廣東近海水質(zhì)遙感監(jiān)測與災害速報系統(tǒng)設計

沈映娜，付東洋，鄭友亮（.廣東省科技基礎條件平臺中心，廣州　50033；.廣東海洋大學海洋遙感與信息技術實驗室，湛江　54088）

廣東近海水質(zhì)遙感監(jiān)測與災害速報系統(tǒng)設計

沈映娜1，付東洋2，鄭友亮1
（1.廣東省科技基礎條件平臺中心，廣州510033；2.廣東海洋大學海洋遙感與信息技術實驗室，湛江524088）

0　引言

改革開放以來，廣東海洋經(jīng)濟和海洋事業(yè)迅猛發(fā)展，海洋經(jīng)濟總量連續(xù)16年保持全國領先地位，在海洋開發(fā)、保護和管理方面取得顯著成績。“十二五”期間，廣東將以國家海洋經(jīng)濟試點為契機，建設海洋經(jīng)濟強省。

同時，廣東經(jīng)濟發(fā)展也面臨著嚴峻挑戰(zhàn)，如環(huán)境污染問題比較突出，資源環(huán)境約束凸顯，傳統(tǒng)發(fā)展模式難以持續(xù)。以開發(fā)近岸海域資源為主的傳統(tǒng)發(fā)展方式受到資源環(huán)境的制約，保持海洋經(jīng)濟快速發(fā)展的難度加大，海洋開發(fā)中一些深層次矛盾和問題逐步顯現(xiàn)。海洋資源開發(fā)利用水平偏低，海洋環(huán)境污染問題突出，海洋生態(tài)環(huán)境保護和修復任務艱巨，特別是經(jīng)濟比較發(fā)達的珠江口海域、粵東和粵西的海域。根據(jù)2013年廣東省海洋環(huán)境狀況公報顯示，水質(zhì)劣于第四類 （港口水域、海洋開發(fā)作業(yè)區(qū)）海水水質(zhì)標準的海域面積比例為10.3%，同比上升3.8%，主要集中在珠江口海域。2013年各類海洋災害造成直接經(jīng)濟損失74.41億元［1］。

為維護海域的生態(tài)安全和資源的可持續(xù)利用，必須加強對海域生態(tài)環(huán)境的監(jiān)視監(jiān)測，及時了解和掌握海洋環(huán)境現(xiàn)狀、變化趨勢和潛在風險，維持海域的生態(tài)環(huán)境健康，維護海洋經(jīng)濟發(fā)展賴以依托的環(huán)境容納量和生態(tài)承載力。因此，構(gòu)建基于衛(wèi)星的廣東近海水質(zhì)遙感監(jiān)測與災害速報系統(tǒng)，對加快轉(zhuǎn)型升級、建設幸福廣東和海洋經(jīng)濟強省具有十分重要的意義。

傳統(tǒng)的水資源監(jiān)測主要依據(jù)水資源管理需求和經(jīng)濟允許條件，布設監(jiān)測站網(wǎng)，依靠地面人工或自動監(jiān)測手段獲取點上的水資源信息，通過分析計算獲得區(qū)域水資源信息［2］。傳統(tǒng)監(jiān)測方法費時費力，且只能了解監(jiān)測斷面的水體污染狀況，難以獲得大范圍水域水質(zhì)的空間分布和變化趨勢，不能滿足實時、大尺度的監(jiān)測評價要求。遙感反演技術的出現(xiàn)，給水質(zhì)的監(jiān)測評價提供了新的機遇與選擇［3］。遙感技術興起于20世紀60年代，可以不直接接觸物體而從物體反射的電磁波中提取所需要物體參數(shù)。與傳統(tǒng)監(jiān)測方法相比，遙感技術有其獨特的優(yōu)勢［2］。

本文基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，建立水質(zhì)參數(shù)遙感反演模型，實現(xiàn)了水質(zhì)遙感監(jiān)測系統(tǒng)；構(gòu)建了廣東近海水質(zhì)遙感監(jiān)測與災害速報系統(tǒng)，實現(xiàn)污染物動態(tài)監(jiān)測、水環(huán)境水質(zhì)分類，富營養(yǎng)化程度顯示及災害速報功能等。對提升海洋環(huán)境監(jiān)控能力，實現(xiàn)海洋災害速報起到重要作用。

