太湖蓝藻水华遥感动态监测预警信息系统
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( 2) 基于树模式的软件系统架构。本系统依照 太湖蓝藻水华监测预警的工作流程, 采用了树模 式结构和面向对象思想来设计整个系统架构, 将 整个系统抽象为根节点对象, 各个子 系统抽象为 中间节点对 象, 各个 模块 抽象为 叶子节 点对 象。 这种树模式结构应用在窗体设计中, 可以使整个 系统界面保持一致风格, 应用在数据结构中, 可 以维护数据一致性。
3 系统功能模块分析与集成
图 1 系统流程 F ig 1 W orkflow o f the system
2 2 系统总体结构 采用先整体后局部的模块化设计方法 进行系
统总体设计, 将太湖蓝藻水华监测 预警系统划分 为蓝藻浓度 遥感定 量提取 模块、监测分 析模 块、 预警分析 模块、数据 管理 模块、模型 管理 模 块, 系统总体结构如图 2。
蓝藻水华形成是一种高度 复杂、非线 性的生 态过程 [ 3] , 涉及物理、化学及生物等方面 [ 4] 。目 前, 对其形成机理过程及蓝藻水华 影响水质所引 发的各种危害等都是人们所急需解决的问题。本 文从信息系统分析探讨太湖蓝藻水华治理, 具有 重要应用价值。
2 太湖蓝藻水华监测预警信息系统 设计
数据库、模型库和预警知识库支持下, 通过建立蓝 藻预警指标体系, 选择与遥感影像空间分辨率相适 合的格网单元, 即主要以 MODIS数据为主要遥感数 据源, 格网单元大小选择为 250m, 在此基础上, 综 合专家知识和数据挖掘发现的知识建立各个诱发因 子的隶属度函数以及模糊推理规则, 以判断每个格 网在预测时间内出现水华可能性大小, 同时结合 预测时间内的天气预报数值, 估算 现有蓝藻漂移 速度, 并结合预测时间内原位可能 出现的蓝藻范 围, 大致圈定 预测 时间内 的蓝藻 空间位 置分 布, 并利用空间叠加分析功能进行预警区划分。
2 1 系统流程设计 在太湖蓝藻水华监测预警 系统研发方面, 主
要体现出系 统化、模块化、集 成化、网络化 等特 点。太湖蓝藻水华监测指标的多样性 决定了系统 数据的多源性, 输入系统的数据包括 基础地理数 据、遥感影像数据、水质采样数据、气象数据等, 对多源数据进行综合处理主要采用系统集成技术, 特别是 GIS软件组件化为多源空间数 据的信息集 成和空间可视化表达提供了重要手段, 系统集成 所涉及到的体系结构主要包括小规模 的单机桌面
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地球 信息 科学
2 008 年
个模块集成到该框架中, 由于系统 采用可扩展性 的系统架构, 对于太湖蓝藻遥感监 测预警研究的 新成果可以及时融合到本系统中。
参考文献
[ 1] 施 勇 峰. 太 湖 蓝 藻 之 祸 追 踪. 瞭 望, 2007, ( 23) : 8~ 9.
[ 2] 李旭文. 太 湖蓝藻 大暴 发的警 示和 启发. 上 海企 业, 2007, ( 7): 7~ 8.
