裘勁松 ，胡雪嬌 ，宗 軍 ，姚春捷 ，周曉泉

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所, 江蘇 南京 210012；2.太湖流域管理局水利發(fā)展研究中心，上海 200434）

0 前言

太湖流域面積 3.69 萬(wàn) km2，具有蓄洪、灌溉、航運(yùn)、供水、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游等多項(xiàng)功能，也是沿湖蘇州、無(wú)錫等地區(qū)重要飲用水源地，并承擔(dān)著向下游地區(qū)供水的任務(wù)；淀山湖是上海市最大的湖泊，位于上海市青浦區(qū)西部與江蘇省昆山市交界處，其上承太湖來(lái)水，下泄至黃浦江，是上海市黃浦江上游重要的水源地，被上海市列為飲用水水源保護(hù)區(qū)，同時(shí)兼有交通運(yùn)輸、農(nóng)田灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖、調(diào)蓄洪澇、旅游休閑等多種功能。隨著流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水污染治理相對(duì)滯后，近年來(lái)太湖與淀山湖水體富營(yíng)養(yǎng)化不斷加劇、水環(huán)境日益惡化，太湖藍(lán)藻爆發(fā)，對(duì)沿湖周邊城市水源地供水安全構(gòu)成極大威脅，制約了流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

為了解決因?yàn)榻?jīng)濟(jì)快速發(fā)展而帶來(lái)的嚴(yán)重的污染，造成的太湖水環(huán)境日益惡化，同時(shí)藍(lán)藻爆發(fā)也對(duì)生產(chǎn)生活構(gòu)成極大威脅，因此建立 1 套有效的太湖藍(lán)藻監(jiān)測(cè)、預(yù)警系統(tǒng)已刻不容緩。

1 系統(tǒng)建設(shè)及框架

1.1 系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，建立太湖藍(lán)藻衛(wèi)星遙感信息接收系統(tǒng)，對(duì)衛(wèi)星遙感信息進(jìn)行解析，獲取太湖藍(lán)藻分布、變化信息；在環(huán)太湖周?chē)ㄔO(shè)多點(diǎn)藍(lán)藻圖像監(jiān)視站，實(shí)時(shí)監(jiān)視太湖重點(diǎn)湖面藍(lán)藻及其變化情況；在太湖、淀山湖建設(shè)浮臺(tái)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太湖、淀山湖重點(diǎn)湖區(qū)水質(zhì)和藻密度變化趨勢(shì)。在中心站將產(chǎn)生大量監(jiān)測(cè)藍(lán)藻動(dòng)態(tài)變化的成果數(shù)據(jù)接收、處理和入庫(kù)，并將人工巡查水體的藍(lán)藻信息錄入。并在此基礎(chǔ)上定制開(kāi)發(fā)基于 WebGIS 應(yīng)用軟件，滿足用戶的應(yīng)用需求，提高工作效率，形成全方位的監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)，構(gòu)建太湖藍(lán)藻信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太湖湖面重點(diǎn)區(qū)域藍(lán)藻信息的監(jiān)測(cè)、監(jiān)視，對(duì)淀山湖水質(zhì)及藍(lán)藻變化的預(yù)警。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太湖藍(lán)藻信息采集系統(tǒng)由 1 個(gè)衛(wèi)星遙感信息接收系統(tǒng)、2 個(gè)浮臺(tái)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)站、12 個(gè)藍(lán)藻視頻圖像監(jiān)視站和中心站應(yīng)用軟件等部分構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

衛(wèi)星信息接收系統(tǒng)直接接入到太湖局水文水資源監(jiān)測(cè)局中心站（下簡(jiǎn)稱中心站），浮臺(tái)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)站、藍(lán)藻視頻圖像監(jiān)視站和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息通過(guò)無(wú)線方式傳輸?shù)街行恼?，所有信息?jīng)有中心站通過(guò)專線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)教謹(jǐn)?shù)據(jù)中心。其信息流向如圖2 所示[1]。

