太湖流域水环境天地一体化监测体系构建与应用

牛志春，李旭文，张 咏，金 焰，姜 晟

(江苏省环境监测中心，江苏 南京 210036)

·环境预警·

太湖流域水环境天地一体化监测体系构建与应用

牛志春，李旭文，张 咏，金 焰，姜 晟

(江苏省环境监测中心，江苏 南京 210036)

为全面提升中国水环境监测预警能力和水平，建立天地一体化监测体系，以太湖流域为研究区域，探索了水环境天地一体化监测方法，有效地结合地面常规监测与卫星遥感监测技术优势，弥补了现行环境监测体系的不足，为环境污染，生态变化，灾害监测、预警、评估及应急救助等指挥体系提供参考。

太湖;天地一体化;监测

1 概述

长期以来，中国水环境监测主要以地面布点采样监测为主，宏观性、时效性较差，监测成本相对较高，无法完全满足环境保护发展的需要。而随着卫星遥感技术的日益成熟，其大范围、全天候、全天时的优势，为环境监测建立了稳定的数据保障，有效弥补了地面常规监测费用高，监测站点分散，缺乏时空连续性，难以全面、及时反映环境质量状况及其发展趋势的不足，为建立天地一体化的环境保护技术支撑体系奠定了坚实的基础［1，2］，为完善环境污染、生态变化以及灾害的监测、预警、评估、应急救助指挥体系提供了良好的平台。通过多年来水环境遥感科研人员的不懈努力，卫星遥感技术在水环境监测领域得到了广泛应用，在水质及富营养化指标方面也取得了很多的突破，建立了日趋成熟的适用于中国不同地区湖泊等二类水体的分区、分季节的，基于经验及半经验、分析机理的遥感反演模型。

随着中国环境一号卫星A星、B星组网的建成，其每2 d的重访能力和30 m CCD影像的地面分辨率将能更加有力地支持对蓝藻水华、湖泛以及其他时变较快的生态问题的监测预警［3］。再加上资源卫星、海洋卫星等国产卫星影像，国外Landsat等对地观测、科学研究、公益性卫星影像资源不断丰富、互为补充和协同应用，可以预见，对湖泊等水体中的小尺度、光谱上弱幅(然而较稳定)的特征、时变快(一般小于1 d，甚至3～5 h)的生态环境现象的捕捉和持续监控将更加可行，多星遥感数据的协同监测具有很强的业务化应用潜力［4，5］。笔者选择水环境问题最为突出的太湖流域作为研究区，探讨了水环境天地一体化监测体系建立需解决的问题，天地一体化监测的发展方向及实际应用等，为环境监测系统全面开展水环境天地一体化监测提供参考。

2 水环境天地一体化监测体系构建

水环境天地一体化监测体系构建应在现有环境监测能力的基础上，利用国家及地方太湖流域各类水环境监测装备、机构队伍资源，充分结合地面监测和卫星遥感监测优势来开展。国家、省、市、县四级监测部门密切配合，以星地信息同步采集、传输和汇集，天地一体化水环境信息快速集成、处理和分析，监测成果快速输出并展示为基础，以领导决策为先导，以应急监控为主线，建立一整套完善的水环境监测预警体系(图1)［6］。

2.1 星地同步监测能力建设

太湖流域天地一体化监测体系的建立应充分整合国家、省、市、县四级监测能力和信息资源。国家环境监测部门负责监测方案的编制;省级环境监测部门负责监测任务的组织实施，卫星遥感监测、监测数据汇总分析及监测报告的编制;市、县环境监测部门负责卫星过境期间水质同步监测，包括手工采样监测、水质快速监测、水质自动监测、蓝藻及湖泛发生情况巡测等，监测数据、信息及时传输到省级环境监测部门。目前，太湖流域按照“高标准、全覆盖、最先进”的目标已建成了水环境自动监控系统、手工地面监测系统、应急监测系统及遥感监测系统等，全面覆盖了流域内行政交界断面、主要入湖河流、送水通道等区域，星地监控预警能力大幅提升。