图 3 系统功能界面
4பைடு நூலகம்结语
F ig 3 Interface o f the system func tion
预警流程进行系统性分析, 提出构建 太湖蓝藻水 华遥感监测预警系统的总体框架, 综 合系统集成
在分析蓝藻水华遥感监测预警研究动 态基础 上, 从信息系 统构建角度, 对太湖蓝藻水 华监测
技术和软件模式技术, 运用 C#与 IDL 语言对该系 统框架进行了软件实现, 下一步主要 工作是将各
10 003 9;
摘要: 太湖蓝藻水华暴发对其周边地区的 生态、经 济和社会造成了严重影响, 对蓝 藻水华 进行监 测预警 对于改 善太湖水环境具有重要 意义。本 文在分析蓝藻水华遥感监测预警研究动态 基础上, 从 信息系 统构建 角度, 结合 太湖蓝藻水华监测情况 , 对太湖 蓝藻水华遥感监测预警流程进行系 统性分析, 提 出建立太 湖蓝藻水华 遥感监测 预警系统的总体框架, 利用 C#语言和 IDL 语言实现了该框架的软件架构, 并且论述了实现该系统框架 所采用的 系统集成技术和软件模 式技术。 关键词: 太湖; 遥感; 蓝藻水华; 监测; 预警
图 2 系统总体结构 F ig 2 Fram ewo rk of the sy stem
Internet上, 采用 B /S模式, 运用 W eb Serv ice集成 技术, 将各个模块进行 W eb 服务的封装、注册和 发布, 从而便于系统的扩展和与其他系统的集成。 在局域网内部, 采用 C / S模式, 由客 户端和服务 器组成, 其中 服务器包括数据库服务器、应 用程 序服务器两部分, 分别实现数据库管理, 应 用程 序的管理及运行。
遥感监测手段的引入, 为研究 太湖蓝藻水华
监测预警提供了新途径。太湖水环境 监测手段历 经了常规监测、综合自动化监测和综合遥感监测, 其中遥感在监测蓝藻水华方面具有快 速而经济的 特点, 能够监测到蓝藻叶绿素及藻蓝 蛋白的变化 情况 [ 5] , 将常规水质采样、实地光谱 仪采样与遥 感影像相结合, 可以获取与蓝藻水华 形成过程密 切相关的可遥感的水质参数, 如蓝藻叶绿素浓度、 藻蓝蛋白浓 度、水体透明度、温度等。在遥 感监 测模型方 面, 主要 有经 验模 型 [ 6 ] , 指数 模型 [ 7] , 半分析模型 [ 8] 等; 在预测模型方面, 主要有蓝藻 生长模型 [ 9] 、逐步回归模型 [ 10] 等; 在生态阈值方 面, 将蓝藻水华形成的温度范围大致确定为 28 ~ 33 , [ 11] 将蓝藻水华发生堆积时的风速范围大致 确定为 1 5~ 3 6m / S[ 12] 。
( 3) 数据管理模块: 对于矢量数据库、遥感影 像数据库、属性 数据 库, 实 现相 应数 据的 输 入、 编辑、更新和备份, 其中利用空间数据引擎 A rcS DE对多源数据进行集中存储和管理。
( 4) 模型管理模块: 通过模型字典库来提供灵 活、动态的构 模功能, 完成模型运行所需输 入数 据的自动提取及运算结果的存贮。模 型库中主要
[ 3] Chen Q, M yne tt A E. Integration o f data m ining tech n iques and heur istic know ledge in fuzzy log ic m ode lling of eutroph ication in T a ihu L ake. Eco log ica l M ode lling, 2003, ( 162): 55~ 67.
收稿日期: 2008 01 26; 修回日期: 2008 03 19. 基金项目: 中国科学院南京地理与湖泊所所长专项基金 ( N IGLAS2007 05) 。 作者简介: 王 甡 ( 1979- ), 男, 博士研究生, 研究方向: G IS及 RS系统研发。 E m a i:l wang shenhpu@ 126 com
[ 4] 孔繁翔. 大型浅水富营养化湖泊 中蓝藻水华 形成机理 的思考. 生态学报, 2005, 25( 3): 589~ 595.
[ 5] 杨顶田, 潘德炉. 蓝藻的 卫星遥 感研 究进展. 国 土资 源遥感, 2006, ( 4): 1~ 4.
[ 6] 疏小舟, 尹球, 匡定波. 内陆 水体藻类叶绿素浓度与反 射光谱特征的关系. 遥感学报, 2000, 4( 1): 41~ 45.
是介于 V isual Basic 与 V isua l C ++ 中间的一种编程 环境, 它综合 了 V isua l Basic 与 V isual C ++ 的 优 点, 具有开发周期短、运行效 率高的特点, 它可 以与 A ctiveX 控 件进行有 效集成。本系统就 是在 V isual C# 可视化开发平台下, 融合 IDLD rawW idget 图像可视化控件以及 A rcEng ine空间数据可视化控 件, 综合完成系统各个模块功能。
[ 7] 韩秀珍, 朱小祥, 刘诚. 基于 MOD IS数据的太湖蓝藻 信息提取研究. 中国 气象 学会 2007年 年会 气象 综合 探测技术分会场论文 集, 139~ 144.
