朱玉東，王 玉，程立剛，徐建秋

（1. 太湖流域水文水資源監(jiān)測中心，江蘇 無錫 214024；2. 河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

太湖藍(lán)藻水華一體化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

朱玉東1，王 玉1，程立剛2，徐建秋1

（1. 太湖流域水文水資源監(jiān)測中心，江蘇 無錫 214024；2. 河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

太湖近年來水體富營養(yǎng)化趨勢不容樂觀，藍(lán)藻水華頻發(fā)。太湖流域管理局采用水質(zhì)在線監(jiān)測、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、衛(wèi)星遙感監(jiān)測輔以人工調(diào)查相結(jié)合的技術(shù)手段，從水質(zhì)的點(diǎn)監(jiān)測、沿湖視頻的岸線監(jiān)測到衛(wèi)星的面監(jiān)測實(shí)現(xiàn)全方位、多通道、三維一體的太湖藍(lán)藻水華監(jiān)測系統(tǒng)。多源監(jiān)測信息的綜合應(yīng)用，為及時(shí)全面準(zhǔn)確掌握藍(lán)藻水華的發(fā)生面積、程度、位置及變化情況提供可靠的技術(shù)手段。

藍(lán)藻水華；水質(zhì)在線監(jiān)測；衛(wèi)星遙感；視頻監(jiān)測

0 引言

太湖是我國第三大淡水湖，位于太湖流域核心區(qū)域，水面面積 2 338 km2，平均水深 1.95 m，是典型的大型淺水湖泊。太湖是上海、無錫、蘇州及湖州等城市的重要飲用水源地，同時(shí)具備防洪、排澇、供水、生態(tài)、航運(yùn)、旅游及養(yǎng)殖等多方面功能，是太湖流域河湖生態(tài)系統(tǒng)的中樞，為維系流域河湖健康，保障流域防洪、供水和生態(tài)安全起到了不可替代的作用。由于太湖流域是我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展最快的地區(qū)之一，廢污水大量排放，致使流域水體氮、磷等污染負(fù)荷過高，河湖水質(zhì)下降，水體富營養(yǎng)化趨勢不斷加劇，藍(lán)藻水華頻發(fā)，生態(tài)系統(tǒng)及服務(wù)功能退化，嚴(yán)重威脅到人民身體健康、生產(chǎn)生活與飲用水安全。尤其在 2007年5月底，太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)并引發(fā)湖泛，導(dǎo)致無錫市供水危機(jī)。

國家高度重視太湖水污染防治工作，采取了一系列有效的措施，取得了一定的成效，但太湖流域大部分受到污染的河湖水質(zhì)仍然沒有得到根本改善，太湖全湖仍處于中度富營養(yǎng)化水平。在適宜的水文、氣象等外界條件下，部分湖區(qū)（尤其是貢湖、梅梁湖）仍存在藍(lán)藻大規(guī)模暴發(fā)的可能性。近年來，藍(lán)藻水華暴發(fā)時(shí)間提前、頻率增加、面積擴(kuò)大、持續(xù)時(shí)間延長。通過多重手段加強(qiáng)對藍(lán)藻水華的監(jiān)測，尤其利用遙感手段，可彌補(bǔ)人工現(xiàn)場調(diào)查的不足，便于掌握太湖藍(lán)藻水華的發(fā)生程度、位置及變化情況，及時(shí)做出應(yīng)對，為預(yù)防供水危機(jī)的再次發(fā)生提供幫助，同時(shí)也為研究太湖藍(lán)藻水華提供資料，為制定藍(lán)藻治理、防范措施提供技術(shù)支撐。

1 太湖藍(lán)藻水華的形成及特點(diǎn)

藍(lán)藻水華是水體富營養(yǎng)化的直接后果。水中的氮、磷等營養(yǎng)鹽濃度大量增加，為藍(lán)藻快速繁殖提供了有利的條件，加上適度的溫度光照等條件，形成藍(lán)藻暴發(fā)性生長，漂浮在水面上，從而形成水華。

