房晟忠,顏 翔,彭 斌，吳 勇，秦艷姣

(1.昆明市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，云南 昆明 650228；2.中國(guó)航天科工信息技術(shù)研究院，北京 100070)

0 引言

滇池是我國(guó)著名的高原淡水湖泊，屬金沙江水系，位于昆明市南端，湖體略呈弓形，弓背向東，南北長(zhǎng)約40 km，東西最寬處12.5 km，平均水深4.4 m，水面積300 km2，庫(kù)容12.9億立方米，素有“五百里滇池”的美譽(yù)。滇池具有城市供水、工農(nóng)業(yè)用水、調(diào)蓄、防洪、旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等多種功能，是昆明生態(tài)安全格局的重要組成部分，對(duì)昆明市乃至全省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。然而，由于80年代經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，大量的工業(yè)廢水和生活污水排入滇池，超過了滇池水環(huán)境容量和自凈能力，水體迅速富營(yíng)養(yǎng)化，昔日的“高原明珠”蛻變?yōu)槲覈?guó)污染最嚴(yán)重的湖泊之一，成為全國(guó)環(huán)境污染的典型?！笆濉逼陂g，滇池治理工作取得了一定成績(jī)，滇池水環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)企穩(wěn)向好的發(fā)展趨勢(shì)，藍(lán)藻水華的爆發(fā)程度得到有效控制，但是滇池藍(lán)藻水華生長(zhǎng)的客觀條件依然沒有得到根本性的改善，滇池的水質(zhì)環(huán)境狀況及氣候條件依然有利于藍(lán)藻的生長(zhǎng)和發(fā)育，2015年夏季滇池藍(lán)藻水華再次爆發(fā)，滇池藍(lán)藻水華治理工作依然艱巨。為深入貫徹落實(shí)“十三五”滇池水污染防治總體規(guī)劃，進(jìn)一步提升滇池藍(lán)藻水華預(yù)警監(jiān)測(cè)的能力，本文開展滇池藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)預(yù)警空間信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究，致力于提升滇池監(jiān)測(cè)預(yù)警信息化能力和保障水平，使滇池生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)能力與生態(tài)文明建設(shè)要求相適應(yīng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)定位

滇池藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)預(yù)警空間信息系統(tǒng)建設(shè)，旨在通過GIS、遙感和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，集成滇池藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)多源數(shù)據(jù)資源，包括滇池常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、藍(lán)藻生物量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、多源衛(wèi)星藍(lán)藻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地基水華遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地面氣象站氣象要素、浮標(biāo)站觀測(cè)數(shù)據(jù)、沿岸在線水質(zhì)自動(dòng)站數(shù)據(jù)及成果，建立信息平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)支撐及成果展示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、信息資源共享，為昆明市環(huán)保局及滇池流域管理部門藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)預(yù)警工作提供信息平臺(tái)支撐，充分發(fā)揮和挖掘滇池藍(lán)藻水華空天地一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)、成果與其他部門信息資源的效能，為滇池藍(lán)藻水華治理提供決策依據(jù)[1-3]。此外，滇池藍(lán)藻水華預(yù)警監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)將預(yù)留接口，與昆明市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心“十二五”期間建成的滇池水環(huán)境監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、應(yīng)用的互聯(lián)互通。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于現(xiàn)有的遙感衛(wèi)星資源和已經(jīng)形成的科研成果，依托計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，以信息化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系及安全體系為保障，開發(fā)滇池藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)預(yù)警空間信息系統(tǒng)。如圖1所示，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集層、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層多層構(gòu)架設(shè)計(jì)開發(fā)[4-6]。數(shù)據(jù)采集層主要通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)設(shè)備、地基遙感監(jiān)測(cè)設(shè)備、常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備、氣象水文監(jiān)測(cè)設(shè)備、浮臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取藍(lán)藻水華基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)；基礎(chǔ)設(shè)施層為硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等；數(shù)據(jù)層由基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)庫(kù)、地基遙感數(shù)據(jù)庫(kù)、氣象水文數(shù)據(jù)庫(kù)和藍(lán)藻水華專題數(shù)據(jù)庫(kù)組成；支撐層基于關(guān)鍵軟件技術(shù)平臺(tái)對(duì)各類業(yè)務(wù)功能需求進(jìn)行服務(wù)封裝，以服務(wù)的方式提供給應(yīng)用層服務(wù)支撐，并與之交互；應(yīng)用層則是基于平臺(tái)層開發(fā)各項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，應(yīng)用范圍包括滇池藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)預(yù)警空間信息系統(tǒng)、相關(guān)環(huán)境保護(hù)管理應(yīng)用接口等。系統(tǒng)主要提供藍(lán)藻水華查詢識(shí)別、水質(zhì)參數(shù)定量反演與監(jiān)測(cè)、藍(lán)藻水華數(shù)據(jù)分析、視頻監(jiān)控、監(jiān)測(cè)報(bào)告、藍(lán)藻水華預(yù)警及應(yīng)急處置等功能，滿足藍(lán)藻水華預(yù)警監(jiān)測(cè)管理工作的需要。

