滇池藍藻水華監(jiān)測預(yù)警空間信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

房晟忠,顏 翔,彭 斌，吳 勇，秦艷姣

(1.昆明市環(huán)境監(jiān)測中心，云南 昆明 650228；2.中國航天科工信息技術(shù)研究院，北京 100070)

0 引言

滇池是我國著名的高原淡水湖泊，屬金沙江水系，位于昆明市南端，湖體略呈弓形，弓背向東，南北長約40 km，東西最寬處12.5 km，平均水深4.4 m，水面積300 km2，庫容12.9億立方米，素有“五百里滇池”的美譽。滇池具有城市供水、工農(nóng)業(yè)用水、調(diào)蓄、防洪、旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等多種功能，是昆明生態(tài)安全格局的重要組成部分，對昆明市乃至全省社會經(jīng)濟發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。然而，由于80年代經(jīng)濟和社會的發(fā)展，大量的工業(yè)廢水和生活污水排入滇池，超過了滇池水環(huán)境容量和自凈能力，水體迅速富營養(yǎng)化，昔日的“高原明珠”蛻變?yōu)槲覈廴咀顕?yán)重的湖泊之一，成為全國環(huán)境污染的典型?！笆濉逼陂g，滇池治理工作取得了一定成績，滇池水環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)企穩(wěn)向好的發(fā)展趨勢，藍藻水華的爆發(fā)程度得到有效控制，但是滇池藍藻水華生長的客觀條件依然沒有得到根本性的改善，滇池的水質(zhì)環(huán)境狀況及氣候條件依然有利于藍藻的生長和發(fā)育，2015年夏季滇池藍藻水華再次爆發(fā)，滇池藍藻水華治理工作依然艱巨。為深入貫徹落實“十三五”滇池水污染防治總體規(guī)劃，進一步提升滇池藍藻水華預(yù)警監(jiān)測的能力，本文開展滇池藍藻水華監(jiān)測預(yù)警空間信息系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用研究，致力于提升滇池監(jiān)測預(yù)警信息化能力和保障水平，使滇池生態(tài)環(huán)境監(jiān)測能力與生態(tài)文明建設(shè)要求相適應(yīng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)定位

滇池藍藻水華監(jiān)測預(yù)警空間信息系統(tǒng)建設(shè)，旨在通過GIS、遙感和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，集成滇池藍藻水華監(jiān)測多源數(shù)據(jù)資源，包括滇池常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、藍藻生物量監(jiān)測數(shù)據(jù)、多源衛(wèi)星藍藻監(jiān)測數(shù)據(jù)、地基水華遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)、地面氣象站氣象要素、浮標(biāo)站觀測數(shù)據(jù)、沿岸在線水質(zhì)自動站數(shù)據(jù)及成果，建立信息平臺，以實現(xiàn)藍藻水華監(jiān)測業(yè)務(wù)支撐及成果展示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、信息資源共享，為昆明市環(huán)保局及滇池流域管理部門藍藻水華監(jiān)測預(yù)警工作提供信息平臺支撐，充分發(fā)揮和挖掘滇池藍藻水華空天地一體化監(jiān)測技術(shù)、成果與其他部門信息資源的效能，為滇池藍藻水華治理提供決策依據(jù)[1-3]。此外，滇池藍藻水華預(yù)警監(jiān)測信息平臺將預(yù)留接口，與昆明市環(huán)境監(jiān)測中心“十二五”期間建成的滇池水環(huán)境監(jiān)測信息平臺進行集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、應(yīng)用的互聯(lián)互通。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于現(xiàn)有的遙感衛(wèi)星資源和已經(jīng)形成的科研成果，依托計算機軟硬件環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)通信平臺，以信息化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系及安全體系為保障，開發(fā)滇池藍藻水華監(jiān)測預(yù)警空間信息系統(tǒng)。如圖1所示，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集層、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層多層構(gòu)架設(shè)計開發(fā)[4-6]。數(shù)據(jù)采集層主要通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測設(shè)備、地基遙感監(jiān)測設(shè)備、常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備、氣象水文監(jiān)測設(shè)備、浮臺監(jiān)測設(shè)備獲取藍藻水華基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)；基礎(chǔ)設(shè)施層為硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等；數(shù)據(jù)層由基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)庫、地基遙感數(shù)據(jù)庫、氣象水文數(shù)據(jù)庫和藍藻水華專題數(shù)據(jù)庫組成；支撐層基于關(guān)鍵軟件技術(shù)平臺對各類業(yè)務(wù)功能需求進行服務(wù)封裝，以服務(wù)的方式提供給應(yīng)用層服務(wù)支撐，并與之交互；應(yīng)用層則是基于平臺層開發(fā)各項業(yè)務(wù)應(yīng)用，應(yīng)用范圍包括滇池藍藻水華監(jiān)測預(yù)警空間信息系統(tǒng)、相關(guān)環(huán)境保護管理應(yīng)用接口等。系統(tǒng)主要提供藍藻水華查詢識別、水質(zhì)參數(shù)定量反演與監(jiān)測、藍藻水華數(shù)據(jù)分析、視頻監(jiān)控、監(jiān)測報告、藍藻水華預(yù)警及應(yīng)急處置等功能，滿足藍藻水華預(yù)警監(jiān)測管理工作的需要。