1　系統(tǒng)需求分析

基于衛(wèi)星的廣東近海水質(zhì)遙感監(jiān)測與災害速報系統(tǒng)以建立衛(wèi)星遙感的立體監(jiān)測平臺為基礎，連續(xù)動態(tài)監(jiān)測廣東近海海域水環(huán)境要素，主要包括海水溫度、葉綠素濃度、懸浮泥沙濃度、硝酸鹽氮、磷酸鹽等；構(gòu)建近海水質(zhì)遙感監(jiān)測系統(tǒng)，集成海水實測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果，實現(xiàn)全方位在線監(jiān)測；研發(fā)廣東近海水質(zhì)遙感動態(tài)監(jiān)測與災害速報系統(tǒng)，結(jié)合多年實測歷史數(shù)據(jù)及在線監(jiān)測結(jié)果，構(gòu)建廣東近海海域水環(huán)境變化關系模型，評估海水污染程度，開發(fā)海洋災害速報系統(tǒng)，為海洋管理部門提供輔助決策依據(jù)，保障廣東海洋經(jīng)濟健康、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展。

1.1水質(zhì)遙感監(jiān)測系統(tǒng)

水質(zhì)遙感監(jiān)測系統(tǒng)，提供水質(zhì)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)水質(zhì)環(huán)境動態(tài)檢測，其具體的功能模塊如圖1所示。

圖1　水質(zhì)遙感監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊圖

（1）水質(zhì)分類模塊

利用光譜儀測量水體的光譜曲線，光譜測量的同時每個站位采集一定量的海水，冷藏并帶回實驗室分析葉綠素濃度、溶解氧、氮、磷等污染物的質(zhì)量濃度及懸浮物等水質(zhì)參數(shù)的質(zhì)量濃度。通過跟廣東省海洋管理部門合作，實現(xiàn)關鍵水質(zhì)的速報與發(fā)布。

（2）衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)模塊

多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的業(yè)務化接收和處理。根據(jù)不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)的特征，進行多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的融合研究，獲得廣東近海海域高時空分辨率的水質(zhì)參數(shù)分布，并進行該海域的水質(zhì)分類。遙感水質(zhì)分類路線如圖2所示。

圖2　遙感水質(zhì)分類路線圖

（3）反演模型模塊

通過收集廣東近海水質(zhì)歷史資料、采集現(xiàn)場水質(zhì)與光譜數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于不同季節(jié)的廣東近海海域尤其是一二類水體復合區(qū)衛(wèi)星遙感反演模型，主要包括海表溫度、葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、氮磷濃度等反演模型。氮磷質(zhì)量濃度反演模塊技術流程如圖3所示。

圖3　氮磷質(zhì)量濃度反演模塊技術流程

進行4個航次，包括春夏秋冬航次，進行兩年的連續(xù)觀測，并與大量的歷史資料相結(jié)合，根據(jù)上述一年四季實測的光譜數(shù)據(jù)分析水體的光譜特征，找出對葉綠素濃度、溶解氧、氮、磷等污染物質(zhì)量濃度敏感的特征光譜，建立遙感反演模式。或間接通過與這些水質(zhì)參數(shù)相關性比較高的對光譜響應比較好的水質(zhì)參數(shù)（例如：懸浮物或黃色物質(zhì)）進行間接的方法反演。

（4）系統(tǒng)管理模塊

主要有用戶管理、權(quán)限設置、安全管理和數(shù)據(jù)管理，全面對該系統(tǒng)進行完善和管理。

1.2廣東近海水質(zhì)遙感監(jiān)測與災害速報系統(tǒng)

廣東近海水質(zhì)遙感監(jiān)測與災害速報系統(tǒng)實現(xiàn)污染物動態(tài)監(jiān)測、水環(huán)境水質(zhì)分類，富營養(yǎng)化程度顯示及災害速報功能。在水質(zhì)遙感監(jiān)測系統(tǒng)基礎上，根據(jù)氮磷濃度參數(shù)等，基于支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡、逐步判別法等方法，進行該海域的水質(zhì)分類，并根據(jù)上述研究結(jié)果，構(gòu)建廣東近海水質(zhì)遙感監(jiān)測與災害速報系統(tǒng)，實現(xiàn)溫度、葉綠素濃度、懸浮泥沙濃度、氮磷濃度、水質(zhì)分類的速報。其具體的功能模塊如圖4所示。