1.1 太湖水質(zhì)及營養(yǎng)狀況

自 20 世紀(jì) 80年代起，由于廢污水排放量逐年增加，太湖水質(zhì)平均每 10年下降 1個(gè)等級，全湖富營養(yǎng)化水平也上升到以中度富營養(yǎng)為主。污染物類型上，未達(dá)到地表水 Ⅲ 類標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)主要為總氮、總磷，它們是造成太湖富營養(yǎng)化的主要物質(zhì)?？臻g分布上，各湖區(qū)中東部沿岸區(qū)水質(zhì)最好，其它湖區(qū)水質(zhì)由北向南、由西向東水質(zhì)漸次變好，竺山湖和西部沿岸區(qū)水質(zhì)最差。

太湖流域水文水資源監(jiān)測中心的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2007—2011年太湖水質(zhì)總體評價(jià)為劣于 Ⅴ 類，2012年為 Ⅴ 類。2007，2011 及 2012年太湖營養(yǎng)狀況指數(shù)如圖1 所示。2012年太湖平均營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為 61.0，處于中度富營養(yǎng)狀態(tài)。其中，五里湖、貢湖、東太湖和東部沿岸區(qū)為輕度富營養(yǎng)，占太湖總面積的 26.1%；其余湖區(qū)為中度富營養(yǎng)，占 73.9%。與 2007年相比，太湖富營養(yǎng)化程度有所好轉(zhuǎn)，中度富營養(yǎng)面積所占比例減少 7.3%?？傮w上，太湖富營養(yǎng)化趨勢得到了有效遏制。

圖1 太湖各湖區(qū)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)對比

圖2 太湖藍(lán)藻水華主要發(fā)生區(qū)域（圖中深色部分）示意圖

圖3 2010—2012年逐日太湖藍(lán)藻衛(wèi)片顯示藍(lán)藻水華面積

1.2 太湖藍(lán)藻水華的特點(diǎn)

從藍(lán)藻高發(fā)區(qū)分布看，水草繁盛和水質(zhì)相對較好的貢湖南側(cè)、東部沿岸、南部沿岸東段及東太湖藻類數(shù)量較少，種類豐富；污染嚴(yán)重、無水草分布區(qū)域則藻類數(shù)量較大，藍(lán)藻占絕對優(yōu)勢，銅綠微囊藻成為優(yōu)勢種。2012年太湖湖區(qū)藍(lán)藻密度年平均值為 2 488 萬個(gè)/L，竺山湖藍(lán)藻密度最高，其次為西部沿岸區(qū)，東部沿岸區(qū)、東太湖藍(lán)藻密度較低。藍(lán)藻水華高發(fā)區(qū)主要出現(xiàn)在北部湖灣和西部沿岸區(qū)，東太湖和東部沿岸區(qū)未見水華發(fā)生。近年來，太湖藍(lán)藻水華主要發(fā)生區(qū)域如圖2 所示。

從季節(jié)上看，由于太湖藍(lán)藻水華與氣溫相關(guān)性較強(qiáng)，藻類數(shù)量總體呈夏秋高、冬春低的特點(diǎn)，近年來部分湖區(qū)藍(lán)藻在秋末冬初數(shù)量仍較大。從 4月份開始，隨氣溫開始上升，藻密度隨之升高，至 6，7月份，藍(lán)藻密度出現(xiàn)明顯的峰值，全年藍(lán)藻密度在5—10月份維持較高水平。近幾年藍(lán)藻密度峰值呈升高趨勢，出現(xiàn)的時(shí)間向后推遲；藻密度維持較高水平的時(shí)間延長并向后推移。

從藍(lán)藻水華分布面積上看，面積變化較大，從幾平方千米的零星暴發(fā)到千余平方千米的大面積暴發(fā)都有出現(xiàn)。2010—2012年，通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測太湖藍(lán)藻水華逐日的面積情況如圖3 所示。