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)提供地圖瀏覽、藍藻水華查詢識別、水質(zhì)參數(shù)定量反演與監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測報告、視頻監(jiān)控、預(yù)警及應(yīng)急處置七大功能模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

(1)地圖瀏覽：實現(xiàn)對基礎(chǔ)地理信息以及藍藻水華信息、水質(zhì)狀況等各類專題信息的綜合一張圖瀏覽展示；

(2)藍藻水華查詢識別：實現(xiàn)對水華空間分布位置、分布面積等信息的查詢識別定位；

(3)水質(zhì)參數(shù)定量反演與監(jiān)測：實現(xiàn)滇池葉綠素a濃度、懸浮物濃度、水體透明度、藻藍蛋白濃度的定量反演與監(jiān)測；

(4)藍藻水華數(shù)據(jù)分析：基于日常遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)提供藍藻水華空間對比分析、指標(biāo)對比分析和時空演變分析；

(5)視頻監(jiān)控：提供實時視頻監(jiān)控瀏覽、歷史視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)回放；

(6)藍藻水華預(yù)警及應(yīng)急處置：基于最新監(jiān)測數(shù)據(jù)，再依據(jù)《昆明市政府關(guān)于滇池藍藻大規(guī)模爆發(fā)應(yīng)急處置預(yù)案》，系統(tǒng)自動判斷藍藻水華爆發(fā)的概率預(yù)測結(jié)果、發(fā)生趨勢、級別等情況，提供應(yīng)急預(yù)案和處置輔助；

(7)藍藻水華監(jiān)測報告：提供藍藻水華監(jiān)測周報、月報和年報生成功能，通過設(shè)定一定的條件，系統(tǒng)根據(jù)后臺數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析運算及文字組織，將監(jiān)測成果數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的報告。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)及應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

針對昆明滇池藍藻水華污染問題，以計算機軟硬件環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)通信平臺為依托，以信息化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、數(shù)據(jù)交換體系及安全體系為保障，基于各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和藍藻水華專題數(shù)據(jù)，集成地理信息系統(tǒng)、多源遙感監(jiān)測、數(shù)據(jù)庫、物聯(lián)網(wǎng)和計算機網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)設(shè)計開發(fā)了滇池藍藻水華監(jiān)測預(yù)警空間信息系統(tǒng)[7-13]。

系統(tǒng)基于SOA架構(gòu)實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)之間的通信及數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用系統(tǒng)部署于Windows Server2008 64位操作系統(tǒng)中，采用ArcGIS平臺統(tǒng)一生產(chǎn)、管理空間數(shù)據(jù)庫，采用主流關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Oracle存儲空間、非空間數(shù)據(jù)，主要通過B/S模式實現(xiàn)藍藻水華監(jiān)測成果展示、動態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、預(yù)警處置等應(yīng)用，為有關(guān)管理部門進行藍藻水華監(jiān)管提供了信息平臺支撐。圖2中涉及的系統(tǒng)功能模塊都已實現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用效果

(1)藍藻水華監(jiān)測多源數(shù)據(jù)支撐：系統(tǒng)集成滇池藍藻水華監(jiān)測多源數(shù)據(jù)資源，包括滇池基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、多源衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)、地基遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)、浮標(biāo)站監(jiān)測數(shù)據(jù)、水質(zhì)站監(jiān)測數(shù)據(jù)、氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)、水文監(jiān)測數(shù)據(jù)(如圖3所示)。其中衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)提供2014年至2018年期間高分系列、環(huán)境系列多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，是宏觀、全面的藍藻水華監(jiān)測，而地基遙感監(jiān)測作為衛(wèi)星遙感監(jiān)測的主要補充，可提供藍藻水華重點區(qū)域的頻率為每小時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，彌補衛(wèi)星遙感手段受天氣影響造成的數(shù)據(jù)不足問題。這些數(shù)據(jù)資源為滇池藍藻水華監(jiān)測乃至流域水環(huán)境管理和相關(guān)研究提供了充足的數(shù)據(jù)支持。

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)集成展示界面

(2)藍藻水華監(jiān)測信息一張圖顯示：系統(tǒng)實現(xiàn)對衛(wèi)星遙感、地基遙感藍藻水華監(jiān)測數(shù)據(jù)，水質(zhì)監(jiān)測站點監(jiān)測數(shù)據(jù)，風(fēng)場，視頻監(jiān)控信息的可視化展現(xiàn)，直觀掌握藍藻水華的整體狀況。圖4所示為各類信息綜合一張圖展示。