[ 8] 马荣 华, 唐 军 武. 湖泊 水 色遥 感 参数 获取 与 算 法分 析. 水科学进展, 2006, 17( 5): 720~ 725.
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地球 信息 科学
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体系结构和大规模的三层网络体系结构, 前者主 要是对太湖蓝藻水华监测数据进行 模型分析与空 间分析 [ 13] , 后者则在包括前者功能基础上进行了 功能模块的扩展和异地分配, 并将多源数据管理、 数据处理、模型分析与空间分析功 能集中到局域 网内的服务器与胖客户端上, 同时 将数据与信息 的发布功能针对到互联网中的客户浏览器上 [ 14] 。
系统采用 C /S 与 B /S相混合的体系架构, 在
3 1 系统功能模块 ( 1) 蓝藻浓度遥感定量提取模块: 把经过几何
纠正、辐射定标、大气校正后的遥感影像, 应用蓝 藻浓度遥感定量反演模型, 将蓝藻遥感图像反射率 值转换为蓝藻浓度值, 同时生成蓝藻浓度栅格图。
( 2) 监测分析模块: 对蓝藻遥感监测影像生成 的蓝藻浓度栅格图进行 分析。按照相应标准, 将 蓝藻浓度值进行分级显示, 计算各级 别蓝藻浓度 区间对应总像元面积, 根据各不同时 相蓝藻浓度 变化面积的转移矩阵生成监测统计报告。
系统部分功能界面如图 3, 其中菜单界面基于 XM L 文件设计, 具有可定制性特点, 各菜单项所 实现的功能调用接口, 由自行设计 的接口类以及 抽象类来综合管理, 以此减少界面 对应用程序的 依赖性, 增强界面设计的灵活性。
3 2 系统集成的关键技术 ( 1) V isua l C# 与 A ctiveX控件集成。 V isua l C#
包括遥感定量反演模型、预测预警模型等。 ( 5) 警情发布模块: 将遥感监测分析结果及预
警分析结果, 通过网络及时发布给社 会公众和各 应急职能部门, 同时在保障网络安全前提下, 提
2期
王 甡 等: 太湖蓝藻水华遥 感动态监测预警信息系统
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供元数据服务及数据服务。 ( 6) 预警分析模块: 是本系统的核心部分, 在
结合太 湖多 年 来研 究 成 果以 及 专 家经 验 知 识 [ 4, 15] , 将太 湖蓝 藻水 华监 测预 警的 指标 分 为: 蓝藻 叶绿 素浓 度、藻 蓝蛋 白浓度、气温、风 速、 风向, 通过实地采样数据与准同步 遥感影像匹配 分析蓝藻水华发生前的各个指标的变化情况, 确 定发生蓝藻水华时各个指标的阈值范围, 其中蓝 藻叶绿素浓度和藻蓝蛋白浓度通过 遥感影像定量 反演模型获取并以此作为藻类生物量指示, 风速、 风向、气温等诱发指标因子数据通 过天气预报方 式获取, 各个诱发指标因子数据在 模糊逻辑模型 支持下预测满足生物量阈值的蓝藻 是否具有上浮 的可能性, 最后综合蓝藻水华可能 出现的区域进 行空间预警分区, 系统流程如图 1。
1 引言
太湖水质状况直接影响其周围人民的 生产生 活, 太湖向周 边地区提供生产生活用水, 同时周 边地区的污水也以点源或面源形式排入太湖, 最 终导致太湖营养化加剧, 诱发蓝藻水华频频出现。 蓝藻是一种最原始、最古老的藻类植物, 在一些 营养化水体中, 蓝藻常于夏季大量繁殖, 并在水 域形成一层蓝绿色而又腥臭味的水华, 加剧水质 恶化, 对鱼类 等水生动物以及人、畜均有 较大危 害 [ 1] 。自 1990年以来, 太 湖蓝藻水 华频频暴 发, 特别是 2007年 5月底, 太湖梅梁湾部分发生了蓝 藻大暴发, 导 致无锡市自来水臭水事件, 太湖蓝 藻水华危害再度引起社会各方面的关注 [ 2 ] 。
第 10卷 第 2期 2008年 4月
地球 信 息科 学
G EO IN FORM AT ION SCIENCE
V o l 10, No 2 A pr. , 2008
太湖蓝藻水华遥感动态监测预警信息系统
