標提取功能實現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 水環(huán)境指標提取功能實現(xiàn)流程

2.2 數(shù)據(jù)接口設計

水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)是面向數(shù)據(jù)處理的業(yè)務化運行系統(tǒng)，在執(zhí)行處理任務的過程中會涉及多種類型數(shù)據(jù)的讀寫以及頻繁的數(shù)據(jù)I/O操作，特別是對于多線程批處理任務下的數(shù)據(jù)處理來說，效率顯得尤為重要。在上節(jié)主要功能設計中已經(jīng)對系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)接口給出一些說明，具體到整個系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)接口來說，總共包括有3種類型:文本數(shù)據(jù)接口、空間數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)庫接口，表1列出了這3種數(shù)據(jù)接口的實現(xiàn)方式和作用。

實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)接口所使用的GDAL(Geospatial Data Abstraction Library)是目前流行的開源空間數(shù)據(jù)抽象函數(shù)庫，幾乎包括了對所有矢量和柵格數(shù)據(jù)的讀寫支持，而且采用鏈表結(jié)構(gòu)設計的對XML文本數(shù)據(jù)的操作訪問也十分方便，能夠科學、有效地管理水環(huán)境指標遙感反演模型。數(shù)據(jù)庫接口通過ADO(ActiveX Data Objects)來實現(xiàn)，它是一個用于存取數(shù)據(jù)源的COM組件。提供了編程語言和統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問方式OLE DB的一個中間層。在設計訪問數(shù)據(jù)的代碼時不用關心數(shù)據(jù)庫是如何實現(xiàn)的，而只用顧及數(shù)據(jù)庫的連接。作為一種面向?qū)ο蟮木幊探涌冢珹DO在高速度以及較低的內(nèi)存占用方面優(yōu)勢明顯，是目前最廣泛采用的數(shù)據(jù)庫接口設計方式。

表1 水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口說明

3 水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)功能

基于上述技術(shù)路線及架構(gòu)設計，開發(fā)并實現(xiàn)了遙感數(shù)據(jù)預處理與水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。采用VC++集成開發(fā)環(huán)境下的Arc Engine組件式二次開發(fā)方法，引入前臺操作顯示與后臺運算處理同步執(zhí)行的雙線程運行模式，系統(tǒng)的主要功能包括:可視化的影像瀏覽查詢操作;以工程文件及文件夾的方式幫助用戶組織管理數(shù)據(jù);環(huán)境小衛(wèi)星影像預處理;水質(zhì)參數(shù)提取，包含模型反演和空間分析2種方法;水環(huán)境富營養(yǎng)化、水污染程度、水質(zhì)等級評價;水環(huán)境遙感評價產(chǎn)品制作;影像文件入庫管理與柵格圖像矢量化。除雙線程運行模式外，系統(tǒng)的特色還表現(xiàn)在遙感影像自動化預處理、多任務多文件批處理、水環(huán)境遙感專題產(chǎn)品流程化生產(chǎn)等方面。

圖6展示了遙感數(shù)據(jù)預處理與水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主界面，界面的組成部分有:功能菜單欄、工具欄、工程管理面板、視圖工作區(qū)、影像信息面板和系統(tǒng)狀態(tài)欄。

圖6 遙感數(shù)據(jù)預處理與水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主界面

遙感數(shù)據(jù)預處理與水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所調(diào)用的自動配準分系統(tǒng)界面如圖7所示，該系統(tǒng)是基于VC++的多文檔多視圖框架設計開發(fā)的程序，包括空間數(shù)據(jù)管理、影像瀏覽、顯示方式控制、控制點添加和編輯、殘差控制等人機交互式操作設計，通過參數(shù)預設及少量人工干預，該系統(tǒng)可自動完成對環(huán)境星CCD影像的自動配準，滿足水環(huán)境遙感監(jiān)測產(chǎn)品業(yè)務化生產(chǎn)過程中高效率、高精度的幾何校正需求。

圖7 幾何校正功能實現(xiàn)(自動配準分系統(tǒng))界面

圖8展示了水環(huán)境指標提取反演模型的管理界面，包括前面功能設計介紹的模型添加、刪除、修改等功能，每個組合框、編輯框控件獨立負責一個XML結(jié)點的編輯。通過打開訪問符合模型記錄標準的XML文件，對模型進行同步的更新操作，實現(xiàn)水環(huán)境指標提取反演模型的記錄和管理。

圖8 水環(huán)境指標反演模型管理界面

水環(huán)境指標提取批處理配置界面如圖9所示，支持模型反演和圖像分割2種提取方法，可以完成處理任務添加和刪除、模型選擇配置、提取指標選擇、數(shù)據(jù)庫連接等交互式操作，通過一次參數(shù)配置完成多種指標輸出的生產(chǎn)任務。

圖9 水環(huán)境指標提取批處理界面

圖10展示了系統(tǒng)生產(chǎn)的湖北省梁子湖水質(zhì)分級專題產(chǎn)品，專題圖所包含的標題、圖例、統(tǒng)計信息、制作信息等全部由產(chǎn)品生產(chǎn)功能模塊自動添加，減少了人工制圖的工作量，實現(xiàn)了批量化的水環(huán)境專題產(chǎn)品生產(chǎn)。

圖10 水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)水質(zhì)分級專題產(chǎn)品圖

4 總結(jié)和展望

針對內(nèi)陸湖泊水域的環(huán)境監(jiān)測提出可行化的遙感技術(shù)路線，以該技術(shù)路線的實施為目標詳細介紹了水環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)的組織架構(gòu)方式、主要功能模塊和數(shù)據(jù)接口設計方法，并在此基礎上開發(fā)實現(xiàn)了基于環(huán)境小衛(wèi)星CCD影像的遙感數(shù)據(jù)預處理與水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)可以生產(chǎn)3種水環(huán)境遙感監(jiān)測專題產(chǎn)品，精度和效率已基本滿足業(yè)務化生產(chǎn)的需要，但其仍處于應用示范階段，需要對以上技術(shù)路線和功能設計的適用性做進一步測試和評價，希望該系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)能給水環(huán)境遙感監(jiān)測工作的開展帶來一些有價值的借鑒和參考。

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