總體上太湖藍(lán)藻水華呈現(xiàn) 3個(gè)特征，藍(lán)藻水華高發(fā)區(qū)域面積廣大但相對固定，發(fā)生季節(jié)相對集中，暴發(fā)面積變化較大。太湖藍(lán)藻水華的時(shí)空分布特征對于監(jiān)測站點(diǎn)布置、頻次和方式的方案設(shè)計(jì)有著重要的影響。

2 藍(lán)藻水華監(jiān)測

目前的藍(lán)藻水華監(jiān)測通常采用以下 4 種方式：

1）人工調(diào)查方式。常用于典型調(diào)查[1]，在預(yù)設(shè)的觀測點(diǎn)上進(jìn)行藍(lán)藻和環(huán)境條件等項(xiàng)目的觀測，觀測內(nèi)容除了葉綠素、溶解氧、濁度等定量指標(biāo)，還包括對水華的感官描述。觀測方法主要采用走航式采樣，每周若干次。用專用交通艇在湖區(qū)移動(dòng)觀測和采樣，全湖區(qū)完成 1 次走航觀測大約要幾個(gè)小時(shí)。由于藍(lán)藻變化在水平和垂直方向上變化速率較快，十幾分鐘就有較大的變化，因此走航式觀測得不到太湖湖區(qū)藍(lán)藻水華的瞬時(shí)分布情況，難以反映太湖藍(lán)藻的時(shí)空變化規(guī)律。

2）自動(dòng)監(jiān)測主要采用水質(zhì)自動(dòng)站，能夠測量與藍(lán)藻水華有關(guān)的大部分定量指標(biāo)，包括藻密度、溶解氧、總磷、總氮和氨氮等[2]。目前自動(dòng)站價(jià)格昂貴，維護(hù)難度大，遠(yuǎn)距離通訊困難，難以大量布設(shè)。

3）遙感反演較多采用 MODIS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)源，已經(jīng)形成了較多的反演模型[3]，并且有相應(yīng)的遙感監(jiān)測軟件出現(xiàn)[4]。目前反演模型的建模數(shù)據(jù)主要來自人工調(diào)查，缺乏長系列的數(shù)據(jù)支撐，模型可靠性仍然有待提高。

4）考慮到單獨(dú)采用人工調(diào)查、自動(dòng)監(jiān)測和衛(wèi)星監(jiān)測都存在諸多困難，因此，多種技術(shù)綜合應(yīng)用成為較為理想的大型湖泊藍(lán)藻水華監(jiān)測方式[5]。多種監(jiān)測方式的綜合應(yīng)用可以從不同技術(shù)層面完成湖泊藍(lán)藻水華的監(jiān)測，各種監(jiān)測方式的缺點(diǎn)可以通過技術(shù)手段之間的互補(bǔ)得以克服。但是，綜合應(yīng)用的困難在于，需要大量的前期投入進(jìn)行站點(diǎn)建設(shè)和技術(shù)儲備。目前，經(jīng)過多年建設(shè)，太湖流域管理局已經(jīng)具備了多種監(jiān)測方式綜合應(yīng)用的硬件條件和技術(shù)實(shí)力。

為了快速、準(zhǔn)確、全方面監(jiān)測太湖藍(lán)藻水華分布情況，掌握太湖重點(diǎn)湖區(qū)、主要水源地藍(lán)藻生長、聚集、變化情況及水質(zhì)狀況，提高藍(lán)藻水華監(jiān)測預(yù)警能力，保障太湖水生態(tài)和水源地供水安全，為太湖水資源保護(hù)工作提供科學(xué)、可靠的資料，自2005年起，太湖流域管理局不斷加強(qiáng)太湖藍(lán)藻監(jiān)測能力建設(shè)和相關(guān)課題研究，針對太湖藍(lán)藻水華的特點(diǎn)，逐步形成了點(diǎn)線面三維一體全方位的太湖藍(lán)藻水華監(jiān)測體系，系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