1.2.1 衛(wèi)星遙感信息接收子系統(tǒng)

衛(wèi)星遙感信息接收系統(tǒng)選用中國(guó)風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣播平臺(tái)遙感綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)。通過(guò)建設(shè)國(guó)家級(jí)的遙感數(shù)據(jù)資料共享平臺(tái)，克服單個(gè)接收站的重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi)，對(duì)于用戶來(lái)講可以以較小的成本投入，最大限度地獲得多顆遙感衛(wèi)星的資料，以便在全國(guó)大力推廣遙感衛(wèi)星資料的應(yīng)用，使用戶群體可以延伸到對(duì)本地區(qū)環(huán)境和自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)等感興趣的地縣級(jí)用戶。本系統(tǒng)是在國(guó)家衛(wèi)星氣象中心北京、廣州和烏魯木齊 3 站 1 中心接收、處理、存檔多顆遙感衛(wèi)星資料業(yè)務(wù)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過(guò)拓展中國(guó)氣象局西藏 MODIS 站和海洋三亞站，組成了覆蓋全國(guó)范圍的 MODIS 資料和多顆遙感衛(wèi)星資料的站網(wǎng)。DVB-S 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 信息流向圖

圖3 DVB-S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)建設(shè)衛(wèi)星地面數(shù)據(jù)接收站，可以接收定制的太湖全湖衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。藍(lán)藻水華爆發(fā)，水體中葉綠素含量顯著升高, 導(dǎo)致水體光譜特征發(fā)生變化。藍(lán)、紅光反射率降低；近紅外波段具有明顯的植被特征“陡坡效應(yīng)”，反射率升高；同時(shí)熒光峰位置向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。通常藍(lán)藻覆蓋區(qū)域光譜特征與無(wú)藻湖面有較為明顯差異。利用不同濃度藍(lán)藻在不同波段上的差異，可用于對(duì)藍(lán)藻水華的監(jiān)測(cè)。

MODIS 影像有覆蓋可見(jiàn)光、近紅外和遠(yuǎn)紅外的36 個(gè)波段的數(shù)據(jù)，光譜范圍在 0.4～14.4 μm 之間，掃描寬度 2330 km，其中前 2 個(gè)波段的空間分辨率為 250 m，3～7 波段的空間分辨率為 500 m，8～36波段的空間分辨率為 1000 m，每天分別過(guò)境 2 次，由于時(shí)間分辨率較高，在一定程度上彌補(bǔ)了空間分辨率的不足。各類典型地物 MODIS 波段光譜特征如圖4 所示，可以看出，Band2 是區(qū)分藍(lán)藻水華與渾濁、清潔水體最好的波段。

圖4 各類典型地物 MODIS 波段光譜特征

依據(jù)藍(lán)藻的光譜反射特性，通過(guò)系統(tǒng)配套軟件，將太湖全湖衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)解析為太湖藍(lán)藻分布圖片，疊加地理信息數(shù)據(jù)后形成矢量圖片，供相關(guān)人員查閱和分析。成果數(shù)據(jù)通過(guò)太湖局與無(wú)錫局之間已建的 2 M 光纖傳輸?shù)教?，以滿足太湖藍(lán)藻監(jiān)控的應(yīng)用需求。

1.2.2 藍(lán)藻視頻圖像監(jiān)視子系統(tǒng)

藍(lán)藻視頻圖像監(jiān)視子系統(tǒng)共有 12 個(gè)監(jiān)視站點(diǎn)，主要分布在環(huán)太湖周?chē)闹饕┧吹厝∷凇⑹∈薪唤绲貐^(qū)、藍(lán)藻易發(fā)湖區(qū)。視頻圖像監(jiān)視站站點(diǎn)分布如圖5 所示。

