內陸湖泊水環境遙感監測系統的設計與實現

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

目前，傳統的水質監測方法是根據監測站點的實測數據來分析水質情況，該方法能夠比較精確地測出某個局部點范圍內的污染情況，但是不能快速地統計出大區域的污染信息。為了更加有效地對湖北省水質情況進行監測，應該綜合利用遙感、地理信息系統等空間信息技術，并和傳統方法相結合，對水質情況進行分析和監測。為了快速、精確地從遙感影像中提取與水環境監測相關的生化指標信息，需要一個軟件系統對空間數據進行統一組織和高效處理，使人們能夠有效地查看各個水網的環境情況，便于水環境監測專家和工作者做出分析和決策。現有的水環境監測系統大多依賴于地面傳感器及實測數據的分析[1，2]，國外有關引入遙感技術進行水環境監測的可行性研究仍處于起步階段[3]，自2008年環境一號小衛星在軌運行起，我國以應用該星座數據的關鍵技術為研究目標，將太湖列為示范區域，開展了水環境遙感監測的可行性研究[4]，并在此基礎上設計開發了包括數據管理、遙感影像處理、遙感模型應用、專題產品生產和發布等功能在內的太湖水環境遙感監測系統，為水環境遙感監測提供了基礎的研究和示范平臺。

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

1 水環境遙感監測實施方案

使用遙感數據實施水環境監測，主要是對遙感數據進行處理和運算，得到可以反映水質狀況的遙感特征參數，通過構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參數，并根據水環境評價標準，綜合多種水質參數對監測水體的富營養化程度、污染程度、水質類別等做出判別。與傳統地面傳感器監測方法相比較而言，遙感監測方法表現出大范圍、時空連續性強、實時監測等優勢。根據湖北省大東湖水網的湖區分布特點和歷史環境狀況資料，提出該區域內湖泊環境遙感監測的技術路線，包括遙感數據預處理、水環境指標提取、水環境狀況評價3個部分，實施流程如圖1所示。

圖1 水環境遙感監測技術路線

1.1 遙感數據預處理

為了更科學、合理地將遙感數據應用到水環境監測中，需要對未經地理坐標校準和輻射定標的初級遙感影像產品進行計算處理，生成表達地物反射率和亮度溫度的中間產品。此外，由于所關注和研究的目標是湖泊區域內的水體，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分。綜上所述，水環境遙感監測的預處理過程包括數據準備、輻射定標、幾何校正和湖區提取4個部分，而且它們執行處理的先后順序是固定不變的。數據準備根據原始影像的元數據計算輻射定標系數;輻射定標使用該定標系數轉換影像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、正確的數值;湖區提取對所有研究水域目標進行識別，轉換其他陸地目標為影像背景。其中，幾何校正和湖區提取受影像質量和處理算法的影響較大，需要根據環境小衛星影像的特點做實驗對比分析，從效率和精度2個方面，選擇最優的算法以達到監測需要。

1.2 水環境指標提取

不同水質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據，借助光學－生化/光學－物理模型，對比參考國內外同類衛星數據(TM、CBERS等)水質指標提取方法，通過波段組合運算的方式構造多種具有光學、生化、物理或混合特性的特征，將其與同一時期內的地面實測數據建立關系模型，尋找最佳的數學模型描述二者間的數值關系。由于影像的輻射信息可能受到季節、經緯度、高程等因素的影響，分析獲得到的某一特定水質指標的反演模型并不唯一，為了提高模型的適用性和穩定性，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果精度與實際地面監測差異明顯的情況，采用先把遙感影像分割為湖區圖斑，再將地面監測點數據內插計算分布到圖斑中的空間數據分析方法，以實現水環境指標含量的真實化遙感方式表達。

1.3 水環境狀況評價

使用通過遙感手段所提取的水環境指標影像數據，依據傳統地面監測方式下的水環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測目標水體的富營養化程度、水污染程度、水質等級，并將分級評價結果記錄生成相應的遙感專題影像，水環境狀況的空間分布情況在遙感影像上得到直觀地反映。根據國家環保部公布的水環境狀況評價標準，對使用遙感影像數據反演獲得的葉綠素a、總磷、總氮、高錳酸鹽等總計13項指標進行分級，其中富營養化程度分為輕營養、中營養、輕度富營養、中度富營養和重度富營養5級，水污染程度分為優、良好、輕度污染、中度污染、重度污染5級，水質等級分為Ⅰ～Ⅴ與劣Ⅴ類六級，當參與評價的單項水質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 水環境遙感監測系統架構

參照水環境遙感監測實施的技術路線，結合系統操作的方便性、可視化性，以及業務化運行的靈活性、可變性等特點，“遙感數據預處理與水環境監測系統”采用多文檔多視圖主框架結構結合COM組件的方式進行開發和組織，采取分層結構設計和開發。考慮到與用戶交互的需求，系統總體結構可分為4層，各部分的耦合關系盡量少，以保證系統的靈活性和可維護性。不同的服務層對應不同的系統功能模塊，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，與本系統共享文件數據接口。在主要處理運算功能設計確保生產效率和成果精度的基礎上，系統各層接口間、本系統與配準分系統接口間的數據通信和聯系是系統靈活操作和遙感影像流程化處理的關鍵。系統的四層總體架構組織方式如圖2所示。

