廣東近海水質遙感監測與災害速報系統設計

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）

廣東近海水質遙感監測與災害速報系統設計

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，廣東海洋經濟和海洋事業迅猛發展，海洋經濟總量連續16年保持全國領先地位，在海洋開發、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濟試點為契機，建設海洋經濟強省。

同時，廣東經濟發展也面臨著嚴峻挑戰，如環境污染問題比較突出，資源環境約束凸顯，傳統發展模式難以持續。以開發近岸海域資源為主的傳統發展方式受到資源環境的制約，保持海洋經濟快速發展的難度加大，海洋開發中一些深層次矛盾和問題逐步顯現。海洋資源開發利用水平偏低，海洋環境污染問題突出，海洋生態環境保護和修復任務艱巨，特別是經濟比較發達的珠江口海域、粵東和粵西的海域。根據2013年廣東省海洋環境狀況公報顯示，水質劣于第四類 （港口水域、海洋開發作業區）海水水質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濟損失74.41億元［1］。

為維護海域的生態安全和資源的可持續利用，必須加強對海域生態環境的監視監測，及時了解和掌握海洋環境現狀、變化趨勢和潛在風險，維持海域的生態環境健康，維護海洋經濟發展賴以依托的環境容納量和生態承載力。因此，構建基于衛星的廣東近海水質遙感監測與災害速報系統，對加快轉型升級、建設幸福廣東和海洋經濟強省具有十分重要的意義。

傳統的水資源監測主要依據水資源管理需求和經濟允許條件，布設監測站網，依靠地面人工或自動監測手段獲取點上的水資源信息，通過分析計算獲得區域水資源信息［2］。傳統監測方法費時費力，且只能了解監測斷面的水體污染狀況，難以獲得大范圍水域水質的空間分布和變化趨勢，不能滿足實時、大尺度的監測評價要求。遙感反演技術的出現，給水質的監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。與傳統監測方法相比，遙感技術有其獨特的優勢［2］。

本文基于衛星遙感數據，建立水質參數遙感反演模型，實現了水質遙感監測系統；構建了廣東近海水質遙感監測與災害速報系統，實現污染物動態監測、水環境水質分類，富營養化程度顯示及災害速報功能等。對提升海洋環境監控能力，實現海洋災害速報起到重要作用。

1　系統需求分析

基于衛星的廣東近海水質遙感監測與災害速報系統以建立衛星遙感的立體監測平臺為基礎，連續動態監測廣東近海海域水環境要素，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；構建近海水質遙感監測系統，集成海水實測數據與衛星監測結果，實現全方位在線監測；研發廣東近海水質遙感動態監測與災害速報系統，結合多年實測歷史數據及在線監測結果，構建廣東近海海域水環境變化關系模型，評估海水污染程度，開發海洋災害速報系統，為海洋管理部門提供輔助決策依據，保障廣東海洋經濟健康、穩定、可持續發展。

1.1水質遙感監測系統

水質遙感監測系統，提供水質遙感監測數據，實現水質環境動態檢測，其具體的功能模塊如圖1所示。

圖1　水質遙感監測系統功能模塊圖

（1）水質分類模塊

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、磷等污染物的質量濃度及懸浮物等水質參數的質量濃度。通過跟廣東省海洋管理部門合作，實現關鍵水質的速報與發布。

（2）衛星遙感數據模塊

多源衛星遙感數據的業務化接收和處理。根據不同衛星數據的特征，進行多源衛星遙感數據的融合研究，獲得廣東近海海域高時空分辨率的水質參數分布，并進行該海域的水質分類。遙感水質分類路線如圖2所示。

圖2　遙感水質分類路線圖

（3）反演模型模塊

通過收集廣東近海水質歷史資料、采集現場水質與光譜數據，構建基于不同季節的廣東近海海域尤其是一二類水體復合區衛星遙感反演模型，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。氮磷質量濃度反演模塊技術流程如圖3所示。

圖3　氮磷質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，進行兩年的連續觀測，并與大量的歷史資料相結合，根據上述一年四季實測的光譜數據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參數相關性比較高的對光譜響應比較好的水質參數（例如：懸浮物或黃色物質）進行間接的方法反演。