王 甡 1, 2, 江 南1, 胡 斌 1, 魏清宇 3
( 1中国科学院南京地理与湖泊研究所; 南京 210008; 2 中国科学院研究生院, 北京 3 南京大学地理与海洋科学学院, 南京 210093)
3 系统功能模块分析与集成
图 1 系统流程 F ig 1 W orkflow o f the system
2 2 系统总体结构 采用先整体后局部的模块化设计方法 进行系
统总体设计, 将太湖蓝藻水华监测 预警系统划分 为蓝藻浓度 遥感定 量提取 模块、监测分 析模 块、 预警分析 模块、数据 管理 模块、模型 管理 模 块, 系统总体结构如图 2。
蓝藻水华形成是一种高度 复杂、非线 性的生 态过程 [ 3] , 涉及物理、化学及生物等方面 [ 4] 。目 前, 对其形成机理过程及蓝藻水华 影响水质所引 发的各种危害等都是人们所急需解决的问题。本 文从信息系统分析探讨太湖蓝藻水华治理, 具有 重要应用价值。
2 太湖蓝藻水华监测预警信息系统 设计
数据库、模型库和预警知识库支持下, 通过建立蓝 藻预警指标体系, 选择与遥感影像空间分辨率相适 合的格网单元, 即主要以 MODIS数据为主要遥感数 据源, 格网单元大小选择为 250m, 在此基础上, 综 合专家知识和数据挖掘发现的知识建立各个诱发因 子的隶属度函数以及模糊推理规则, 以判断每个格 网在预测时间内出现水华可能性大小, 同时结合 预测时间内的天气预报数值, 估算 现有蓝藻漂移 速度, 并结合预测时间内原位可能 出现的蓝藻范 围, 大致圈定 预测 时间内 的蓝藻 空间位 置分 布, 并利用空间叠加分析功能进行预警区划分。
2 1 系统流程设计 在太湖蓝藻水华监测预警 系统研发方面, 主
要体现出系 统化、模块化、集 成化、网络化 等特 点。太湖蓝藻水华监测指标的多样性 决定了系统 数据的多源性, 输入系统的数据包括 基础地理数 据、遥感影像数据、水质采样数据、气象数据等, 对多源数据进行综合处理主要采用系统集成技术, 特别是 GIS软件组件化为多源空间数 据的信息集 成和空间可视化表达提供了重要手段, 系统集成 所涉及到的体系结构主要包括小规模 的单机桌面
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地球 信息 科学
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个模块集成到该框架中, 由于系统 采用可扩展性 的系统架构, 对于太湖蓝藻遥感监 测预警研究的 新成果可以及时融合到本系统中。
参考文献
[ 1] 施 勇 峰. 太 湖 蓝 藻 之 祸 追 踪. 瞭 望, 2007, ( 23) : 8~ 9.
[ 2] 李旭文. 太 湖蓝藻 大暴 发的警 示和 启发. 上 海企 业, 2007, ( 7): 7~ 8.
图 3 系统功能界面
4பைடு நூலகம்结语
F ig 3 Interface o f the system func tion
预警流程进行系统性分析, 提出构建 太湖蓝藻水 华遥感监测预警系统的总体框架, 综 合系统集成
在分析蓝藻水华遥感监测预警研究动 态基础 上, 从信息系 统构建角度, 对太湖蓝藻水 华监测
技术和软件模式技术, 运用 C#与 IDL 语言对该系 统框架进行了软件实现, 下一步主要 工作是将各
10 003 9;
摘要: 太湖蓝藻水华暴发对其周边地区的 生态、经 济和社会造成了严重影响, 对蓝 藻水华 进行监 测预警 对于改 善太湖水环境具有重要 意义。本 文在分析蓝藻水华遥感监测预警研究动态 基础上, 从 信息系 统构建 角度, 结合 太湖蓝藻水华监测情况 , 对太湖 蓝藻水华遥感监测预警流程进行系 统性分析, 提 出建立太 湖蓝藻水华 遥感监测 预警系统的总体框架, 利用 C#语言和 IDL 语言实现了该框架的软件架构, 并且论述了实现该系统框架 所采用的 系统集成技术和软件模 式技术。 关键词: 太湖; 遥感; 蓝藻水华; 监测; 预警
图 2 系统总体结构 F ig 2 Fram ewo rk of the sy stem