點(diǎn)監(jiān)測，根據(jù)太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)區(qū)域較為集中的特點(diǎn)，在重點(diǎn)湖區(qū)建設(shè)在線水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取太湖重點(diǎn)水域、主要水源地水文氣象及水質(zhì)信息；線監(jiān)測，考慮到太湖藍(lán)藻多分布北部、西部沿岸，沿岸架設(shè)了視頻監(jiān)視站，實(shí)時(shí)拍攝太湖藍(lán)藻易發(fā)區(qū)、入湖河道附近及主要水源地水面影像資料，用于對點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)代表性進(jìn)行評價(jià)；面監(jiān)測，針對太湖藍(lán)藻水華高發(fā)區(qū)分布面積較大的特點(diǎn)，采用 MODIS 衛(wèi)星每日遙感監(jiān)測太湖藍(lán)藻水華發(fā)生面積、程度及分布區(qū)域，在藍(lán)藻高發(fā)期每天對藍(lán)藻易發(fā)水域進(jìn)行現(xiàn)場巡查，彌補(bǔ)遙感監(jiān)測受天氣影響的不足。

2.1 在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

在線水質(zhì)監(jiān)測是以在線水質(zhì)自動(dòng)分析儀為核心，運(yùn)用現(xiàn)代監(jiān)測、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)成的一個(gè)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，具有全天候、高頻次、實(shí)時(shí)的監(jiān)測特點(diǎn)[6]。太湖流域管理局從20 世紀(jì) 90年代著手調(diào)研在線水質(zhì)監(jiān)測，2005年起先后在太湖貢湖水域建設(shè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站，太湖平臺山、大浦和貢湖建設(shè)風(fēng)浪監(jiān)測平臺，東太湖入太浦河口處建設(shè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站，太湖大浦口和淀山湖建設(shè)浮臺水質(zhì)監(jiān)測站。由水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站、風(fēng)浪監(jiān)測平臺及浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測站構(gòu)成的在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測指標(biāo)涵蓋水華狀況、水文氣象狀況、水體現(xiàn)場觀測指標(biāo)、常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)、生物指標(biāo)等。在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對太湖重點(diǎn)水域、主要水源地氣象、水文和水質(zhì)的連續(xù)準(zhǔn)確監(jiān)測，特別是葉綠素 a 和藍(lán)綠藻指標(biāo)，直接反映藍(lán)藻生長情況，為太湖藍(lán)藻水華監(jiān)測預(yù)警和模型研究等提供大量、系列且詳實(shí)的基礎(chǔ)水質(zhì)資料。

在線自動(dòng)監(jiān)測的同時(shí)，在藍(lán)藻高發(fā)期，輔以人工現(xiàn)場巡測，重點(diǎn)巡查藍(lán)藻易發(fā)區(qū)、嚴(yán)重區(qū)及水源地，觀測水文氣象狀況，調(diào)查藍(lán)藻分布情況，并拍攝現(xiàn)場照片；同時(shí)采集水樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測，采用鏡檢計(jì)數(shù)方法和流式細(xì)胞術(shù)對藻類數(shù)量、種類、生物量進(jìn)行分析。

2.2 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

2010年，太湖局在環(huán)太湖岸堤邊建設(shè)了 12個(gè)視頻監(jiān)視站，通過視頻監(jiān)控探頭，對太湖藍(lán)藻易發(fā)嚴(yán)重區(qū)、主要入湖河道、水源地進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)的畫面監(jiān)控。借助這套系統(tǒng)，可以在太湖局內(nèi)直接查看湖面實(shí)時(shí)影像，查詢、瀏覽及對比歷史圖像資料，進(jìn)而對藍(lán)藻水華生成和聚集的視覺感受與儀器分析結(jié)果進(jìn)行對比分析，并且可對點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行代表性分析，避免異常數(shù)據(jù)對全局分布的影響。