圖4　廣東近海水質(zhì)遙感監(jiān)測與災害速報系統(tǒng)功能模塊圖

（1）產(chǎn)品發(fā)布模塊

作為對外公開的Web服務應用系統(tǒng)，主要實現(xiàn)遙感反演產(chǎn)品的準實時動態(tài)發(fā)布，分最新產(chǎn)品、歷史產(chǎn)品，具體功能包括產(chǎn)品查詢、產(chǎn)品顯示、產(chǎn)品下載、其他信息發(fā)布等。

產(chǎn)品主要分為：葉綠素濃度、海表溫度、懸浮泥沙濃度、透明度、硝酸鹽濃度、磷酸鹽濃度等月平均專題圖及水質(zhì)分類圖。

（2）產(chǎn)品顯示模塊

以縮略圖形式顯示遙感反演產(chǎn)品，并提供圖像縮放、平移等圖控功能。

（3）產(chǎn)品查詢模塊

可以按產(chǎn)品類型、產(chǎn)品級別、日期、區(qū)域等關鍵字對遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫進行檢索。

（4）產(chǎn)品下載模塊

遠程用戶可以通過申請獲得授權(quán)，下載最新的遙感產(chǎn)品以及所查詢的產(chǎn)品。

（5）數(shù)據(jù)管理模塊

為遙感反演產(chǎn)品發(fā)布平臺的服務器端應用系統(tǒng)，主要實現(xiàn)遙感反演產(chǎn)品的自動備份，并以文件系統(tǒng)的形式（或數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的形式）對遙感反演產(chǎn)品（數(shù)據(jù)文件或圖像文件）進行歸檔管理，為產(chǎn)品發(fā)布子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)來源。其功能構(gòu)成包括遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)服務器、遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)備份管理。

（6）產(chǎn)品發(fā)布參數(shù)設置模塊

完成控制產(chǎn)品發(fā)布子系統(tǒng)動態(tài)發(fā)布遙感反演產(chǎn)品的參數(shù)設置，包括對外發(fā)布的產(chǎn)品的類型、級別、最新產(chǎn)品的時間段（當天、最近若干天）等。

（7）處理終端參數(shù)設置模塊

完成各級產(chǎn)品處理終端的內(nèi)網(wǎng)IP地址、各終端上產(chǎn)品源數(shù)據(jù)的存儲路徑等參數(shù)的設置。

（8）數(shù)據(jù)備份參數(shù)設置模塊

完成備份產(chǎn)品所需的相關參數(shù)設置，包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)的備份路徑、需備份的產(chǎn)品類型、需備份的文件格式、新產(chǎn)品的檢測頻率等。

（9）災害速報模塊

實現(xiàn)對溫度、葉綠素濃度、懸浮泥沙濃度、氮磷濃度、水質(zhì)分類的災害速報。

（10）系統(tǒng)管理模塊

主要有用戶管理、權(quán)限設置、安全管理和數(shù)據(jù)管理，全面對該系統(tǒng)進行完善和管理。

2　系統(tǒng)架構(gòu)設計

廣東近海水質(zhì)遙感監(jiān)測與災害速報系統(tǒng)采用C/S+ B/S的混合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)浮標在線監(jiān)測系統(tǒng)與水質(zhì)遙感監(jiān)測系統(tǒng)的平滑整合，其架構(gòu)圖如圖5所示。

該系統(tǒng)架構(gòu)層次主要分為三層，分別是數(shù)據(jù)層、技術開發(fā)層和應用服務層。

數(shù)據(jù)層主要用于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)來源主要有兩部分，分別是通過海水實測數(shù)據(jù)、經(jīng)處理的遙感數(shù)據(jù)直接導入。數(shù)據(jù)可進行添加、修改、刪除、查詢。

圖5　廣東近海水質(zhì)遙感監(jiān)測與災害速報系統(tǒng)架構(gòu)圖

技術開發(fā)層主要采用GIS地理信息技術和編程軟件Visual C++，該技術應用于空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫，水質(zhì)遙感監(jiān)測關鍵處理技術以及Windows工作平面及圖形工作站。