Internet上, 采用 B /S模式, 运用 W eb Serv ice集成 技术, 将各个模块进行 W eb 服务的封装、注册和 发布, 从而便于系统的扩展和与其他系统的集成。 在局域网内部, 采用 C / S模式, 由客 户端和服务 器组成, 其中 服务器包括数据库服务器、应 用程 序服务器两部分, 分别实现数据库管理, 应 用程 序的管理及运行。
遥感监测手段的引入, 为研究 太湖蓝藻水华
监测预警提供了新途径。太湖水环境 监测手段历 经了常规监测、综合自动化监测和综合遥感监测, 其中遥感在监测蓝藻水华方面具有快 速而经济的 特点, 能够监测到蓝藻叶绿素及藻蓝 蛋白的变化 情况 [ 5] , 将常规水质采样、实地光谱 仪采样与遥 感影像相结合, 可以获取与蓝藻水华 形成过程密 切相关的可遥感的水质参数, 如蓝藻叶绿素浓度、 藻蓝蛋白浓 度、水体透明度、温度等。在遥 感监 测模型方 面, 主要 有经 验模 型 [ 6 ] , 指数 模型 [ 7] , 半分析模型 [ 8] 等; 在预测模型方面, 主要有蓝藻 生长模型 [ 9] 、逐步回归模型 [ 10] 等; 在生态阈值方 面, 将蓝藻水华形成的温度范围大致确定为 28 ~ 33 , [ 11] 将蓝藻水华发生堆积时的风速范围大致 确定为 1 5~ 3 6m / S[ 12] 。
( 3) 数据管理模块: 对于矢量数据库、遥感影 像数据库、属性 数据 库, 实 现相 应数 据的 输 入、 编辑、更新和备份, 其中利用空间数据引擎 A rcS DE对多源数据进行集中存储和管理。
( 4) 模型管理模块: 通过模型字典库来提供灵 活、动态的构 模功能, 完成模型运行所需输 入数 据的自动提取及运算结果的存贮。模 型库中主要
[ 3] Chen Q, M yne tt A E. Integration o f data m ining tech n iques and heur istic know ledge in fuzzy log ic m ode lling of eutroph ication in T a ihu L ake. Eco log ica l M ode lling, 2003, ( 162): 55~ 67.
收稿日期: 2008 01 26; 修回日期: 2008 03 19. 基金项目: 中国科学院南京地理与湖泊所所长专项基金 ( N IGLAS2007 05) 。 作者简介: 王 甡 ( 1979- ), 男, 博士研究生, 研究方向: G IS及 RS系统研发。 E m a i:l wang shenhpu@ 126 com
[ 4] 孔繁翔. 大型浅水富营养化湖泊 中蓝藻水华 形成机理 的思考. 生态学报, 2005, 25( 3): 589~ 595.
[ 5] 杨顶田, 潘德炉. 蓝藻的 卫星遥 感研 究进展. 国 土资 源遥感, 2006, ( 4): 1~ 4.
[ 6] 疏小舟, 尹球, 匡定波. 内陆 水体藻类叶绿素浓度与反 射光谱特征的关系. 遥感学报, 2000, 4( 1): 41~ 45.
是介于 V isual Basic 与 V isua l C ++ 中间的一种编程 环境, 它综合 了 V isua l Basic 与 V isual C ++ 的 优 点, 具有开发周期短、运行效 率高的特点, 它可 以与 A ctiveX 控 件进行有 效集成。本系统就 是在 V isual C# 可视化开发平台下, 融合 IDLD rawW idget 图像可视化控件以及 A rcEng ine空间数据可视化控 件, 综合完成系统各个模块功能。
[ 7] 韩秀珍, 朱小祥, 刘诚. 基于 MOD IS数据的太湖蓝藻 信息提取研究. 中国 气象 学会 2007年 年会 气象 综合 探测技术分会场论文 集, 139~ 144.
[ 8] 马荣 华, 唐 军 武. 湖泊 水 色遥 感 参数 获取 与 算 法分 析. 水科学进展, 2006, 17( 5): 720~ 725.
