太湖蓝藻信息采集系统的建设与应用

裘劲松 ，胡雪娇 ，宗 军 ，姚春捷 ，周晓泉

（1.水利部南京水利水文自动化研究所, 江苏 南京 210012；2.太湖流域管理局水利发展研究中心，上海 200434）

0 前言

太湖流域面积 3.69 万 km2，具有蓄洪、灌溉、航运、供水、水产养殖、旅游等多项功能，也是沿湖苏州、无锡等地区重要饮用水源地，并承担着向下游地区供水的任务；淀山湖是上海市最大的湖泊，位于上海市青浦区西部与江苏省昆山市交界处，其上承太湖来水，下泄至黄浦江，是上海市黄浦江上游重要的水源地，被上海市列为饮用水水源保护区，同时兼有交通运输、农田灌溉、水产养殖、调蓄洪涝、旅游休闲等多种功能。随着流域经济社会的快速发展，水污染治理相对滞后，近年来太湖与淀山湖水体富营养化不断加剧、水环境日益恶化，太湖蓝藻爆发，对沿湖周边城市水源地供水安全构成极大威胁，制约了流域经济社会的可持续发展。

为了解决因为经济快速发展而带来的严重的污染，造成的太湖水环境日益恶化，同时蓝藻爆发也对生产生活构成极大威胁，因此建立 1 套有效的太湖蓝藻监测、预警系统已刻不容缓。

1 系统建设及框架

1.1 系统建设内容

利用卫星遥感技术，建立太湖蓝藻卫星遥感信息接收系统，对卫星遥感信息进行解析，获取太湖蓝藻分布、变化信息；在环太湖周围建设多点蓝藻图像监视站，实时监视太湖重点湖面蓝藻及其变化情况；在太湖、淀山湖建设浮台水质监测站，实时监测太湖、淀山湖重点湖区水质和藻密度变化趋势。在中心站将产生大量监测蓝藻动态变化的成果数据接收、处理和入库，并将人工巡查水体的蓝藻信息录入。并在此基础上定制开发基于 WebGIS 应用软件，满足用户的应用需求，提高工作效率，形成全方位的监测网点，构建太湖蓝藻信息采集系统，实现对太湖湖面重点区域蓝藻信息的监测、监视，对淀山湖水质及蓝藻变化的预警。

1.2 系统结构

太湖蓝藻信息采集系统由 1 个卫星遥感信息接收系统、2 个浮台式水质监测站、12 个蓝藻视频图像监视站和中心站应用软件等部分构成，总体结构如图1 所示。

卫星信息接收系统直接接入到太湖局水文水资源监测局中心站（下简称中心站），浮台式水质监测站、蓝藻视频图像监视站和现场监测信息通过无线方式传输到中心站，所有信息经有中心站通过专线网络实时传输到太湖局数据中心。其信息流向如图2 所示[1]。

1.2.1 卫星遥感信息接收子系统

卫星遥感信息接收系统选用中国风云卫星数据广播平台遥感综合业务系统。通过建设国家级的遥感数据资料共享平台，克服单个接收站的重复建设和资源浪费，对于用户来讲可以以较小的成本投入，最大限度地获得多颗遥感卫星的资料，以便在全国大力推广遥感卫星资料的应用，使用户群体可以延伸到对本地区环境和自然灾害监测等感兴趣的地县级用户。本系统是在国家卫星气象中心北京、广州和乌鲁木齐 3 站 1 中心接收、处理、存档多颗遥感卫星资料业务系统基础上，通过拓展中国气象局西藏 MODIS 站和海洋三亚站，组成了覆盖全国范围的 MODIS 资料和多颗遥感卫星资料的站网。DVB-S 系统结构如图3 所示。

图1 系统总体结构图

图2 信息流向图

图3 DVB-S系统结构图

通过建设卫星地面数据接收站，可以接收定制的太湖全湖卫星遥感数据。蓝藻水华爆发，水体中叶绿素含量显著升高, 导致水体光谱特征发生变化。蓝、红光反射率降低；近红外波段具有明显的植被特征“陡坡效应”，反射率升高；同时荧光峰位置向长波方向移动。通常蓝藻覆盖区域光谱特征与无藻湖面有较为明显差异。利用不同浓度蓝藻在不同波段上的差异，可用于对蓝藻水华的监测。