图1 太湖流域水环境监测体系构建

水环境自动监控系统包括太湖流域水质自动监测站网、浮标站网及污染源在线监控等，“十一五”期间，环保系统共建成水质自动站198个，浮标站11个，监测项目涉及水质五参数、氨氮、总磷、总氮、总有机碳、重金属、生物毒性及叶绿素a等。水质手工地面监测系统包括水质手工采样监测和水质光谱测量，水质手工监测是指在太湖湖体定点手工采集水质样品，通过实验室分析得出各项监测指标的浓度值，常规指标包括《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)表1中规定的基本项目24项，加测水位、透明度、总磷、总氮、叶绿素a及悬浮物，监测频次为每月一次。水体光谱测量则是利用野外光谱辐射仪测量水面光谱辐射率曲线及一些辅助参数，如风速、风向、GPS点位信息等。卫星遥感监测主要根据不同的卫星遥感数据源及水质特有的光谱反射特征，利用最佳波段或波段组合，建立分析模型，对太湖湖体水质、蓝藻发生情况等进行监测。比较常用的数据源包括高空间分辨率的美国陆地资源卫星TM数据、环境一号卫星CCD数据、美国SPOT卫星数据、中巴卫星CBERS CCD数据;高时间分辨率的美国EOS MODIS数据、NOAA数据及美国SeaWiFS数据等［7］。

2.2 信息网络保障体系建设

在太湖流域水环境天地一体化同步监测体系中，信息快速获取和安全传递至关重要，为此必须建立完善的信息网络保障体系［8，9］，及时、准确地将各类监测数据汇总、分析，对一些敏感的环境问题进行预测、预警。

天地一体化水环境信息传输主要涉及几个方面，一是水质自动站及浮标站等自动监测设备产生的数据，依靠国家、省、市已建成的环境信息传输VPN专网及时汇集、整理。二是地面实测数据、视频资料、水质光谱数据等则通过3G无线网络传输，用于后续数据的分析提取［10，11］。三是不同分辨率卫星遥感数据资料的获取，环境一号卫星遥感数据主要依靠中国资源卫星中心进行数据处理、分发，处理好的1B数据再通过FTP等方式下载得到;EOS/MODIS等卫星遥感数据的接收处理包括两种方式，一种是通过广播方式接收数据，另外一种是建立卫星数据直收系统，在卫星过境期间对数据进行同步接收处理，接收到的数据再通过局域网传输，提高数据传输速度及安全性。

2.3 监测成果应用体系建设

建立覆盖全流域、内容齐全的各类应用系统，加大对天地一体化同步监测数据的深度分析、挖掘，提升监测应用能力，如环境质量监测数据管理系统、水环境质量综合分析系统、太湖流域海量遥感数据管理系统及水环境遥感监测系统等［12］。

在各类应用系统的支撑下，对星地同步监测数据进行采集、传输、集成分析，通过环境质量监测数据管理系统整合各类地面手工监测数据、自动监测数据，并将整理入库的长时间序列数据及时传输给水环境质量综合分析系统［13］，利用该系统提取分析各类水环境信息，编制水质监测日报。在地面数据处理过程中，利用海量遥感数据管理平台及水环境遥感监测系统同步处理实时接收到的遥感数据，通过内置的水质遥感监测模型、蓝藻水华遥感提取模型、湖泛提取算法等及时输出各类水质可遥感指标，输出水质遥感监测日报。最后，对遥感监测结果及地面监测结果进行空间叠加分析，修正各类水质监测模型，提升遥感监测精度，实现太湖流域全覆盖、多角度、多手段的实时监测。

3 水环境天地一体化监测技术应用

3.1 太湖蓝藻天地一体化同步监测

太湖蓝藻天地一体化同步监测包括遥感监测、地面监测及监测结果对比分析3个方面(图2)。遥感监测是指利用环境一号或美国EOS/MODIS卫星数据实时监测太湖蓝藻发生、分布、演变情况，利用遥感图像接收系统、处理系统及时制作太湖蓝藻遥感分布图，并及时输出各类专报及成果图。地面监测是指在卫星过境期间利用现有太湖监测船巡测西部沿岸区、梅梁湖、贡湖等蓝藻多发及重点监测区，监视蓝藻发生及分布，同时利用藻密度监测仪实时监测藻密度分布情况，数据获取后及时整理分析。蓝藻监控预警部门根据卫星监测结果、地面实测结果综合分析蓝藻暴发等级，一旦发生重大污染事件，及时启动应急响应程序。