14 8
地球 信息 科学
2 008 年
体系结构和大规模的三层网络体系结构, 前者主 要是对太湖蓝藻水华监测数据进行 模型分析与空 间分析 [ 13] , 后者则在包括前者功能基础上进行了 功能模块的扩展和异地分配, 并将多源数据管理、 数据处理、模型分析与空间分析功 能集中到局域 网内的服务器与胖客户端上, 同时 将数据与信息 的发布功能针对到互联网中的客户浏览器上 [ 14] 。
系统采用 C /S 与 B /S相混合的体系架构, 在
3 1 系统功能模块 ( 1) 蓝藻浓度遥感定量提取模块: 把经过几何
纠正、辐射定标、大气校正后的遥感影像, 应用蓝 藻浓度遥感定量反演模型, 将蓝藻遥感图像反射率 值转换为蓝藻浓度值, 同时生成蓝藻浓度栅格图。
( 2) 监测分析模块: 对蓝藻遥感监测影像生成 的蓝藻浓度栅格图进行 分析。按照相应标准, 将 蓝藻浓度值进行分级显示, 计算各级 别蓝藻浓度 区间对应总像元面积, 根据各不同时 相蓝藻浓度 变化面积的转移矩阵生成监测统计报告。
系统部分功能界面如图 3, 其中菜单界面基于 XM L 文件设计, 具有可定制性特点, 各菜单项所 实现的功能调用接口, 由自行设计 的接口类以及 抽象类来综合管理, 以此减少界面 对应用程序的 依赖性, 增强界面设计的灵活性。
3 2 系统集成的关键技术 ( 1) V isua l C# 与 A ctiveX控件集成。 V isua l C#
包括遥感定量反演模型、预测预警模型等。 ( 5) 警情发布模块: 将遥感监测分析结果及预
警分析结果, 通过网络及时发布给社 会公众和各 应急职能部门, 同时在保障网络安全前提下, 提
2期
王 甡 等: 太湖蓝藻水华遥 感动态监测预警信息系统
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供元数据服务及数据服务。 ( 6) 预警分析模块: 是本系统的核心部分, 在
结合太 湖多 年 来研 究 成 果以 及 专 家经 验 知 识 [ 4, 15] , 将太 湖蓝 藻水 华监 测预 警的 指标 分 为: 蓝藻 叶绿 素浓 度、藻 蓝蛋 白浓度、气温、风 速、 风向, 通过实地采样数据与准同步 遥感影像匹配 分析蓝藻水华发生前的各个指标的变化情况, 确 定发生蓝藻水华时各个指标的阈值范围, 其中蓝 藻叶绿素浓度和藻蓝蛋白浓度通过 遥感影像定量 反演模型获取并以此作为藻类生物量指示, 风速、 风向、气温等诱发指标因子数据通 过天气预报方 式获取, 各个诱发指标因子数据在 模糊逻辑模型 支持下预测满足生物量阈值的蓝藻 是否具有上浮 的可能性, 最后综合蓝藻水华可能 出现的区域进 行空间预警分区, 系统流程如图 1。
1 引言
太湖水质状况直接影响其周围人民的 生产生 活, 太湖向周 边地区提供生产生活用水, 同时周 边地区的污水也以点源或面源形式排入太湖, 最 终导致太湖营养化加剧, 诱发蓝藻水华频频出现。 蓝藻是一种最原始、最古老的藻类植物, 在一些 营养化水体中, 蓝藻常于夏季大量繁殖, 并在水 域形成一层蓝绿色而又腥臭味的水华, 加剧水质 恶化, 对鱼类 等水生动物以及人、畜均有 较大危 害 [ 1] 。自 1990年以来, 太 湖蓝藻水 华频频暴 发, 特别是 2007年 5月底, 太湖梅梁湾部分发生了蓝 藻大暴发, 导 致无锡市自来水臭水事件, 太湖蓝 藻水华危害再度引起社会各方面的关注 [ 2 ] 。
第 10卷 第 2期 2008年 4月
地球 信 息科 学
G EO IN FORM AT ION SCIENCE
V o l 10, No 2 A pr. , 2008
太湖蓝藻水华遥感动态监测预警信息系统
王 甡 1, 2, 江 南1, 胡 斌 1, 魏清宇 3
( 1中国科学院南京地理与湖泊研究所; 南京 210008; 2 中国科学院研究生院, 北京 3 南京大学地理与海洋科学学院, 南京 210093)