視頻圖像監(jiān)視站主要由監(jiān)控?cái)z像機(jī)、云臺、圖像采集傳輸設(shè)備、供電設(shè)備、桿體和基座等組成，站點(diǎn)大多位于偏僻郊區(qū)，自然環(huán)境惡劣，缺乏水電、通信條件。建設(shè)中有 2個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：如何進(jìn)行攝像機(jī)選型；采用何種通信方式。湖面反光嚴(yán)重、光線變化大，普通攝像機(jī)一般無法適應(yīng)很寬亮度范圍，這就要求攝像機(jī)具有出色的寬動(dòng)態(tài)范圍和強(qiáng)光抑制功能；野外通信信號差，保證率低，而傳輸圖像視頻需要穩(wěn)定、高帶寬通信線路。經(jīng)過深入調(diào)研和反復(fù)實(shí)驗(yàn)，選用具有高分辨率、低照度、寬動(dòng)態(tài)范圍、野外運(yùn)行穩(wěn)定特點(diǎn)的監(jiān)視攝像機(jī)，能真實(shí)反映太湖水面情況，適合湖面藍(lán)藻水華影像拍攝；考慮到基于 3G 的無線流媒體監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用于水利行業(yè)視頻監(jiān)控[7]，信號傳輸采用公網(wǎng) 3G 技術(shù)；通信線路選擇則在多地實(shí)測了移動(dòng)、電信和聯(lián)通等3 家運(yùn)營商后，確定采用電信 CDMA 2000 3G 傳輸方式，電信 3G 線路兼顧帶寬高、信號穩(wěn)定[8]的特點(diǎn)，同時(shí)建設(shè)過程中又將采集傳輸終端由單卡優(yōu)化調(diào)整為雙卡，實(shí)測雙卡帶寬可達(dá)單卡的 1.5 倍，終端集成圖像采集、圖像壓縮模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊為一體，保證圖像視頻傳輸流暢，不卡頓。

2.3 MODIS 衛(wèi)星遙感監(jiān)測

在線水質(zhì)監(jiān)測、視頻監(jiān)視系統(tǒng)，是通過儀表分析水質(zhì)、肉眼觀察湖面藍(lán)藻情況，是定量、直觀的監(jiān)測方式，屬于地面局部監(jiān)測，想要全面了解太湖藍(lán)藻水華面積、分布狀況，則需要借助衛(wèi)星遙感技術(shù)。采用 MODIS 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測藍(lán)藻水華，可實(shí)現(xiàn)全湖監(jiān)測。

2008年太湖局采用中科院地理與湖泊研究所MODIS 衛(wèi)星影像解析成果，對太湖藍(lán)藻水華發(fā)生面積、區(qū)域及強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測。2011年太湖局引進(jìn)了一套衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，并與河海大學(xué)合作開展“太湖藍(lán)藻現(xiàn)場與遙感信息對比分析模型”課題研究工作，進(jìn)行 MODIS 衛(wèi)星遙感信息解析、藍(lán)藻水華面積、分布及變化等內(nèi)容研究，并取得了初步的成果。

“太湖藍(lán)藻現(xiàn)場與遙感信息對比分析模型”課題研究主要針對太湖自身特點(diǎn)，根據(jù)湖區(qū)季節(jié)性差異建立藍(lán)藻反演模型，進(jìn)行相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)反演。研究仍基于植被光譜的陡坡效應(yīng)，在收集整理國內(nèi)外有關(guān)太湖的成熟模型算法，分析對照太湖歷史水質(zhì)資料和遙感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，初步建立反演模型，同時(shí)進(jìn)行與衛(wèi)星同步實(shí)測采樣和實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)檢測，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行率定，動(dòng)態(tài)優(yōu)化閾值，提高反演精度，最終建立一個(gè)分湖區(qū)和季節(jié)的最佳反演模型。

