综合集成传感技术层次化框架在流域水质监测中的应用综述外文翻译资料

 2023-03-15 11:31:04

综合集成传感技术层次化框架在流域水质监测中的应用综述

强调：

bull;提出了一种集水区综合分层水质监测框架。

bull;集水区水质问题需要多种实时监测技术。

bull;结合遥感和现场测量提供了一个集成的框架。

bull;流域面临的挑战是有害的藻华、养分流动、沉积物和洪水。

bull;感器连接和数据分析是有效决策支持的关键。

图形摘要：

说明使用集成技术进行监控的分层框架方法。将不同的监测方法从高频(无线传感器网络和星载卫星)连接到相对频率监测(原位探测和机载传感器-无人机)。

关键词：原位传感器；卫星；无人机；航空成像；高光谱；监测技术；

摘要：由于气候变化的威胁越来越大，现在比以往任何时候都更需要在水质监测战略方面的新进展。完备和可靠的监测做法可用于改善以及更好地了解影响水质的集水过程。近年来，长期的原位传感器设置获取了许多时间和空间数据。此外，利用卫星和航空图像进行遥感的开发和研究已逐步纳入流域检测方面，以便监测以前可能无法监测的地区，而高分辨率数据的产生，这已成为流域监测的必要条件。在集水区中使用模型是有意义的，因为它能在事件发生之前对其进行预测，以便制定战略计划来防止或处理某些威胁。本综述强调了目前在集水区采用的监测方法，并审查了将这些方法综合使用的可能性。一个框架可包括所有监测战略，以获得关于集水区及其水质的更多信息。未来的监测将涉及卫星、现场和机载设备，而数据分析则在提供决策支持工具方面发挥关键作用。该综述提供了成功使用个别技术、一些组合方法的成功案例，并落实了需要填补的技术空白区域，以实现理想的集水区观测系统建立。

1.绪论：

营养富集、泥沙流入和溶解氧消耗是受压力水体的特征(fabicius等，2005；Neal等，2002；Parker和OReilly，1991;Abel等，2000)。他们虽然使用了不同的监测方法来应对这些挑战，但是在数据收集方面仍然存在缺陷。这篇综述论述了每种监测方法的许多优点和缺点，并调查了结合各种方法的可行性和开发一种可用于监测流域所有方面的综合工具的潜力。我们在对流域监测发表的文献进行评估后，发现很难找到一种能够完成流域监测系统维护和成功运行所需所有任务的方法。而这都表明了水质检测需要采用分层或组合的方法来进行有效的监控。

1.1集水区定义

集水区是极其复杂的系统，其中水的质量和数量受到生物、化学、物理、生态和环境因素的影响(fabicius等，2005)。图1中的流域通常定义为湖泊、河流或某种形式的水体周围的陆地面积(Neal等， 2002；Sassolas-Serrayet等，2018)。研究流域监测具有重要的意义，因为它有助于该地区的可持续管理。它还强调了与该地区有关的问题或威胁(Plisnier等，2018)。我们设立了监测系统，以便更好地了解影响集水区周围水体和土地质量的主要因素。

1.2目前对集水区水质监测的需求

监测水质符合了本地和全球的利益，并受到立法的推动。比如欧洲的《水框架指令》（WFD）（Carvalho等, 2019），加拿大的《清洁水法》(Collins等，2017)，《澳大利亚水法》(Papas, 2018)以及《美国清洁水法》(Keiser和Shapiro, 2018)。为了获得关于集水区的更多信息，我们必须尽可能频繁地监测和取样。通过连续监测提供长期密集的观察、采样和数据收集，解决了频率问题。

水质参数的监测有效性对集水区的整体质量有着深远的影响(Chapman et al.， 2016)。许多生物体的生存和水生系统依赖于水的质量(Bilotta和Brazier, 2008；Amoatey和Baawain, 2019)。使用一种方法或仪器来成功收集监测一个集水区所需的所有相关数据是不可能的。图2是一个示意图，显示了使用集成平台进行分层监测的方法。它展示了不同技术的潜在用途和可以获得的数据类型。

在过去的20年里，长期原位传感平台一直被用于水质监测(Randhawa等，2017；Thiemann和Kaufmann, 2002)。平台所使用的仪器提供大部分实时、定期和可靠的数据。通过原位传感器监测，可以立即识别和管理OOS参数(Eichhorn等，2018；Wong和Kerkez, 2016)。这些信息对于利用自动和现场测量方法来确定某些污染物在不同阶段的浓度或水平很重要(ONeill和Kerr, 2013；美国环境保护署,2018)。

近年来，水质检测领域有一种朝向遥感系统的趋势。遥感被定义为“远距离观测的科学”(Tuominen等， 2011)，在建立农村和偏远集水区观测框架方面发挥关键作用。，卫星(Landsat, Sentinel, MERIS和MODIS)通常用于流域监测，当缺少卫星图像的情况下，则会用到机载图像传感器(无人机RGB摄像头，激光雷达和CASI)，因为它们能够提供10到100平方米的信息(Fu等，2019)。