圖5 視頻圖像監(jiān)視站站點(diǎn)分布圖

藍(lán)藻圖像監(jiān)視站主要由監(jiān)控?cái)z像機(jī)、云臺(tái)、圖像采集傳輸設(shè)備、供電設(shè)備、安裝桿、安裝支架和基座等組成。藍(lán)藻圖像監(jiān)視站結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示。

圖6 藍(lán)藻圖像監(jiān)視站結(jié)構(gòu)圖

藍(lán)藻圖像監(jiān)視站點(diǎn)的設(shè)備分為 3 部分：1）視頻圖像的采集，由高性能的室外攝像機(jī)完成；2）信號(hào)傳輸部分，由 3G 視頻服務(wù)器完成；3）供電部分，采用蓄電池供電太陽(yáng)能電池浮充供電。

由于藍(lán)藻視頻圖像監(jiān)視站點(diǎn)都位于太湖的湖岸地區(qū)，這里環(huán)境相對(duì)閉塞，無(wú)光纖接入端和交流電源，遠(yuǎn)離城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)。視頻圖像信號(hào)如果采用光纖傳輸，則首先需要拉光纖到運(yùn)營(yíng)商的基站，這將是一筆很高的費(fèi)用。因此我們采用 3G 方式傳輸視頻圖像信號(hào)。

3G 就是第 3 代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3rd Generation Mobile System，3G）是國(guó)際電信聯(lián)盟（簡(jiǎn)稱 ITU）1985 年首先提出的，當(dāng)時(shí)被稱為公眾陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)。1996 年 ITU 將其名為全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（International Mobile Telecommunication，IMT-2000），后綴指其工作在 2000 MHz 頻段。經(jīng)過(guò)多年的市場(chǎng)發(fā)展，逐漸成為主流的是 IMT-2000 CDMA DS（即 WCDMA 直擴(kuò)方式）、IMT-2000 CDMA MC（即 cdma20001X 多載波方式）和 IMT-2000 CDMA TC（LCR 方式，即 TDSCDMA）。在中國(guó)的 3 大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商中，“中國(guó)聯(lián)通”公司采用 WCDMA 技術(shù)，“中國(guó)電信”公司采用的是 cdma20001X 技術(shù)，“中國(guó)移動(dòng)”公司采用的是 TD-SCDMA 技術(shù)[2]。

在項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，經(jīng)過(guò)從信號(hào)傳輸?shù)乃俾?、信?hào)覆蓋面及資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)等方面對(duì) 3 家運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行了比較，最終選擇了 cdma20001X 技術(shù)作為本項(xiàng)目的視頻圖像傳輸方式。由于視頻圖像監(jiān)視站點(diǎn)采用 3G 方式傳輸信號(hào)，而 3G 傳輸技術(shù)的速率遠(yuǎn)沒(méi)有光纖快，且 3G 是按流量收費(fèi)的，目前的使用費(fèi)也較高，同時(shí)考慮到設(shè)備供電的問(wèn)題。在圖像的清晰度、供電可靠性和系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用等問(wèn)題上選擇1 種最佳的方案，既要滿足上傳圖片的清晰度和實(shí)時(shí)性，又要滿足太陽(yáng)能供電的特點(diǎn)，還要將系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用控制在 1 個(gè)合理的范圍之內(nèi)。綜合上述問(wèn)題，藍(lán)藻視頻圖像監(jiān)視子系統(tǒng)采用在白天定時(shí)，夜間不工作；白天定時(shí)抓拍圖片上傳，有需要時(shí)人工將抓拍圖片改為視頻模式，這樣做的好處就是監(jiān)視藍(lán)藻的變化情況的同時(shí)也節(jié)約了供電和節(jié)省了流量費(fèi)用。