藍(lán)藻水華反演模型采用不規(guī)則三角網(wǎng)插值方法進(jìn)行幾何校正，利用暗像元與 6 S 相結(jié)合進(jìn)行大氣校正，通過端元分析完成薄云檢測，采取波段比值法[9]進(jìn)行藍(lán)藻識別和水華面積提取，重點(diǎn)研究了低濃度藍(lán)藻水華識別和高渾濁度湖水藍(lán)藻水華判別問題。與中科院地理與湖泊研究所解析反演成果相對比，兩者在藍(lán)藻水華分布區(qū)域和形態(tài)上基本一致?？傮w上，藍(lán)藻水華反演模型與實(shí)測結(jié)果的趨勢相一致，可以滿足決策的基本需要。

2.4 三維一體監(jiān)測體系的集成應(yīng)用

在線水質(zhì)監(jiān)測、視頻監(jiān)視和衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中需要揚(yáng)長避短才能發(fā)揮系統(tǒng)集成的優(yōu)勢，更好地完成藍(lán)藻水華監(jiān)測任務(wù)。

從太湖藍(lán)藻水華監(jiān)測體系的運(yùn)行情況來看，在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測指標(biāo)豐富，監(jiān)測結(jié)果精確，不受天氣條件制約，為衛(wèi)星遙感監(jiān)測反演模型提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但是這種點(diǎn)監(jiān)測方式難以反映整個(gè)太湖湖區(qū)的藍(lán)藻水華分布狀況。視頻圖像監(jiān)視系統(tǒng)較為直觀，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，受天氣影響小，監(jiān)測面積比在線水質(zhì)監(jiān)測大，但是不能獲取藍(lán)藻水華的定量數(shù)據(jù)，只適用于在線水質(zhì)和衛(wèi)星遙感監(jiān)測的驗(yàn)證。衛(wèi)星監(jiān)測能獲取整個(gè)太湖湖區(qū)瞬時(shí)的藍(lán)藻水華分布，通過反演算法可以半定量得到藍(lán)藻水華的爆發(fā)強(qiáng)度。衛(wèi)星監(jiān)測的主要困難在于，受云影響較大，只用于天氣晴好，云量較少時(shí)的監(jiān)測；監(jiān)測頻次相對較低，天氣條件允許時(shí)，每天只能進(jìn)行 2 次白天監(jiān)測。

在線水質(zhì)和視頻圖像監(jiān)測系統(tǒng)適合重點(diǎn)斷面和區(qū)域監(jiān)測，同時(shí)也是進(jìn)行衛(wèi)星反演的地面數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在長序列的在線水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)中選取與衛(wèi)星同步的部分用于建立衛(wèi)星反演模型，對于模型反演結(jié)果通過視頻圖像和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析和驗(yàn)證，以便于進(jìn)一步對模型算法進(jìn)行校正。在水質(zhì)和視頻圖像數(shù)據(jù)支撐下，衛(wèi)星遙感監(jiān)測可以提供全湖區(qū)藍(lán)藻水華的空間分布狀況和爆發(fā)強(qiáng)度信息。

水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻圖像監(jiān)視系統(tǒng)圖像和衛(wèi)星遙感反演成果已經(jīng)成為太湖流域管理局常規(guī)水質(zhì)日報(bào)的主要部分。多年來應(yīng)用表明，三維一體的應(yīng)用獲得的成果可靠，與其他獨(dú)立觀測結(jié)果一致性較好，取得了較好的成效，其相互關(guān)系如圖5 所示。同時(shí)，三維一體的應(yīng)用也存在改進(jìn)的空間，例如，受到通訊技術(shù)和成本的限制，水質(zhì)監(jiān)測和視頻圖像監(jiān)視系統(tǒng)的站點(diǎn)數(shù)量少，主要在沿岸分布，位置不盡合理，下一步還需采用更先進(jìn)的通訊手段改善站點(diǎn)布局、開發(fā)能大量布設(shè)的站點(diǎn)設(shè)備、改進(jìn)衛(wèi)星遙感反演模型以提高三維一體應(yīng)用的效率和精度。

