广东近海水质遥感监测与灾害速报系统设计

沈映娜，付东洋，郑友亮（.广东省科技基础条件平台中心，广州　50033；.广东海洋大学海洋遥感与信息技术实验室，湛江　54088）

广东近海水质遥感监测与灾害速报系统设计

沈映娜1，付东洋2，郑友亮1
（1.广东省科技基础条件平台中心，广州510033；2.广东海洋大学海洋遥感与信息技术实验室，湛江524088）

0　引言

改革开放以来，广东海洋经济和海洋事业迅猛发展，海洋经济总量连续16年保持全国领先地位，在海洋开发、保护和管理方面取得显著成绩。“十二五”期间，广东将以国家海洋经济试点为契机，建设海洋经济强省。

同时，广东经济发展也面临着严峻挑战，如环境污染问题比较突出，资源环境约束凸显，传统发展模式难以持续。以开发近岸海域资源为主的传统发展方式受到资源环境的制约，保持海洋经济快速发展的难度加大，海洋开发中一些深层次矛盾和问题逐步显现。海洋资源开发利用水平偏低，海洋环境污染问题突出，海洋生态环境保护和修复任务艰巨，特别是经济比较发达的珠江口海域、粤东和粤西的海域。根据2013年广东省海洋环境状况公报显示，水质劣于第四类 （港口水域、海洋开发作业区）海水水质标准的海域面积比例为10.3%，同比上升3.8%，主要集中在珠江口海域。2013年各类海洋灾害造成直接经济损失74.41亿元［1］。

为维护海域的生态安全和资源的可持续利用，必须加强对海域生态环境的监视监测，及时了解和掌握海洋环境现状、变化趋势和潜在风险，维持海域的生态环境健康，维护海洋经济发展赖以依托的环境容纳量和生态承载力。因此，构建基于卫星的广东近海水质遥感监测与灾害速报系统，对加快转型升级、建设幸福广东和海洋经济强省具有十分重要的意义。

传统的水资源监测主要依据水资源管理需求和经济允许条件，布设监测站网，依靠地面人工或自动监测手段获取点上的水资源信息，通过分析计算获得区域水资源信息［2］。传统监测方法费时费力，且只能了解监测断面的水体污染状况，难以获得大范围水域水质的空间分布和变化趋势，不能满足实时、大尺度的监测评价要求。遥感反演技术的出现，给水质的监测评价提供了新的机遇与选择［3］。遥感技术兴起于20世纪60年代，可以不直接接触物体而从物体反射的电磁波中提取所需要物体参数。与传统监测方法相比，遥感技术有其独特的优势［2］。

本文基于卫星遥感数据，建立水质参数遥感反演模型，实现了水质遥感监测系统；构建了广东近海水质遥感监测与灾害速报系统，实现污染物动态监测、水环境水质分类，富营养化程度显示及灾害速报功能等。对提升海洋环境监控能力，实现海洋灾害速报起到重要作用。

1　系统需求分析

基于卫星的广东近海水质遥感监测与灾害速报系统以建立卫星遥感的立体监测平台为基础，连续动态监测广东近海海域水环境要素，主要包括海水温度、叶绿素浓度、悬浮泥沙浓度、硝酸盐氮、磷酸盐等；构建近海水质遥感监测系统，集成海水实测数据与卫星监测结果，实现全方位在线监测；研发广东近海水质遥感动态监测与灾害速报系统，结合多年实测历史数据及在线监测结果，构建广东近海海域水环境变化关系模型，评估海水污染程度，开发海洋灾害速报系统，为海洋管理部门提供辅助决策依据，保障广东海洋经济健康、稳定、可持续发展。

1.1水质遥感监测系统

水质遥感监测系统，提供水质遥感监测数据，实现水质环境动态检测，其具体的功能模块如图1所示。

图1　水质遥感监测系统功能模块图

（1）水质分类模块

利用光谱仪测量水体的光谱曲线，光谱测量的同时每个站位采集一定量的海水，冷藏并带回实验室分析叶绿素浓度、溶解氧、氮、磷等污染物的质量浓度及悬浮物等水质参数的质量浓度。通过跟广东省海洋管理部门合作，实现关键水质的速报与发布。

（2）卫星遥感数据模块

多源卫星遥感数据的业务化接收和处理。根据不同卫星数据的特征，进行多源卫星遥感数据的融合研究，获得广东近海海域高时空分辨率的水质参数分布，并进行该海域的水质分类。遥感水质分类路线如图2所示。

图2　遥感水质分类路线图

（3）反演模型模块

通过收集广东近海水质历史资料、采集现场水质与光谱数据，构建基于不同季节的广东近海海域尤其是一二类水体复合区卫星遥感反演模型，主要包括海表温度、叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、氮磷浓度等反演模型。氮磷质量浓度反演模块技术流程如图3所示。

图3　氮磷质量浓度反演模块技术流程

进行4个航次，包括春夏秋冬航次，进行两年的连续观测，并与大量的历史资料相结合，根据上述一年四季实测的光谱数据分析水体的光谱特征，找出对叶绿素浓度、溶解氧、氮、磷等污染物质量浓度敏感的特征光谱，建立遥感反演模式。或间接通过与这些水质参数相关性比较高的对光谱响应比较好的水质参数（例如：悬浮物或黄色物质）进行间接的方法反演。

