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摘 要：针对洞庭湖水环境的监测任务，在传统水环境监测规范和标准基础上，介绍遥感数据预处理与水环境监测系统的架构设计、功能组成和具体实现，并对该系统做出总结和展望。
关键词：洞庭湖；遥感；水环境
洞庭湖位于湖南省北部，长江荆江河段南岸，總流域面积25.72万km2，集水面积104万km2，为我国第二大淡水湖泊。近年来随着环洞庭湖区人口增多和周围城市经济的快速发展，洞庭湖水质的污染问题越来越严峻，污染情况出现多源局部扩大，湖泊总体水质呈恶化趋势，给水环境监测带来了新的挑战和压力。目前，对洞庭湖的水质监测仍采用传统的实地采样和实验室分析等手段来分析水质情况，该方法是以点位进行环境监测，对测定局部范围内水质的情况准确性较高，但不能全面反映洞庭湖湖泊生态环境的总体时空变化，且费时、费力、成本高，也不能进行实时监测。为了更加有效地对洞庭湖水质情况进行监测，降低监测成本，节省人力资源，从总体、动态、实时的监测洞庭湖水质的情况，采用遥感水质监测技术来弥补传统水质监测的不足尤为可行。
一、建立洞庭湖水环境遥感监测实施方案
根据洞庭湖区水网分布特点和历史环境状况资料确定水环境遥感监测的技术路线，包括遥感数据预处理、水环境指标提取、水环境状况评价3个部分。
（一）遥感数据预处理
通过对未经地理坐标校准和辐射定标的初级遥感影像产品进行计算处理，生成表达地物反射率和亮度温度的中间产品，提取出水体目标，包括数据准备、辐射定标、几何校正和湖区提取4个部分。
（二）水环境指标提取
使用预处理后的遥感影像数据，借助光学一生化/光学一物理模型，通过波段组合运算的方式构造多种具有光学、生化、物理或混合特性的特征，将其与同一时期内的地面实测数据建立关系模型，再将地面监测点数据内插计算分布到图斑中的空间数据中，以实现水环境指标含量的真实化遥感方式表达。
（三）水环境状况评价
根据国家环保部公布的水环境状况评价标准，对使用遥感影像数据反演获得的叶绿素a、总磷、总氮、高锰酸盐等总计13项指标进行分级，其中富营养化程度分为轻营养、中营养、轻度富营养、中度富营养和重度富营养5级，水污染程度分为优、良好、轻度污染、中度污染、重度污染5级，水质等级分为I～V与劣V类六级，当参与评价的单项水质指标超出标准限值所在级别，且为所评价指标中最高时，将水环境状况确定为该级别，直到所有参与评价的指标完成限值判定。
二、洞庭湖水环境遥感监测系统架构
根据洞庭湖水环境遥感监测实施方案，进行遥感监测系统的架构，原则上要求系统具有在可视化的环境中，操作简单、自动化高、专业性强、灵活度高、可根据需求进行维护或升级等特点。进行程序设计时采用多文档多与视图主框架结构和模块化与分层开发，不同的服务层对应不同的系统功能模块，具有不同的应用特点。
（一）主要功能设计
在整个水环境遥感监测实施过程中空间地理定位及配准影响最终水环境评价结果，该功能设计对算法有较高的依赖性，它需要根据影像特征采用特定的图像配准算法，修正因采集环境、传感器姿态、地形起伏等多种因素造成的地理坐标偏差，并考虑影像全局几何畸变的方式与对校正精度，需要达到流程化、少量乃至无人工干预的处理目标。
水环境指标提取作为水环境遥感监测系统的主要功能之一，负责完成遥感辐射指标到水环境生化指标的计算转换，该功能设计包括反演模型建立和指标计算2个部分。
通过使用大量遥感数据与同期地面监测数据建立水环境指标反演模型，，依据回归分析理论，选择有直接影响作用或相关程度高的光谱范围，建立能够表达遥感指标与物理生化指标之间数值关系的过程，采用XML文件结点记录方式，按模型所属类别的重要性进行分级管理.结点级别自顶向下分别是：水质参数类别、所在湖区、影像所属卫星传感器类别、模型信息，其中模型信息包括介绍、湖区代码、公式和计算波段4个部分。
水环境指标计算功能的设计包括从XML文件中调用指定反演模型公式执行计算的常规运行模式。
（二）数据接口设计
水环境遥感监测系统是面向数据处理的业务化运行系统，在执行处理任务的过程中会涉及多种类型数据的读写以及频繁的数据I/O操作，特别是对于多线程批处理任务下的数据处理来说，效率显得尤为重要。具体到整个系统需要的数据接口来说，应包括有3种类型：文本数据接口、空间数据接口和数据库接口
三、水环境遥感监测系统功能
基于上述技术路线及架构设计，开发并实现了遥感数据预处理与水环境监测系统。采用JAVA语言开发，引入前台操作显示与后台运算处理同步执行的多线程运行模式，系统的主要功能包括：可视化的影像浏览查询操作；以工程文件及文件夹的方式帮助用户组织管理数据；影像预处理；水质参数提取，包含模型反演和空间分析；水环境富营养化、水污染程度、水质等级评价；水环境遥感评价产品制作等。
四、结语
针对洞庭湖水域的环境监测提出可行化的遥感监测实施方案，以该方案的实施为目标详细介绍了水环境遥感监测系统的组织架构方式、主要功能模块和数据接口设计方法，为加强洞庭湖水质遥感实用化、定量化的研究，为未来的洞庭湖水质遥感工作展开，以及尽早建立洞庭湖水质遥感监测系统提供借鉴和参考。