3 應(yīng)用效果及經(jīng)驗(yàn)

3.1 應(yīng)用效果

1）編制發(fā)布《太湖水質(zhì)信息》。根據(jù)太湖及其重要水源地藍(lán)藻現(xiàn)場調(diào)查、水質(zhì)藻類監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合衛(wèi)星遙感解析數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)視站實(shí)時(shí)圖像，太湖局每日編制《太湖水質(zhì)信息》，及時(shí)向水利部、省市通報(bào)太湖重要水源地水質(zhì)狀況及太湖藍(lán)藻水華情況，保障太湖水生態(tài)和供水安全。

2）太湖藍(lán)藻預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)。2010年，太湖局開發(fā)了太湖藍(lán)藻預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，以中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所的太湖三維生態(tài)模型（EcoTaihu）為基礎(chǔ)，利用藍(lán)藻水華監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用 MODIS 解譯衛(wèi)片與水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)同化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了太湖藍(lán)藻 2～3 d 預(yù)報(bào)。對水源地藍(lán)藻水華應(yīng)急響應(yīng)，保護(hù)太湖供水安全具有重要意義。該系統(tǒng)已于 2011年底投入應(yīng)用，并于網(wǎng)上同步發(fā)布預(yù)報(bào)結(jié)果。

3.2 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1）基于植被指數(shù)的藍(lán)藻水華提取方法，計(jì)算所得到藍(lán)藻面積、分布和發(fā)生程度要比實(shí)際情況偏多偏重。

經(jīng)過大量數(shù)據(jù)比較分析，認(rèn)為 MODIS 衛(wèi)片解析計(jì)算出來的太湖藍(lán)藻面積、分布情況及暴發(fā)程度，相對水質(zhì)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)視圖片和人工調(diào)查所結(jié)合的結(jié)果，要偏多偏重，尤其是在夏秋藻類大量生長時(shí)期。基于植被指數(shù)的藍(lán)藻識別和水華面積提取方法是單個(gè)像元點(diǎn)（250 m ×250 m）為計(jì)算單位，當(dāng)單個(gè)像元點(diǎn)為顆粒狀藍(lán)藻混合水體時(shí)，計(jì)算結(jié)果判別該像元點(diǎn)為藍(lán)藻水華，其代表250 m ×250 m 區(qū)域均有藍(lán)藻，使得衛(wèi)片提取的藍(lán)藻面積較實(shí)際情況偏大。如何提取計(jì)算顆粒狀或帶狀混合水體像元點(diǎn)藍(lán)藻水華面積，合理去除其中所含水體面積，值得研究。

2）依托而不依賴專業(yè)維護(hù)公司，培養(yǎng)自己的維護(hù)隊(duì)伍，是開展水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)維最佳途徑。

水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度直接取決于運(yùn)維質(zhì)量。由于維護(hù)工作相對專業(yè)，一般都委托專業(yè)公司負(fù)責(zé)，但此方式存在維護(hù)質(zhì)量難以控制、故障響應(yīng)時(shí)間無法保證等問題。經(jīng)過多年實(shí)踐，認(rèn)為依托而不依賴專業(yè)維護(hù)公司，培養(yǎng)自己的維護(hù)隊(duì)伍，是保證運(yùn)維工作最好的方式。在經(jīng)過一定培訓(xùn)和實(shí)際操作，2～3 名維護(hù)人員可承擔(dān) 10個(gè)自動(dòng)監(jiān)測站日常維護(hù)和簡單故障處理，在測站較少時(shí)完全可以以自身技術(shù)力量完成維護(hù)工作。如果測站數(shù)量較多，可自維其中個(gè)別重要測站，其他由專業(yè)公司維護(hù)，這樣既能降低維護(hù)成本，也可以控制維護(hù)質(zhì)量。