MODIS 影像有覆盖可见光、近红外和远红外的36 个波段的数据，光谱范围在 0.4～14.4 μm 之间，扫描宽度 2330 km，其中前 2 个波段的空间分辨率为 250 m，3～7 波段的空间分辨率为 500 m，8～36波段的空间分辨率为 1000 m，每天分别过境 2 次，由于时间分辨率较高，在一定程度上弥补了空间分辨率的不足。各类典型地物 MODIS 波段光谱特征如图4 所示，可以看出，Band2 是区分蓝藻水华与浑浊、清洁水体最好的波段。

图4 各类典型地物 MODIS 波段光谱特征

依据蓝藻的光谱反射特性，通过系统配套软件，将太湖全湖卫星遥感数据解析为太湖蓝藻分布图片，叠加地理信息数据后形成矢量图片，供相关人员查阅和分析。成果数据通过太湖局与无锡局之间已建的 2 M 光纤传输到太湖局，以满足太湖蓝藻监控的应用需求。

1.2.2 蓝藻视频图像监视子系统

蓝藻视频图像监视子系统共有 12 个监视站点，主要分布在环太湖周围的主要供水水源地取水口、省市交界地区、蓝藻易发湖区。视频图像监视站站点分布如图5 所示。

图5 视频图像监视站站点分布图

蓝藻图像监视站主要由监控摄像机、云台、图像采集传输设备、供电设备、安装杆、安装支架和基座等组成。蓝藻图像监视站结构图如图6 所示。

图6 蓝藻图像监视站结构图

蓝藻图像监视站点的设备分为 3 部分：1）视频图像的采集，由高性能的室外摄像机完成；2）信号传输部分，由 3G 视频服务器完成；3）供电部分，采用蓄电池供电太阳能电池浮充供电。

由于蓝藻视频图像监视站点都位于太湖的湖岸地区，这里环境相对闭塞，无光纤接入端和交流电源，远离城市及乡镇。视频图像信号如果采用光纤传输，则首先需要拉光纤到运营商的基站，这将是一笔很高的费用。因此我们采用 3G 方式传输视频图像信号。

3G 就是第 3 代移动通信系统（3rd Generation Mobile System，3G）是国际电信联盟（简称 ITU）1985 年首先提出的，当时被称为公众陆地移动通信系统。1996 年 ITU 将其名为全球移动通信系统（International Mobile Telecommunication，IMT-2000），后缀指其工作在 2000 MHz 频段。经过多年的市场发展，逐渐成为主流的是 IMT-2000 CDMA DS（即 WCDMA 直扩方式）、IMT-2000 CDMA MC（即 cdma20001X 多载波方式）和 IMT-2000 CDMA TC（LCR 方式，即 TDSCDMA）。在中国的 3 大移动运营商中，“中国联通”公司采用 WCDMA 技术，“中国电信”公司采用的是 cdma20001X 技术，“中国移动”公司采用的是 TD-SCDMA 技术[2]。

在项目的实施过程中，经过从信号传输的速率、信号覆盖面及资费标准等方面对 3 家运营商进行了比较，最终选择了 cdma20001X 技术作为本项目的视频图像传输方式。由于视频图像监视站点采用 3G 方式传输信号，而 3G 传输技术的速率远没有光纤快，且 3G 是按流量收费的，目前的使用费也较高，同时考虑到设备供电的问题。在图像的清晰度、供电可靠性和系统的运行费用等问题上选择1 种最佳的方案，既要满足上传图片的清晰度和实时性，又要满足太阳能供电的特点，还要将系统的运行费用控制在 1 个合理的范围之内。综合上述问题，蓝藻视频图像监视子系统采用在白天定时，夜间不工作；白天定时抓拍图片上传，有需要时人工将抓拍图片改为视频模式，这样做的好处就是监视蓝藻的变化情况的同时也节约了供电和节省了流量费用。

1.2.3 浮台式水质监测站

浮台式水质监测站主要由监测浮台（浮标装置）、多参数水质分析仪、气象参数传感器、数据采集仪、通信设备、供电设备及辅助设备等构成。浮标装置是 1 种能长期漂浮在水中的浮台，由锚连机构来固定，能适合水位变化的要求。浮标装置一般采用不锈钢或聚氨酯等材料制成，底部有负重装置，以便稳定浮标，防止风浪的影响。浮标装置带有内置仓室，用于放置数据采集设备、通讯设备和蓄电池等，要求密封性能好。多参数水质分析仪一般安装在浮标的底部或侧面，安装深度应满足监测的要求。在浮标装置的上面留有安装太阳能电池板的支架，考虑到浮标装置会受风浪影响改变方向，要求在浮标装置上最少安装 2 块以上的太阳能电池板，以便保证在任何时候都能提供太阳能给电池充电。同时还需要在浮标装置上留有安装风速风向仪的支架，以便监测风速风向参数，为了保证风速风向测量的精确性，需要在浮标装置上安置电子罗盘。为了保证浮标装置的安全，需要在浮标装置上安装雷达发射器和信号灯等辅助设备。