作者简介：张屹，湖南省洞庭湖生态环境监测中心。
关键词：洞庭湖；遥感；水环境
洞庭湖位于湖南省北部，长江荆江河段南岸，總流域面积25.72万km2，集水面积104万km2，为我国第二大淡水湖泊。近年来随着环洞庭湖区人口增多和周围城市经济的快速发展，洞庭湖水质的污染问题越来越严峻，污染情况出现多源局部扩大，湖泊总体水质呈恶化趋势，给水环境监测带来了新的挑战和压力。目前，对洞庭湖的水质监测仍采用传统的实地采样和实验室分析等手段来分析水质情况，该方法是以点位进行环境监测，对测定局部范围内水质的情况准确性较高，但不能全面反映洞庭湖湖泊生态环境的总体时空变化，且费时、费力、成本高，也不能进行实时监测。为了更加有效地对洞庭湖水质情况进行监测，降低监测成本，节省人力资源，从总体、动态、实时的监测洞庭湖水质的情况，采用遥感水质监测技术来弥补传统水质监测的不足尤为可行。
一、建立洞庭湖水环境遥感监测实施方案
根据洞庭湖区水网分布特点和历史环境状况资料确定水环境遥感监测的技术路线，包括遥感数据预处理、水环境指标提取、水环境状况评价3个部分。
（一）遥感数据预处理
通过对未经地理坐标校准和辐射定标的初级遥感影像产品进行计算处理，生成表达地物反射率和亮度温度的中间产品，提取出水体目标，包括数据准备、辐射定标、几何校正和湖区提取4个部分。
（二）水环境指标提取
使用预处理后的遥感影像数据，借助光学一生化/光学一物理模型，通过波段组合运算的方式构造多种具有光学、生化、物理或混合特性的特征，将其与同一时期内的地面实测数据建立关系模型，再将地面监测点数据内插计算分布到图斑中的空间数据中，以实现水环境指标含量的真实化遥感方式表达。
（三）水环境状况评价
根据国家环保部公布的水环境状况评价标准，对使用遥感影像数据反演获得的叶绿素a、总磷、总氮、高锰酸盐等总计13项指标进行分级，其中富营养化程度分为轻营养、中营养、轻度富营养、中度富营养和重度富营养5级，水污染程度分为优、良好、轻度污染、中度污染、重度污染5级，水质等级分为I～V与劣V类六级，当参与评价的单项水质指标超出标准限值所在级别，且为所评价指标中最高时，将水环境状况确定为该级别，直到所有参与评价的指标完成限值判定。
二、洞庭湖水环境遥感监测系统架构
根据洞庭湖水环境遥感监测实施方案，进行遥感监测系统的架构，原则上要求系统具有在可视化的环境中，操作简单、自动化高、专业性强、灵活度高、可根据需求进行维护或升级等特点。进行程序设计时采用多文档多与视图主框架结构和模块化与分层开发，不同的服务层对应不同的系统功能模块，具有不同的应用特点。
（一）主要功能设计
在整个水环境遥感监测实施过程中空间地理定位及配准影响最终水环境评价结果，该功能设计对算法有较高的依赖性，它需要根据影像特征采用特定的图像配准算法，修正因采集环境、传感器姿态、地形起伏等多种因素造成的地理坐标偏差，并考虑影像全局几何畸变的方式与对校正精度，需要达到流程化、少量乃至无人工干预的处理目标。
水环境指标提取作为水环境遥感监测系统的主要功能之一，负责完成遥感辐射指标到水环境生化指标的计算转换，该功能设计包括反演模型建立和指标计算2个部分。
通过使用大量遥感数据与同期地面监测数据建立水环境指标反演模型，，依据回归分析理论，选择有直接影响作用或相关程度高的光谱范围，建立能够表达遥感指标与物理生化指标之间数值关系的过程，采用XML文件结点记录方式，按模型所属类别的重要性进行分级管理.结点级别自顶向下分别是：水质参数类别、所在湖区、影像所属卫星传感器类别、模型信息，其中模型信息包括介绍、湖区代码、公式和计算波段4个部分。
水环境指标计算功能的设计包括从XML文件中调用指定反演模型公式执行计算的常规运行模式。
（二）数据接口设计
水环境遥感监测系统是面向数据处理的业务化运行系统，在执行处理任务的过程中会涉及多种类型数据的读写以及频繁的数据I/O操作，特别是对于多线程批处理任务下的数据处理来说，效率显得尤为重要。具体到整个系统需要的数据接口来说，应包括有3种类型：文本数据接口、空间数据接口和数据库接口
三、水环境遥感监测系统功能
基于上述技术路线及架构设计，开发并实现了遥感数据预处理与水环境监测系统。采用JAVA语言开发，引入前台操作显示与后台运算处理同步执行的多线程运行模式，系统的主要功能包括：可视化的影像浏览查询操作；以工程文件及文件夹的方式帮助用户组织管理数据；影像预处理；水质参数提取，包含模型反演和空间分析；水环境富营养化、水污染程度、水质等级评价；水环境遥感评价产品制作等。
四、结语
针对洞庭湖水域的环境监测提出可行化的遥感监测实施方案，以该方案的实施为目标详细介绍了水环境遥感监测系统的组织架构方式、主要功能模块和数据接口设计方法，为加强洞庭湖水质遥感实用化、定量化的研究，为未来的洞庭湖水质遥感工作展开，以及尽早建立洞庭湖水质遥感监测系统提供借鉴和参考。
作者简介：张屹，湖南省洞庭湖生态环境监测中心。