4 結(jié)語

在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)和衛(wèi)星遙感監(jiān)測三者在監(jiān)測指標(biāo)，對象，尺度等方面既各有側(cè)重，又互為補(bǔ)充，通過數(shù)據(jù)交互共同組成太湖藍(lán)藻水華全方位的監(jiān)測體系，為全面準(zhǔn)確掌握太湖藍(lán)藻水發(fā)生、變化提供了技術(shù)保障和數(shù)據(jù)支持。

新儀器、新技術(shù)為藍(lán)藻水華預(yù)警開拓了新局面，但太湖藍(lán)藻水華監(jiān)測預(yù)警治理任重而道遠(yuǎn)，如何解決湖心區(qū)通信盲點(diǎn)，更為合理布設(shè)在線水質(zhì)監(jiān)測站，拓寬監(jiān)測范圍和指標(biāo)，提高衛(wèi)星遙感監(jiān)測精度，進(jìn)行藍(lán)藻水華預(yù)警預(yù)報(bào)，這些問題仍需要進(jìn)一步去探索和研究。

[1] 商兆堂，蔣名淑，夏健. 太湖藍(lán)藻監(jiān)測調(diào)研報(bào)告[C]//中國氣象學(xué)會 2007年年會氣象軟科學(xué)論壇分會場論文集.北京：中國氣象學(xué)會，2007: 263-266.

[2] 曹蘭，沈建榮. 藍(lán)藻自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)在太湖無錫水域的應(yīng)用與思考[J]. 環(huán)境研究與監(jiān)測，2012, 25 (2): 20-23.

[3] 馬榮華，唐軍武，段洪濤，等. 湖泊水色遙感研究進(jìn)展[J]. 湖泊科學(xué)，2009, 21 (2): 143-158.

[4] 王甡，江南，胡斌. 基于 IDL 語言的太湖藍(lán)藻水華遙感監(jiān)測信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 遙感應(yīng)用，2010 (2): 59-63.

[5] 梁柱，徐恒省，王亞超. 湖泊藍(lán)藻水華預(yù)警監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用研究[J]. 污染防治技術(shù)，2009, 22 (6): 97-99.

[6] 吳邦燦，費(fèi)龍. 現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測技術(shù)[M]. 2 版. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2005: 355-356.

[7] 周堃，彭迪，劉曙光，等. 3G 無線流媒體在水利監(jiān)控的應(yīng)用[J]. 水利信息化，2010 (5): 70-72.

[8] 鄭嵐，黃沛江. 根據(jù) 2G 信號強(qiáng)度預(yù)測 3G 信號強(qiáng)度的方法[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2005 (10): 22-24.

[9] 段洪濤，張壽選，張淵智. 太湖藍(lán)藻水華遙感監(jiān)測方法[J].湖泊科學(xué)，2008, 20 (2): 145-152.

Application of Cyanobacteria Blooms Integrated Monitoring System in Taihu Lake

ZHU Yudong1, WANG Yu1, CHENG Ligang2, XU Jianqiu1

(1. Hydrology and Water Resources Monitoring Center of Taihu Basin, Wuxi 214024, China;
2. Hohai University, Nanjing 210098, China)

In recent years, the trend of Taihu Lake eutrophication is not going well and the cyanobacteria blooms occurs frequently. Taihu Basin Authority builds the Taihu Lake monitoring system integrated with water quality online monitoring, real-time video monitoring, satellite remote-sensing monitoring and artificial survey. The system realizes a comprehensive, multi channel and three-dimensional integrated Taihu Lake cyanobacteria blooms monitoring function, which integrates point monitoring of water quality, video monitoring along shoreline and area monitoring by satellite. The integrated application of multi source information provides a valid method to get the information about area, intensity, position, variety of cyanobacteria blooms accurately and timely.

cyanobacteria blooms; water quality online monitoring; satellite remote-sensing; video monitoring

X832；TP79

A

1674-9405(2014)01-0033-06

2013-12-07

朱玉東（1980－），男，江蘇鹽城人，工程師，長期從事水利信息化和水質(zhì)監(jiān)測方面工作。