（4）系統管理模塊

主要有用戶管理、權限設置、安全管理和數據管理，全面對該系統進行完善和管理。

1.2廣東近海水質遙感監測與災害速報系統

廣東近海水質遙感監測與災害速報系統實現污染物動態監測、水環境水質分類，富營養化程度顯示及災害速報功能。在水質遙感監測系統基礎上，根據氮磷濃度參數等，基于支持向量機、神經網絡、逐步判別法等方法，進行該海域的水質分類，并根據上述研究結果，構建廣東近海水質遙感監測與災害速報系統，實現溫度、葉綠素濃度、懸浮泥沙濃度、氮磷濃度、水質分類的速報。其具體的功能模塊如圖4所示。

圖4　廣東近海水質遙感監測與災害速報系統功能模塊圖

（1）產品發布模塊

作為對外公開的Web服務應用系統，主要實現遙感反演產品的準實時動態發布，分最新產品、歷史產品，具體功能包括產品查詢、產品顯示、產品下載、其他信息發布等。

產品主要分為：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分類圖。

（2）產品顯示模塊

以縮略圖形式顯示遙感反演產品，并提供圖像縮放、平移等圖控功能。

（3）產品查詢模塊

可以按產品類型、產品級別、日期、區域等關鍵字對遙感產品數據庫進行檢索。

（4）產品下載模塊

遠程用戶可以通過申請獲得授權，下載最新的遙感產品以及所查詢的產品。

（5）數據管理模塊

為遙感反演產品發布平臺的服務器端應用系統，主要實現遙感反演產品的自動備份，并以文件系統的形式（或數據庫管理系統的形式）對遙感反演產品（數據文件或圖像文件）進行歸檔管理，為產品發布子系統提供數據來源。其功能構成包括遙感產品數據服務器、遙感產品數據備份管理。

（6）產品發布參數設置模塊

完成控制產品發布子系統動態發布遙感反演產品的參數設置，包括對外發布的產品的類型、級別、最新產品的時間段（當天、最近若干天）等。

（7）處理終端參數設置模塊

完成各級產品處理終端的內網IP地址、各終端上產品源數據的存儲路徑等參數的設置。

（8）數據備份參數設置模塊

完成備份產品所需的相關參數設置，包括產品數據的備份路徑、需備份的產品類型、需備份的文件格式、新產品的檢測頻率等。

（9）災害速報模塊

實現對溫度、葉綠素濃度、懸浮泥沙濃度、氮磷濃度、水質分類的災害速報。

（10）系統管理模塊

主要有用戶管理、權限設置、安全管理和數據管理，全面對該系統進行完善和管理。

2　系統架構設計

廣東近海水質遙感監測與災害速報系統采用C/S+ B/S的混合結構，實現浮標在線監測系統與水質遙感監測系統的平滑整合，其架構圖如圖5所示。

該系統架構層次主要分為三層，分別是數據層、技術開發層和應用服務層。

數據層主要用于數據庫管理系統，數據來源主要有兩部分，分別是通過海水實測數據、經處理的遙感數據直接導入。數據可進行添加、修改、刪除、查詢。

圖5　廣東近海水質遙感監測與災害速報系統架構圖

技術開發層主要采用GIS地理信息技術和編程軟件Visual C++，該技術應用于空間數據庫、屬性數據庫，水質遙感監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廣東近海水質遙感監測與災害速報系統各模塊功能，包括產品發布、顯示、查詢、下載等，遙感產品數據管理、產品參數設置，及災害速報等。

3　結語

本文著力于研究基于衛星的廣東近海水質遙感監測與災害速報系統的設計。首先通過建立廣東近海海域主要水質參數（葉綠素、懸浮物、氮、磷等）的遙感模型，研發水質遙感監測系統，提供水質遙感監測數據；最后研發廣東近海水質遙感監測與災害速報系統，實現污染物動態監測、水環境水質分類，富營養化程度顯示及災害速報功能等。對于提升海洋環境監控能力、加強陸源入海污染物監督管理，實現海洋預報減災，減少廣東近海海洋水質污染等災害給人民群眾帶來的經濟損失，保障廣東海洋經濟健康、穩定、可持續發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．湖泊水質遙感監測與評價方法研究［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，FU 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設計、研發工作

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研發及項目管理工作

2015-06-08

2015-07-09

近幾年海洋環境污染問題突出，為維護海洋的生態安全和資源的可持續利用，必須加強對海域生態環境的監測。基于衛星遙感數據，建立遙感反演模型，實現水質遙感監測系統，構建廣東近海水質遙感監測與災害速報系統。對提升海洋環境監控能力，實現海洋災害速報起到重要作用。

衛星遙感數據；反演模型；監測系統；速報系統

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）、廣東省高校優秀青年老師培養計劃項目（No.Yq2014001）、廣東海洋大學創新強校專項（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.