圖4 監(jiān)測數(shù)據(jù)一張圖顯示

(3)實現(xiàn)藍藻水華動態(tài)監(jiān)測：結(jié)合業(yè)務(wù)實際，系統(tǒng)實現(xiàn)滇池藍藻衛(wèi)星遙感監(jiān)測和地基遙感監(jiān)測成果的統(tǒng)一業(yè)務(wù)化應(yīng)用，通過藍藻水華查詢識別、水質(zhì)參數(shù)遙感監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和視頻監(jiān)控等功能應(yīng)用，輔助藍藻水華的動態(tài)監(jiān)測、預(yù)警和管理。首先通過查詢識別功能，可對藍藻水華的空間分布位置、分布面積等信息進行快速識別定位(如圖5)；其次系統(tǒng)集成相關(guān)模型，實現(xiàn)滇池葉綠素a濃度、懸浮物濃度、水體透明度、藻藍蛋白濃度的定量遙感反演與監(jiān)測，如圖6所示為葉綠素a濃度遙感反演信息。另外系統(tǒng)提供多種數(shù)據(jù)分析功能，便于管理人員進行數(shù)據(jù)相互對比檢查、分析驗證。空間對比分析是基于一定的空間范圍，來對比不同時期內(nèi)藍藻水華專題圖或者水質(zhì)空間分布圖的差異變化情況(如圖7)；指標(biāo)對比分析是根據(jù)用戶選擇相應(yīng)的對比日期和對比指標(biāo)，來對比藍藻水華發(fā)生的規(guī)律，并通過表格形式展示數(shù)據(jù)上的差異(如圖8)；時空演變分析功能可以隨著時間軸動態(tài)演變某個日期范圍內(nèi)或某月內(nèi)藍藻水華發(fā)生的空間變化情況。最后通過視頻監(jiān)控功能，可對滇池重點監(jiān)測區(qū)域進行實時視頻監(jiān)控，方便管理人員直觀、便捷地掌握湖面水質(zhì)情況(如圖9)。

圖5 藍藻水華查詢識別

圖6 葉綠素a濃度遙感反演監(jiān)測

圖7 空間對比分析

圖8 指標(biāo)對比分析

圖9 視頻監(jiān)控

(4)藍藻水華預(yù)警處置及信息共享：系統(tǒng)基于最新水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)、地基遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，集成藍藻水華預(yù)警模型，提供藍藻水華相關(guān)預(yù)警預(yù)報信息，此外系統(tǒng)提供應(yīng)急處置功能，自動給出相應(yīng)的應(yīng)急處置措施，輔助管理員啟動相應(yīng)的藍藻水華應(yīng)急預(yù)案。系統(tǒng)基于監(jiān)測成果數(shù)據(jù)，自動生成相應(yīng)的藍藻水華監(jiān)測報告，包括周報、月報和年報等，用戶可以通過信息共享發(fā)布網(wǎng)站進行查詢和下載，及時獲取所需信息(如圖10)，促進藍藻水華監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)、信息、應(yīng)用成果的有效共享和利用。

圖10 藍藻水華預(yù)警監(jiān)測報告

3 結(jié)論

藍藻水華數(shù)據(jù)具有多源異構(gòu)、時空變化的特性，依靠常規(guī)手段，難以實現(xiàn)藍藻水華信息的高效管理、動態(tài)監(jiān)測和及時防治。本文針對昆明滇池藍藻水華污染問題，根據(jù)有關(guān)環(huán)境保護管理部門對滇池藍藻水華的監(jiān)測、治理及環(huán)境保護工作需求，依托計算機軟硬件環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)通信平臺，研究開發(fā)了滇池藍藻水華監(jiān)測預(yù)警空間信息系統(tǒng)，初步構(gòu)建了水陸統(tǒng)籌、天地一體、上下協(xié)同、信息共享的滇池生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，集成了滇池多源衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)、地基遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)、浮標(biāo)站監(jiān)測數(shù)據(jù)、水質(zhì)站監(jiān)測數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的一張圖綜合態(tài)勢顯示，通過系統(tǒng)藍藻水華查詢識別、水質(zhì)參數(shù)定量反演與監(jiān)測、空間分析、視頻監(jiān)控等應(yīng)用功能為藍藻水華動態(tài)監(jiān)測管理提供了便捷工具，基于實時獲取的藍藻水華基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及專題數(shù)據(jù)，集成預(yù)警模型，實現(xiàn)了藍藻水華爆發(fā)預(yù)警處置、監(jiān)測報告、信息發(fā)布共享的網(wǎng)絡(luò)化、流程化應(yīng)用，提高了藍藻水華預(yù)警監(jiān)測管理工作效率，進一步完善了藍藻水華發(fā)現(xiàn)和處置機制，拓寬了監(jiān)測治理思路。同時，對促進國家和地方環(huán)境監(jiān)測部門的合作與交流，推廣遙感技術(shù)在地方環(huán)境監(jiān)測部門的應(yīng)用，具有重要示范效應(yīng)和現(xiàn)實意義。