3.2 太湖湖泛天地一体化同步监测

图2 太湖蓝藻天地一体化监测

“太湖湖泛”是一种俗称，目前尚没有统一的术语，多指藻类在湖泊岸边、入湖河口和湖汊等区域聚集死亡，因快速耗氧导致腐烂和发臭，并在厌氧状态下和底泥相互作用所形成的死藻残体、污泥以及湖水的混合体。湖泛发生时，水体会出现不同程度的黑臭现象，对湖泊水生态造成较大影响。太湖湖泛天地一体化监测包括遥感监测、地面巡测、应急监测等(图3)。遥感监测是指利用接收到的HJ-1数据快速、连续地跟踪太湖水体的变化情况，研判大面积、连续性分布的蓝藻水华区域中出现的湖泛分布信息，监视蓝藻水华生长消亡变化，一旦影像中反映出湖泛信息，立即判读湖泛发生面积，启动湖泛应急响应预案，通知湖体巡测船及相关人员，及时采集水样，并调用水质自动站数据，分析水质现状，按应急响应机制采取围网隔离、增氧曝气、蓝藻打捞、人工增雨、调水引流等措施，排除险情，恢复水质。

图3 太湖湖泛天地一体化监测

3.3 太湖湖体水质天地一体化同步监测

太湖湖体水质天地一体化监测包括卫星遥感监测、地面手工监测、水质自动监测、湖体水质巡测和星地同步监测结果对比等(图4)。其中卫星遥感监测是指利用环境一号或TM卫星数据水质遥感监测系统等监测太湖湖体水质状况，绘制主要水质监测参数专题图和等值线分布图，反演太湖水质现状，提取各湖区及监测点位水质遥感监测结果等。地面手工监测是指卫星过境期间实时采集湖体例行监测点位水样，能现场出结果的，现场做好统计报表，不能现场出结果的，将水样及时送回实验室，并快速测定溶解氧、氨氮和高锰酸盐指数等指标。水质自动监测是指调用卫星过境期间利用水质自动监测数据，评价监测点位水质状况等。水质巡测是指通过应急监测船快速采集环境污染事故发生水面的水质样品，及时监测分析主要水质指标。以上数据通过信息传输网络，传送至监控预警部门，监控预警人员对星地同步监测数据进行深度比对分析，及时发现水质隐患，启动环境应急预案。

图4 太湖湖体水质天地一体化监测

4 结论

近年来，太湖流域在各级政府的高度重视下，监测预警能力不断提升，在全国范围内已基本形成了监测密度最高、监测指标最全面、信息采集量最丰富、技术最先进的水环境监测预警体系，在天地一体化监测方面，具备了最为优越的软硬件条件。再加上水环境遥感科研人员在太湖流域长期观测试验，在水质及富营养化指标遥感监测方面也取得了很多突破，为遥感技术在水环境监测领域的广泛应用提供了可参考的依据。为此，通过在太湖流域优先发挥地面监测及卫星遥感监测优势，在水质监测、湖泛监测、蓝藻监测等方面基本上实现了业务化运行，为中国其他流域天地一体化全面监测提供了可借鉴的经验，为中国环境保护工作历史性转变提供重要的技术支撑。

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［3］ 王桥.环境一号卫星环境应用系统工程及其关键技术研究进展［J］.环境监控与预警，2009，1(1):31-36.

［4］ 栾恩杰.建立天地一体化综合卫星应用体系［J］.中国测绘，2003(6):26-27.

［5］ 李德仁.论天地一体化的大测绘——地球空间信息学［J］.测绘科学，2004(3):1-2.

［6］ 鲁士文.天地一体化的遥科学系统和网络技术［J］.计算机工程与设计，2002(1):4-7.

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［8］ 刘品雄，葛之江，张连台.天地一体化遥感信息应用网络体系的发展［J］.航天返回与遥感，2001(3):63-66.

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［10］ 沈荣骏.我国天地一体化航天互联网构想［J］.中国工程科学，2006(10):19-30.

［11］ 张玉荣.小议天地一体化测绘发展策略及其实现途径［J］.黑龙江科技信息，2009(4):43.

［12］ 于刚.新疆环境监测中心站加快生态环境监测天地一体化进程［J］.干旱环境监测，2005(19).

［13］ 丁莞歆.充分发挥“先行和引领”作用让监测事业在新起点上闪耀光芒［J］.环境保护，2010，439(5):16-18.

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

国家水体污染控制与治理科技重大专项项目(2009ZX07527-006-3)。

牛志春(1977—)，女，工程师，硕士，从事环境遥感监测应用工作。