水质监测的分层框架的前景已在文献中简要地提出。然而，它经常作为地面真实平台的一种方法，如遥感应用。这些平台首次用于流域监测是在1987年(Bugnot等, 2018)。遥感在学术界广泛应用，但尚未成为政府监测方案所用方法(Japitana等，2019)。以卫星为基础的仪器会受到观测地形的影响。得到的信号需要半经验算法来将辐射度转换为物理特征。在某些情况下，如果不使用地面真实情况，就很难将观测到的辐射度应用于不同的表面(Kustas和Norman, 1996)。反射率、后向散射和温度等问题(Moran等，1997)成为了将遥感应用于水质监测的阻碍(Learning，2019；Leigh等，2019年；Nguyen等，2019年)。Dlamini等人，在2016年证明了采用多种技术监测水质状况的重要性。用于现场数据收集的仪器包括多参数探测仪、测量站、水位记录器、气象站和湿化学分析仪。在流域监测中，遥感用于捕获土地利用和土地随时间的变化，水质和颜色的变化，监测某些物种，如叶绿素a (Chl-a)和其他较差的水质指标，等方面。现在比以往任何时候都需要监测(Whitehead et al.， 2009;Arnell等人，2015)。审查的目的是强调全球正在进行的监测应用的类型。它解释了为什么分层观察系统比单一监测平台更有效。它处理了与实现分层框架相关的机遇和挑战

本文论述了过去10年(2009-2019年)全球范围内的32项研究，重点关注过去5年的发展。由于过去几年气候变化的强烈影响，J.OGrady, D. Zhang, N.OConnor等人采用了更综合的方法。现在比以往任何时候都更需要监测(Whitehead等，2009；Arnell等，2015)。论述的目的是强调全球正在进行的监测应用的类型。它解释了为什么分层观察系统比单一监测平台更有效还处理了与实现分层框架相关的机遇和挑战。

图1典型集水区的示意图表示

1.3基于流域的监测方法的证据

集水区水质监测需要实时、高分辨率的数据，以维持水质，并对集水区可能面临的威胁提供警报。不同的监测技术可以与信息和通信技术(ICT)和先进的数据分析技术相结合，以提供广泛的长期数据集。

图2 一种分级监测集水区的方法。结合监控的各个方面，获得一个完整的监控框架

这些可以通过有效降低管理和传输成本，帮助流域监测的决策过程(Park等，2020)。原位传感器提供快速、完备和可靠的环境监测。它们提供了接近真实或实时的环境水污染参数分析。这些设备(如表1所示)可用于现场测量或设置，允许在高度时间频率下收集许多数据点。遥感技术通过使用可以收集遥感图像的相机，测量该地区的反射和发射辐射(Roy等，2017)。这些监测平台可以与ICT和先进的数据分析技术相结合，以提供广泛连续的长期数据集，以较低的成本进行有效传输和管理数据，帮助支持涉及流域监测的决策过程(Park等，2020)。可以看出(表1)有一系列的技术解决不同的水质参数。分析范围、健壮性和操作参数会影响它们在监测中的使用。

表1目前市场上已用于集水监测研究的商用水质监测传感器清单。Ftu =， ntu =

表2列出了利用现场测量资料进行的集水区监测研究。可以看到，有许多长期的研究使用了原位传感器，并且在所有情况下都测量了不止一个参数。

表2在集水区进行水质监测

Wylye和SEM研究(Lloyd等，2016)被用于调查风暴事件。这是一项为期24个月的研究，允许收集足够的时间数据(每15-30分钟)，以评估水文行为及其对两个不同流域营养物和沉积物的带动和运输的影响。McGrane等人(2017)研究了流域对极端风暴事件的反应以及此类事件期间不同土地利用的水文动态。该研究在2013-2014年冬季进行，为期4个月。在此期间发生了极端风暴事件。使用现场监测可以观测日常的变化，而这些变化通常会被忽略。Shore等人(2016)在4年的监测期间逐小时监测(TP)、总活性磷(TRP)、总有机氮(TON)和悬浮物(SS)，以收集高分辨率数据。对瑞典108条河流的研究也强调了在流域监测中使用原位设备的价值。Blaen等人(2017)还报告了风暴甚至对流域内养分和水流通量的动态变化行为。这项工作描述了当原位设备采用低分辨率的取样运动时，往往没有记录短期水文动态。同样，在Villa等人(2019)报告的2年研究中，使用了与常规监测并行的SS和TP浊度的高频监测。结果发现，每两周采集一次的样本存在着沉积物和养分负荷有被低估的风险，不能检测沉积物和养分的时间动态变化。与本研究相比，Stutter等人(2017)调查了风暴事件导致的悬浮固体(SS)和颗粒磷酸盐(PP)负荷，以及通过流域管理如何影响这一负荷的问题。本研究为期2年，采用密集抽样和半连续监测的方法。传感装置在模型的校准和建立中发挥了关键作用，该模型用于调查泥沙和养分的输送路径，并确定Baldardo流域内的养分通量。芬兰西南部的Savijoki流域研究(Linjama等，2009)和德国Saarland流域研究(Meyer，2019年)都强调了使用原位传感设备的重要性。然而，这些设备的缺点则为传感器维护不便、由于生物污染导致的数据不可靠和功耗过大等。

表3常用水质参数及其遥感监测方法一览表

表4集水区水质的遥感和模拟

表3概述了远程监测平台及其相关的传感技术和模式。本综述的遥感技术包括卫星、航空和基于无人机的平台。这些平台能够容纳传感器及其包含的成像技术。表4显示了利用遥感监测集水区水质的情况。就卫星而言，这些研究中收集的数据包括一次性图像到长期图像(Mouri等，2011)。评估的类型包括颜色、降雨、土地覆盖等。陆地卫星系列的卫星资料以大约16天的频率回收。最近的卫星实现了创新，如“哨兵”，提供了10天的重访时间和5天的星座组合频率。从表4列出的这些研究中可以清楚地看出，卫星图像可以提供有价值的信息，然而，星座组合频率可能并不总是与研究相结合。此外，正如爱尔兰的研究(诺顿等，2017)所证明的那样，要想获得高质量的图像，云

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