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)提供地圖瀏覽、藍(lán)藻水華查詢識(shí)別、水質(zhì)參數(shù)定量反演與監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測(cè)報(bào)告、視頻監(jiān)控、預(yù)警及應(yīng)急處置七大功能模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

(1)地圖瀏覽：實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)地理信息以及藍(lán)藻水華信息、水質(zhì)狀況等各類專題信息的綜合一張圖瀏覽展示；

(2)藍(lán)藻水華查詢識(shí)別：實(shí)現(xiàn)對(duì)水華空間分布位置、分布面積等信息的查詢識(shí)別定位；

(3)水質(zhì)參數(shù)定量反演與監(jiān)測(cè)：實(shí)現(xiàn)滇池葉綠素a濃度、懸浮物濃度、水體透明度、藻藍(lán)蛋白濃度的定量反演與監(jiān)測(cè)；

(4)藍(lán)藻水華數(shù)據(jù)分析：基于日常遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供藍(lán)藻水華空間對(duì)比分析、指標(biāo)對(duì)比分析和時(shí)空演變分析；

(5)視頻監(jiān)控：提供實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控瀏覽、歷史視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)回放；

(6)藍(lán)藻水華預(yù)警及應(yīng)急處置：基于最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，再依據(jù)《昆明市政府關(guān)于滇池藍(lán)藻大規(guī)模爆發(fā)應(yīng)急處置預(yù)案》，系統(tǒng)自動(dòng)判斷藍(lán)藻水華爆發(fā)的概率預(yù)測(cè)結(jié)果、發(fā)生趨勢(shì)、級(jí)別等情況，提供應(yīng)急預(yù)案和處置輔助；

(7)藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)報(bào)告：提供藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)周報(bào)、月報(bào)和年報(bào)生成功能，通過設(shè)定一定的條件，系統(tǒng)根據(jù)后臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析運(yùn)算及文字組織，將監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的報(bào)告。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

針對(duì)昆明滇池藍(lán)藻水華污染問題，以計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)為依托，以信息化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、數(shù)據(jù)交換體系及安全體系為保障，基于各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和藍(lán)藻水華專題數(shù)據(jù)，集成地理信息系統(tǒng)、多源遙感監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)庫(kù)、物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了滇池藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)預(yù)警空間信息系統(tǒng)[7-13]。

系統(tǒng)基于SOA架構(gòu)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)之間的通信及數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用系統(tǒng)部署于Windows Server2008 64位操作系統(tǒng)中，采用ArcGIS平臺(tái)統(tǒng)一生產(chǎn)、管理空間數(shù)據(jù)庫(kù)，采用主流關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle存儲(chǔ)空間、非空間數(shù)據(jù)，主要通過B/S模式實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)成果展示、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、預(yù)警處置等應(yīng)用，為有關(guān)管理部門進(jìn)行藍(lán)藻水華監(jiān)管提供了信息平臺(tái)支撐。圖2中涉及的系統(tǒng)功能模塊都已實(shí)現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用效果

(1)藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)多源數(shù)據(jù)支撐：系統(tǒng)集成滇池藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)多源數(shù)據(jù)資源，包括滇池基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、多源衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地基遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、浮標(biāo)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水質(zhì)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、氣象站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(如圖3所示)。其中衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供2014年至2018年期間高分系列、環(huán)境系列多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，是宏觀、全面的藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)，而地基遙感監(jiān)測(cè)作為衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的主要補(bǔ)充，可提供藍(lán)藻水華重點(diǎn)區(qū)域的頻率為每小時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感手段受天氣影響造成的數(shù)據(jù)不足問題。這些數(shù)據(jù)資源為滇池藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)乃至流域水環(huán)境管理和相關(guān)研究提供了充足的數(shù)據(jù)支持。

圖3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成展示界面

(2)藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)信息一張圖顯示：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星遙感、地基遙感藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，風(fēng)場(chǎng)，視頻監(jiān)控信息的可視化展現(xiàn)，直觀掌握藍(lán)藻水華的整體狀況。圖4所示為各類信息綜合一張圖展示。

