基于无线传感器网络与GIS的蓝藻水华爆发动态监测与模拟

第32卷第24期农业工程学报Vol.32No.242016年12月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringDec.2016197基于无线传感器网络与GIS的蓝藻水华爆发动态监测与模拟杨昆1,2，罗毅1,2,3※，徐玉妃1,2，商春雪4，杨扬1,2（1.云南师范大学信息学院，昆明650500；2.西部资源环境地理信息技术教育部工程研究中心，昆明650500；3.云南师范大学旅游与地理科学学院，昆明650500；4.云南师范大学教务处，昆明650500）摘要：准确获取水体中物质含量与分布区域是开展蓝藻水华爆发预防、预测、预警工作的基础。针对内陆湖泊蓝藻水华爆发突发性、随机性、区域性等特点，研究了一种基于无线传感器网络（wirelesssensorsnetworks，WSNs）及地理信息系统（GeographicInformationSystem，GIS）相结合的蓝藻水华爆发动态监测与模拟方法。利用水质传感器组成多源异构水环境感知单元，获取湖泊水质数据；将改进的灰色理论（AGreyModel，AGM）及BP人工神经网络（BPArtificialNeuralNetwork，BPANN）相结合，从而预测24h内蓝藻水华的浓度与趋势；结合GIS强大的空间分析能力，实现蓝藻水华变化的空间描述。滇池现场试验结果表明，该方法具有一定的普适性，能够为湖泊环境保护与治理提供理论依据及数据支持。关键词：污染；无线传感器网络；地理信息系统；灰色理论；人工神经网络doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.026中图分类号：TH89文献标志码：A文章编号：1002-6819(2016)-24-0197-09杨昆，罗毅，徐玉妃，商春雪，杨扬.基于无线传感器网络与GIS的蓝藻水华爆发动态监测与模拟[J].农业工程学报，2016，32(24)：197－205.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.026http://www.tcsae.orgYangKun,LuoYi,XuYufei,ShangChunxue,YangYang.DynamicmonitoringandsimulationofCyanobacteriaBloombasedonwirelesssensornetworkandGIS[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2016,32(24):197－205.(inChinesewithEnglishabstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.026http://www.tcsae.org0引言随着中国城镇化的快速推进、人类活动的不断扩张、全球气候变暖，内陆湖泊水污染问题变得越来越严重和复杂，富营养化越来越严重，形成以点源污染与非点源污染、内源污染与外源污染相结合的趋势，湖泊流域生态系统遭到了严重的破坏，蓝藻水华爆发日趋频繁，阻碍了流域社会经济可持续发展[1-2]。湖泊水体富营养化已不是完全的自然过程的结果，而是人文过程与自然过程相互作用、相互影响后的综合结果。水质监测是水资源保护与治理的“眼睛”，是预测蓝藻水华爆发与强度评估的基础。随着科技的不断进步，湖泊水质监测手段和监测内容在不断地丰富，同时，监测精度也在不断地提高[3-4]。目前，内陆湖泊水质监测手段可大致分为间接监测与直接监测2种。具有代表性的间接监测方法为基于遥感（remotesensing，RS）技术的水质监测，由于其具有宏观性、时效性、经济性等特点，收稿日期：2016-04-01修订日期：2016-04-29基金项目：国家863计划（2012AA121402）；教育部博士点专项基金（20115303110002）；云南省自然科学基金青年项目（2016FD020）；云南师范大学博士科研启动项目（01000205020503066）作者简介：杨昆，教授，博士生导师，武汉大学地图制图学与地理信息工程专业博士生导师，十二五期间863专家组成员，研究方向为地图制图学与地理信息工程。昆明云南师范大学信息学院，650500。Email：kmdcynu@163.com※通信作者：罗毅，博士，讲师，硕导，主要研究方向为无线传感器网络，地理信息系统。昆明云南师范大学信息学院，650500。Email：luoyi861030@163.com成为了湖泊研究强有力的技术手段，并已从最初的水域识别逐渐发展到水质监测与预测。随着遥感技术研究的不断深入，逐渐从水质定性研究发展到了定量分析，可监测的水质