應用服務層主要實現(xiàn)廣東近海水質(zhì)遙感監(jiān)測與災害速報系統(tǒng)各模塊功能，包括產(chǎn)品發(fā)布、顯示、查詢、下載等，遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、產(chǎn)品參數(shù)設置，及災害速報等。

3　結(jié)語

本文著力于研究基于衛(wèi)星的廣東近海水質(zhì)遙感監(jiān)測與災害速報系統(tǒng)的設計。首先通過建立廣東近海海域主要水質(zhì)參數(shù)（葉綠素、懸浮物、氮、磷等）的遙感模型，研發(fā)水質(zhì)遙感監(jiān)測系統(tǒng)，提供水質(zhì)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)；最后研發(fā)廣東近海水質(zhì)遙感監(jiān)測與災害速報系統(tǒng)，實現(xiàn)污染物動態(tài)監(jiān)測、水環(huán)境水質(zhì)分類，富營養(yǎng)化程度顯示及災害速報功能等。對于提升海洋環(huán)境監(jiān)控能力、加強陸源入海污染物監(jiān)督管理，實現(xiàn)海洋預報減災，減少廣東近海海洋水質(zhì)污染等災害給人民群眾帶來的經(jīng)濟損失，保障廣東海洋經(jīng)濟健康、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展必將起到重要作用。

［1］朱鶴.遙感技術在地表水源地水體監(jiān)測中的應用研究［D］.中國水利水電科學研究院，2013.

［2］《2013年廣東省海洋環(huán)境狀況公報》已公布［EB/OL］．http://www.hellosea.net/show.php？xuh=8471.2014-05-28.

［3］朱鶴.遙感技術在地表水源地水體監(jiān)測中的應用研究［D］.中國水利水電科學研究院，2013.

［4］祝令亞．湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測與評價方法研究［D］．北京：國科學院遙感應用研究所，2006．

Satellite Remote Sensing Data；Inversion Model；Monitoring System；Quick Report System

Design of Guangdong Coastal Water Quality Remote Sensing Monitoring and Disaster Forecasting System

SHEN Ying-na1，F(xiàn)U Dong-yang2，ZHENG You-liang1
（1.Guangdong Science&Technology Infrastructure Center，Guangzhou 510033；2.Laboratory of Ocean Remote Sensing and Information Technology，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088）

1007-1423（2015）21-0053-06

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.21.014

沈映娜（1980-），女，廣東汕頭人，本科，工程師，從事領域為信息系統(tǒng)設計、研發(fā)工作

付東洋（1969-）男，四川閬中人，博士，副教授，從事領域為海洋遙感及應用領域的研究工作

鄭友亮（1985-），男，廣東汕頭人，本科，工程師，從事領域為信息系統(tǒng)研發(fā)及項目管理工作

2015-06-08

2015-07-09

近幾年海洋環(huán)境污染問題突出，為維護海洋的生態(tài)安全和資源的可持續(xù)利用，必須加強對海域生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測。基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，建立遙感反演模型，實現(xiàn)水質(zhì)遙感監(jiān)測系統(tǒng)，構(gòu)建廣東近海水質(zhì)遙感監(jiān)測與災害速報系統(tǒng)。對提升海洋環(huán)境監(jiān)控能力，實現(xiàn)海洋災害速報起到重要作用。

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)；反演模型；監(jiān)測系統(tǒng)；速報系統(tǒng)

廣東省科技計劃項目（No.2013B030200002）、國家海洋公益專項（No.201305019）、廣東省自然科學基金（No.2014A030313603）、廣東省高校優(yōu)秀青年老師培養(yǎng)計劃項目（No.Yq2014001）、廣東海洋大學創(chuàng)新強校專項（No.GDOU2014050226）

In recent years，the marine environmental pollution is outstanding，in order to maintain the ecological security of sea and the sustainable use of resources，need to strengthen the monitoring of the marine ecological environment.Based on satellite remote sensing data，establishes the remote sensing inversion model，to achieve the water quality remote monitoring system，constructs the Guangdong coastal water quality remote sensing monitoring and disaster rapid reporting system.Improving the marine environment monitoring ability and realizing the marine disaster reporting plays an important role.