1.2.3 浮臺(tái)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)站

浮臺(tái)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)站主要由監(jiān)測(cè)浮臺(tái)（浮標(biāo)裝置）、多參數(shù)水質(zhì)分析儀、氣象參數(shù)傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、通信設(shè)備、供電設(shè)備及輔助設(shè)備等構(gòu)成。浮標(biāo)裝置是 1 種能長(zhǎng)期漂浮在水中的浮臺(tái)，由錨連機(jī)構(gòu)來(lái)固定，能適合水位變化的要求。浮標(biāo)裝置一般采用不銹鋼或聚氨酯等材料制成，底部有負(fù)重裝置，以便穩(wěn)定浮標(biāo)，防止風(fēng)浪的影響。浮標(biāo)裝置帶有內(nèi)置倉(cāng)室，用于放置數(shù)據(jù)采集設(shè)備、通訊設(shè)備和蓄電池等，要求密封性能好。多參數(shù)水質(zhì)分析儀一般安裝在浮標(biāo)的底部或側(cè)面，安裝深度應(yīng)滿足監(jiān)測(cè)的要求。在浮標(biāo)裝置的上面留有安裝太陽(yáng)能電池板的支架，考慮到浮標(biāo)裝置會(huì)受風(fēng)浪影響改變方向，要求在浮標(biāo)裝置上最少安裝 2 塊以上的太陽(yáng)能電池板，以便保證在任何時(shí)候都能提供太陽(yáng)能給電池充電。同時(shí)還需要在浮標(biāo)裝置上留有安裝風(fēng)速風(fēng)向儀的支架，以便監(jiān)測(cè)風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)，為了保證風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量的精確性，需要在浮標(biāo)裝置上安置電子羅盤(pán)。為了保證浮標(biāo)裝置的安全，需要在浮標(biāo)裝置上安裝雷達(dá)發(fā)射器和信號(hào)燈等輔助設(shè)備。

浮臺(tái)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)站是通過(guò)浮標(biāo)上安裝的一體化水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)測(cè)量水體的水質(zhì)參數(shù)。并可將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通訊設(shè)備發(fā)送到中心站，同時(shí)可接收中心站的遠(yuǎn)程設(shè)置指令。浮臺(tái)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)站結(jié)構(gòu)圖如圖7 所示。浮臺(tái)式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站通過(guò)錨碇方式將監(jiān)測(cè)浮臺(tái)固定在湖面上，監(jiān)測(cè)浮臺(tái)上安裝有水質(zhì)監(jiān)測(cè)和氣象監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備及供電設(shè)備，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò) GPRS 實(shí)時(shí)傳輸?shù)街行恼具M(jìn)行處理。

1.2.4 應(yīng)用軟件

圖7 浮臺(tái)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)站結(jié)構(gòu)圖

中心站軟件應(yīng)用系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收、處理和入庫(kù)，并圍繞各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用。中心站軟件從功能上分為 2 類：1）數(shù)據(jù)采集軟件主要包括水質(zhì)、巡測(cè)數(shù)據(jù)接收，圖像信息處理等功能，安裝在太湖局水文水資源監(jiān)測(cè)局；2）數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件，主要是基于 WebGIS 開(kāi)發(fā)的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)、查詢統(tǒng)計(jì)、專題圖表分析等功能，安裝在太湖局?jǐn)?shù)據(jù)中心。中心站各系統(tǒng)的模塊組成及功能如圖8 所示。