（4）系统管理模块

主要有用户管理、权限设置、安全管理和数据管理，全面对该系统进行完善和管理。

1.2广东近海水质遥感监测与灾害速报系统

广东近海水质遥感监测与灾害速报系统实现污染物动态监测、水环境水质分类，富营养化程度显示及灾害速报功能。在水质遥感监测系统基础上，根据氮磷浓度参数等，基于支持向量机、神经网络、逐步判别法等方法，进行该海域的水质分类，并根据上述研究结果，构建广东近海水质遥感监测与灾害速报系统，实现温度、叶绿素浓度、悬浮泥沙浓度、氮磷浓度、水质分类的速报。其具体的功能模块如图4所示。

图4　广东近海水质遥感监测与灾害速报系统功能模块图

（1）产品发布模块

作为对外公开的Web服务应用系统，主要实现遥感反演产品的准实时动态发布，分最新产品、历史产品，具体功能包括产品查询、产品显示、产品下载、其他信息发布等。

产品主要分为：叶绿素浓度、海表温度、悬浮泥沙浓度、透明度、硝酸盐浓度、磷酸盐浓度等月平均专题图及水质分类图。

（2）产品显示模块

以缩略图形式显示遥感反演产品，并提供图像缩放、平移等图控功能。

（3）产品查询模块

可以按产品类型、产品级别、日期、区域等关键字对遥感产品数据库进行检索。

（4）产品下载模块

远程用户可以通过申请获得授权，下载最新的遥感产品以及所查询的产品。

（5）数据管理模块

为遥感反演产品发布平台的服务器端应用系统，主要实现遥感反演产品的自动备份，并以文件系统的形式（或数据库管理系统的形式）对遥感反演产品（数据文件或图像文件）进行归档管理，为产品发布子系统提供数据来源。其功能构成包括遥感产品数据服务器、遥感产品数据备份管理。

（6）产品发布参数设置模块

完成控制产品发布子系统动态发布遥感反演产品的参数设置，包括对外发布的产品的类型、级别、最新产品的时间段（当天、最近若干天）等。

（7）处理终端参数设置模块

完成各级产品处理终端的内网IP地址、各终端上产品源数据的存储路径等参数的设置。

（8）数据备份参数设置模块

完成备份产品所需的相关参数设置，包括产品数据的备份路径、需备份的产品类型、需备份的文件格式、新产品的检测频率等。

（9）灾害速报模块

实现对温度、叶绿素浓度、悬浮泥沙浓度、氮磷浓度、水质分类的灾害速报。

（10）系统管理模块

主要有用户管理、权限设置、安全管理和数据管理，全面对该系统进行完善和管理。

2　系统架构设计

广东近海水质遥感监测与灾害速报系统采用C/S+ B/S的混合结构，实现浮标在线监测系统与水质遥感监测系统的平滑整合，其架构图如图5所示。

该系统架构层次主要分为三层，分别是数据层、技术开发层和应用服务层。

数据层主要用于数据库管理系统，数据来源主要有两部分，分别是通过海水实测数据、经处理的遥感数据直接导入。数据可进行添加、修改、删除、查询。

图5　广东近海水质遥感监测与灾害速报系统架构图

技术开发层主要采用GIS地理信息技术和编程软件Visual C++，该技术应用于空间数据库、属性数据库，水质遥感监测关键处理技术以及Windows工作平面及图形工作站。

应用服务层主要实现广东近海水质遥感监测与灾害速报系统各模块功能，包括产品发布、显示、查询、下载等，遥感产品数据管理、产品参数设置，及灾害速报等。

3　结语

本文着力于研究基于卫星的广东近海水质遥感监测与灾害速报系统的设计。首先通过建立广东近海海域主要水质参数（叶绿素、悬浮物、氮、磷等）的遥感模型，研发水质遥感监测系统，提供水质遥感监测数据；最后研发广东近海水质遥感监测与灾害速报系统，实现污染物动态监测、水环境水质分类，富营养化程度显示及灾害速报功能等。对于提升海洋环境监控能力、加强陆源入海污染物监督管理，实现海洋预报减灾，减少广东近海海洋水质污染等灾害给人民群众带来的经济损失，保障广东海洋经济健康、稳定、可持续发展必将起到重要作用。

［1］朱鹤.遥感技术在地表水源地水体监测中的应用研究［D］.中国水利水电科学研究院，2013.

［2］《2013年广东省海洋环境状况公报》已公布［EB/OL］．http://www.hellosea.net/show.php？xuh=8471.2014-05-28.

［3］朱鹤.遥感技术在地表水源地水体监测中的应用研究［D］.中国水利水电科学研究院，2013.

［4］祝令亚．湖泊水质遥感监测与评价方法研究［D］．北京：国科学院遥感应用研究所，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，广东汕头人，本科，工程师，从事领域为信息系统设计、研发工作

付东洋（1969-）男，四川阆中人，博士，副教授，从事领域为海洋遥感及应用领域的研究工作

郑友亮（1985-），男，广东汕头人，本科，工程师，从事领域为信息系统研发及项目管理工作

2015-06-08

2015-07-09

近几年海洋环境污染问题突出，为维护海洋的生态安全和资源的可持续利用，必须加强对海域生态环境的监测。基于卫星遥感数据，建立遥感反演模型，实现水质遥感监测系统，构建广东近海水质遥感监测与灾害速报系统。对提升海洋环境监控能力，实现海洋灾害速报起到重要作用。

卫星遥感数据；反演模型；监测系统；速报系统

广东省科技计划项目（No.2013B030200002）、国家海洋公益专项（No.201305019）、广东省自然科学基金（No.2014A030313603）、广东省高校优秀青年老师培养计划项目（No.Yq2014001）、广东海洋大学创新强校专项（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.