圖2 水環境遙感監測系統總體架構

2.1 主要功能設計

在整個水環境遙感監測實施過程中，由于大多數系統功能僅涉及簡單的遙感影像波段組合運算，影響最終水環境評價結果的處理主要表現在空間地理定位和水環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影像特征采用特定的圖像配準算法，修正因采集環境、傳感器姿態、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，對流程化處理和數據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來實現。配準分系統的功能設計如圖3所示。在接到執行幾何校正處理任務的請求時，由水環境遙感監測系統發送啟動配準分系統命令，并將數據I/O信息以文件傳遞消息方式通知配準分系統進行處理準備。在校正開始前需要手工選擇配準影像和配置參數，進行校正時系統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，此時可以選擇執行人工干預調整模型精度，當精度滿足需要時，確認重采樣操作完成匹配操作，同時系統自動加入第2組影像以上述流程執行幾何校正，循環操作和處理直到完成所有待配準數據的校正。

圖3 幾何校正功能實現流程

在保證產品精度的同時，為了提高影像配準處理在遙感應用業務化生產中的效率，國內外專家根據影像特征和研究區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化搜索策略的配準方法[8]，本文水環境遙感監測系統同時兼顧常規與應急運行模式，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。

水環境指標提取作為水環境遙感監測系統的主要功能之一，負責完成遙感輻射指標到水環境生化指標的計算轉換，目前應用遙感技術開展環境與災害監測工作的一般方式是:使用大量遙感數據與同期地面實測數據，依據回歸分析理論，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值關系的反演模型，經過長期對比驗證和精度調整，達到脫離地面監測而依靠遙感影像推演計算所需參數的目標。關于內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，采用的反演模型各不相同，水環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。

由于系統涉及的水環境指標、監測水域、傳感器類型、模型公式種類較多，組合千變萬化，需要進行統一有效的管理和調用。反演模型管理功能采用XML文件結點記錄方式，按模型所屬類別的重要性進行分級管理，結點級別自頂向下分別是:水質參數類別、所在湖區、影像所屬衛星傳感器類別、模型信息，其中模型信息包括介紹、湖區代碼、公式和計算波段4個部分。XML文件管理反演模型的內容形式如圖4所示。

圖4 管理反演模型的XML文件內容

水環境指標計算功能的設計除包括從XML文件中調用指定反演模型公式執行計算(模型反演方法)的常規運行模式外，還設計了系統應急運行模型下地面實測點數據圖斑化分布(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，將傳統點位監測數據擴展到空間區域中，是遙感技術應用于空間數據表達的新思路。水環境指標提取功能實現流程如圖5所示。

圖5 水環境指標提取功能實現流程

2.2 數據接口設計

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

實現空間數據接口所使用的GDAL(Geospatial Data Abstraction Library)是目前流行的開源空間數據抽象函數庫，幾乎包括了對所有矢量和柵格數據的讀寫支持，而且采用鏈表結構設計的對XML文本數據的操作訪問也十分方便，能夠科學、有效地管理水環境指標遙感反演模型。數據庫接口通過ADO(ActiveX Data Objects)來實現，它是一個用于存取數據源的COM組件。提供了編程語言和統一數據訪問方式OLE DB的一個中間層。在設計訪問數據的代碼時不用關心數據庫是如何實現的，而只用顧及數據庫的連接。作為一種面向對象的編程接口，ADO在高速度以及較低的內存占用方面優勢明顯，是目前最廣泛采用的數據庫接口設計方式。

表1 水環境監測系統的數據接口說明

3 水環境遙感監測系統功能

基于上述技術路線及架構設計，開發并實現了遙感數據預處理與水環境監測系統。采用VC++集成開發環境下的Arc Engine組件式二次開發方法，引入前臺操作顯示與后臺運算處理同步執行的雙線程運行模式，系統的主要功能包括: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據;環境小衛星影像預處理;水質參數提取，包含模型反演和空間分析2種方法;水環境富營養化、水污染程度、水質等級評價;水環境遙感評價產品制作;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，系統的特色還表現在遙感影像自動化預處理、多任務多文件批處理、水環境遙感專題產品流程化生產等方面。

圖6展示了遙感數據預處理與水環境監測系統的主界面，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、影像信息面板和系統狀態欄。

圖6 遙感數據預處理與水環境監測系統的主界面

遙感數據預處理與水環境監測系統所調用的自動配準分系統界面如圖7所示，該系統是基于VC++的多文檔多視圖框架設計開發的程序，包括空間數據管理、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，通過參數預設及少量人工干預，該系統可自動完成對環境星CCD影像的自動配準，滿足水環境遙感監測產品業務化生產過程中高效率、高精度的幾何校正需求。

圖7 幾何校正功能實現(自動配準分系統)界面

圖8展示了水環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，實現水環境指標提取反演模型的記錄和管理。

圖8 水環境指標反演模型管理界面

水環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、數據庫連接等交互式操作，通過一次參數配置完成多種指標輸出的生產任務。

圖9 水環境指標提取批處理界面

圖10展示了系統生產的湖北省梁子湖水質分級專題產品，專題圖所包含的標題、圖例、統計信息、制作信息等全部由產品生產功能模塊自動添加，減少了人工制圖的工作量，實現了批量化的水環境專題產品生產。

圖10 水環境遙感監測系統水質分級專題產品圖

4 總結和展望

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

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