圖8 中心站各系統(tǒng)的模塊組成及功能

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集層、通訊傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、應(yīng)用服務(wù)層及安全與保障環(huán)境等 5 部分組成。1）數(shù)據(jù)采集層主要承擔(dān)在線數(shù)據(jù)的采集、處理和發(fā)送，由衛(wèi)星遙感、湖體水質(zhì)、湖體藍(lán)藻圖片和現(xiàn)場(chǎng)人工巡查等信息組成。2）通訊傳輸網(wǎng)絡(luò)主要采用公共無(wú)線網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)數(shù)據(jù)的傳輸。3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層主要承擔(dān)數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)入庫(kù)，由已建的水質(zhì)、多媒體和巡查等數(shù)據(jù)庫(kù)組成。4）應(yīng)用服務(wù)層主要為各類應(yīng)用系統(tǒng)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)資源和基礎(chǔ)服務(wù)，主要包括地圖展示、在線監(jiān)測(cè)、遙感瀏覽、現(xiàn)場(chǎng)巡測(cè)、查詢統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)置等功能。5）安全與保障環(huán)境由標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、安全、建設(shè)與運(yùn)行管理等體系組成，為系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行提供制度保障。系統(tǒng)總體框架如圖9所示[3]。

1.3 系統(tǒng)展現(xiàn)

系統(tǒng)提供衛(wèi)星遙感信息接收解譯的圖片如圖10所示；圖像監(jiān)視站抓拍的圖片在 WebGIS 軟件中顯示如圖11 所示。

圖9 系統(tǒng)總體框架圖

圖10 2011-08-19T11:08衛(wèi)星遙感信息接收系統(tǒng)解譯的圖片

圖11 中心站應(yīng)用軟件

2 結(jié)語(yǔ)

太湖藍(lán)藻信息采集系統(tǒng)于 2011 年 6 月建設(shè)完成，并在夏季太湖藍(lán)藻多發(fā)期間，采集了大量的衛(wèi)星遙感圖片、視頻圖像及湖體水質(zhì)數(shù)據(jù)，為太湖藍(lán)藻監(jiān)控與預(yù)警、流域重要水源地監(jiān)控提供重要支撐作用。

太湖藍(lán)藻信息采集系統(tǒng)是對(duì)太湖藍(lán)藻的發(fā)生、生長(zhǎng)、爆發(fā)等實(shí)施全方位監(jiān)測(cè)，收集藍(lán)藻信息而建設(shè)的。分別從水、陸、空三位一體來(lái)監(jiān)測(cè)太湖的藍(lán)藻，可從宏觀到微觀對(duì)藍(lán)藻爆發(fā)的過(guò)程、程度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)趨勢(shì)可做研判，既有整個(gè)太湖藍(lán)藻面積的數(shù)據(jù)，也有監(jiān)測(cè)點(diǎn)每升湖水中藍(lán)藻個(gè)數(shù)的數(shù)據(jù)，還可看到在重要的水源地及藍(lán)藻易發(fā)地區(qū)，藍(lán)藻是呈顆粒狀、條（帶）狀或油漆狀分布的圖像。同時(shí)項(xiàng)目的建成還大大減輕藍(lán)藻爆發(fā)期間人工巡查藍(lán)藻的強(qiáng)度。

由于藍(lán)藻的圖像監(jiān)視站點(diǎn)都地處湖堤，不便于接入光纖和交流電源，為此首次將 3G 視頻傳輸技術(shù)應(yīng)用到該項(xiàng)目中，這樣相關(guān)人員在千里之外都可以查看藍(lán)藻情況。該技術(shù)的應(yīng)用，為今后水利水文信息化項(xiàng)目中條件受限制的站點(diǎn)上傳圖像信息提供了參考。

[1]水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所水文監(jiān)測(cè)事業(yè)部. 太湖藍(lán)藻信息采集系統(tǒng)（衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、圖像監(jiān)視站、浮臺(tái)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)站和中心站）設(shè)計(jì)方案[R]. 南京：水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，2010: 01-20.

[2]高鵬，趙培，陳慶濤. 3G 技術(shù)問(wèn)答[M]. 北京：人民郵電出版社，2009: 6-1.

[3]水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所水文監(jiān)測(cè)事業(yè)部. 太湖藍(lán)藻信息采集系統(tǒng)（衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、圖像監(jiān)視站、浮臺(tái)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)站和中心站）施工組織設(shè)計(jì)方案[R]. 南京：水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，2011: 34-44.