浮台式水质监测站是通过浮标上安装的一体化水质监测设备来测量水体的水质参数。并可将监测到的数据通过无线通讯设备发送到中心站，同时可接收中心站的远程设置指令。浮台式水质监测站结构图如图7 所示。浮台式水质自动监测站通过锚碇方式将监测浮台固定在湖面上，监测浮台上安装有水质监测和气象监测仪器设备及供电设备，监测的数据通过 GPRS 实时传输到中心站进行处理。

1.2.4 应用软件

图7 浮台式水质监测站结构图

中心站软件应用系统主要负责各类监测数据的接收、处理和入库，并围绕各类监测数据进行相应的业务应用。中心站软件从功能上分为 2 类：1）数据采集软件主要包括水质、巡测数据接收，图像信息处理等功能，安装在太湖局水文水资源监测局；2）数据应用软件，主要是基于 WebGIS 开发的水质在线监测、查询统计、专题图表分析等功能，安装在太湖局数据中心。中心站各系统的模块组成及功能如图8 所示。

图8 中心站各系统的模块组成及功能

系统主要由数据采集层、通讯传输网络、数据存储层、应用服务层及安全与保障环境等 5 部分组成。1）数据采集层主要承担在线数据的采集、处理和发送，由卫星遥感、湖体水质、湖体蓝藻图片和现场人工巡查等信息组成。2）通讯传输网络主要采用公共无线网络承担数据的传输。3）数据存储层主要承担数据的接收、转换和存储入库，由已建的水质、多媒体和巡查等数据库组成。4）应用服务层主要为各类应用系统提供相应的数据资源和基础服务，主要包括地图展示、在线监测、遥感浏览、现场巡测、查询统计和系统设置等功能。5）安全与保障环境由标准规范、安全、建设与运行管理等体系组成，为系统安全、稳定的运行提供制度保障。系统总体框架如图9所示[3]。

1.3 系统展现

系统提供卫星遥感信息接收解译的图片如图10所示；图像监视站抓拍的图片在 WebGIS 软件中显示如图11 所示。

图9 系统总体框架图

图10 2011-08-19T11:08卫星遥感信息接收系统解译的图片

图11 中心站应用软件

2 结语

太湖蓝藻信息采集系统于 2011 年 6 月建设完成，并在夏季太湖蓝藻多发期间，采集了大量的卫星遥感图片、视频图像及湖体水质数据，为太湖蓝藻监控与预警、流域重要水源地监控提供重要支撑作用。

太湖蓝藻信息采集系统是对太湖蓝藻的发生、生长、爆发等实施全方位监测，收集蓝藻信息而建设的。分别从水、陆、空三位一体来监测太湖的蓝藻，可从宏观到微观对蓝藻爆发的过程、程度实时监测，对趋势可做研判，既有整个太湖蓝藻面积的数据，也有监测点每升湖水中蓝藻个数的数据，还可看到在重要的水源地及蓝藻易发地区，蓝藻是呈颗粒状、条（带）状或油漆状分布的图像。同时项目的建成还大大减轻蓝藻爆发期间人工巡查蓝藻的强度。

由于蓝藻的图像监视站点都地处湖堤，不便于接入光纤和交流电源，为此首次将 3G 视频传输技术应用到该项目中，这样相关人员在千里之外都可以查看蓝藻情况。该技术的应用，为今后水利水文信息化项目中条件受限制的站点上传图像信息提供了参考。

[1]水利部南京水利水文自动化研究所水文监测事业部. 太湖蓝藻信息采集系统（卫星数据接收系统、图像监视站、浮台式水质监测站和中心站）设计方案[R]. 南京：水利部南京水利水文自动化研究所，2010: 01-20.

[2]高鹏，赵培，陈庆涛. 3G 技术问答[M]. 北京：人民邮电出版社，2009: 6-1.

[3]水利部南京水利水文自动化研究所水文监测事业部. 太湖蓝藻信息采集系统（卫星数据接收系统、图像监视站、浮台式水质监测站和中心站）施工组织设计方案[R]. 南京：水利部南京水利水文自动化研究所，2011: 34-44.