圖4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一張圖顯示

(3)實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻水華動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：結(jié)合業(yè)務(wù)實(shí)際，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)滇池藍(lán)藻衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)和地基遙感監(jiān)測(cè)成果的統(tǒng)一業(yè)務(wù)化應(yīng)用，通過藍(lán)藻水華查詢識(shí)別、水質(zhì)參數(shù)遙感監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析和視頻監(jiān)控等功能應(yīng)用，輔助藍(lán)藻水華的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、預(yù)警和管理。首先通過查詢識(shí)別功能，可對(duì)藍(lán)藻水華的空間分布位置、分布面積等信息進(jìn)行快速識(shí)別定位(如圖5)；其次系統(tǒng)集成相關(guān)模型，實(shí)現(xiàn)滇池葉綠素a濃度、懸浮物濃度、水體透明度、藻藍(lán)蛋白濃度的定量遙感反演與監(jiān)測(cè)，如圖6所示為葉綠素a濃度遙感反演信息。另外系統(tǒng)提供多種數(shù)據(jù)分析功能，便于管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)相互對(duì)比檢查、分析驗(yàn)證?？臻g對(duì)比分析是基于一定的空間范圍，來對(duì)比不同時(shí)期內(nèi)藍(lán)藻水華專題圖或者水質(zhì)空間分布圖的差異變化情況(如圖7)；指標(biāo)對(duì)比分析是根據(jù)用戶選擇相應(yīng)的對(duì)比日期和對(duì)比指標(biāo)，來對(duì)比藍(lán)藻水華發(fā)生的規(guī)律，并通過表格形式展示數(shù)據(jù)上的差異(如圖8)；時(shí)空演變分析功能可以隨著時(shí)間軸動(dòng)態(tài)演變某個(gè)日期范圍內(nèi)或某月內(nèi)藍(lán)藻水華發(fā)生的空間變化情況。最后通過視頻監(jiān)控功能，可對(duì)滇池重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，方便管理人員直觀、便捷地掌握湖面水質(zhì)情況(如圖9)。

圖5 藍(lán)藻水華查詢識(shí)別

圖6 葉綠素a濃度遙感反演監(jiān)測(cè)

圖7 空間對(duì)比分析

圖8 指標(biāo)對(duì)比分析

圖9 視頻監(jiān)控

(4)藍(lán)藻水華預(yù)警處置及信息共享：系統(tǒng)基于最新水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地基遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，集成藍(lán)藻水華預(yù)警模型，提供藍(lán)藻水華相關(guān)預(yù)警預(yù)報(bào)信息，此外系統(tǒng)提供應(yīng)急處置功能，自動(dòng)給出相應(yīng)的應(yīng)急處置措施，輔助管理員啟動(dòng)相應(yīng)的藍(lán)藻水華應(yīng)急預(yù)案。系統(tǒng)基于監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成相應(yīng)的藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)報(bào)告，包括周報(bào)、月報(bào)和年報(bào)等，用戶可以通過信息共享發(fā)布網(wǎng)站進(jìn)行查詢和下載，及時(shí)獲取所需信息(如圖10)，促進(jìn)藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)、信息、應(yīng)用成果的有效共享和利用。

圖10 藍(lán)藻水華預(yù)警監(jiān)測(cè)報(bào)告

3 結(jié)論

藍(lán)藻水華數(shù)據(jù)具有多源異構(gòu)、時(shí)空變化的特性，依靠常規(guī)手段，難以實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻水華信息的高效管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和及時(shí)防治。本文針對(duì)昆明滇池藍(lán)藻水華污染問題，根據(jù)有關(guān)環(huán)境保護(hù)管理部門對(duì)滇池藍(lán)藻水華的監(jiān)測(cè)、治理及環(huán)境保護(hù)工作需求，依托計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，研究開發(fā)了滇池藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)預(yù)警空間信息系統(tǒng)，初步構(gòu)建了水陸統(tǒng)籌、天地一體、上下協(xié)同、信息共享的滇池生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，集成了滇池多源衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地基遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、浮標(biāo)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水質(zhì)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的一張圖綜合態(tài)勢(shì)顯示，通過系統(tǒng)藍(lán)藻水華查詢識(shí)別、水質(zhì)參數(shù)定量反演與監(jiān)測(cè)、空間分析、視頻監(jiān)控等應(yīng)用功能為藍(lán)藻水華動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)管理提供了便捷工具，基于實(shí)時(shí)獲取的藍(lán)藻水華基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及專題數(shù)據(jù)，集成預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)藻水華爆發(fā)預(yù)警處置、監(jiān)測(cè)報(bào)告、信息發(fā)布共享的網(wǎng)絡(luò)化、流程化應(yīng)用，提高了藍(lán)藻水華預(yù)警監(jiān)測(cè)管理工作效率，進(jìn)一步完善了藍(lán)藻水華發(fā)現(xiàn)和處置機(jī)制，拓寬了監(jiān)測(cè)治理思路。同時(shí)，對(duì)促進(jìn)國(guó)家和地方環(huán)境監(jiān)測(cè)部門的合作與交流，推廣遙感技術(shù)在地方環(huán)境監(jiān)測(cè)部門的應(yīng)用，具有重要示范效應(yīng)和現(xiàn)實(shí)意義。