基于GIS的河流水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

1、基于GIS的河道水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測體系摘要針對如今水質(zhì)監(jiān)測本領的缺陷，本文將嵌入式體系、TP/IP、水質(zhì)模子和GIS技能結(jié)合起來，提出一種基于GIS的河道水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測體系，并詳細形貌了體系的實現(xiàn)及動態(tài)監(jiān)測的歷程。關鍵詞GIS嵌入式體系TP/IP水質(zhì)模子動態(tài)監(jiān)測1弁言如今環(huán)保部分重要通過監(jiān)測站點來網(wǎng)羅數(shù)據(jù)，然后在監(jiān)測中央通過水質(zhì)模子對這些數(shù)據(jù)舉行處置懲罰闡發(fā)以到達對河道水質(zhì)狀態(tài)的監(jiān)測。而這些站點疏散度較大，所網(wǎng)羅的河道水質(zhì)數(shù)據(jù)比力單方面，不克不及反響整個河道的水質(zhì)狀態(tài)；加上傳送闡發(fā)本領落伍，監(jiān)測的效果總是滯后于水質(zhì)變革，不克不及及時反響河道水質(zhì)的動態(tài)狀態(tài)1。因此研制一種可以或許及時反響河道水質(zhì)的體系非

2、常需要。隨著盤算機技能、通訊技能和GIS地理信息體系技能的生長，使得研制這種體系成為大概。本文就是基于這些技能，提出一種基于GIS的河道水質(zhì)動態(tài)的監(jiān)測體系，這個體系可以或許及時反響水質(zhì)的狀態(tài)。2體系的總體方案體系總體框圖如圖1。整個體系由監(jiān)測中央和數(shù)據(jù)網(wǎng)羅終端兩部分構(gòu)成。監(jiān)測中央是整個體系的辦事器，運行GIS體系；數(shù)據(jù)網(wǎng)羅終端即嵌入式體系，舉行河道水質(zhì)數(shù)據(jù)的實地網(wǎng)羅。由于河道水質(zhì)監(jiān)測覆蓋的范疇廣，GIS體系與數(shù)據(jù)網(wǎng)羅終端之間通過TP/IP舉行互聯(lián)通訊。數(shù)據(jù)網(wǎng)羅終端通過TP/IP來實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠間隔的可靠傳輸，監(jiān)測中央GIS吸收全部終端網(wǎng)羅的河道水質(zhì)數(shù)據(jù)，對水質(zhì)數(shù)據(jù)舉行存儲、闡發(fā)、辦理、查詢和表現(xiàn)以

3、及辦理全部網(wǎng)羅終端。圖1體系總體框圖3GIS體系的實現(xiàn)GIS即地理信息體系，是集地理學、多少學、盤算機學等科學于一體，使用圖形技能和數(shù)據(jù)庫技能，對空間信息及其屬性信息舉行網(wǎng)羅、存儲、闡發(fā)辦理和表現(xiàn)的體系2。它重要的特點是辦理空間工具，可以或許將種種空間位置、空間漫衍以及空間干系通過數(shù)字輿圖表現(xiàn)出來345。本方案中，使用GIS對河道水質(zhì)數(shù)據(jù)舉行存儲、闡發(fā)、模擬和表現(xiàn)，實現(xiàn)對河道水質(zhì)的監(jiān)測。整個體系由數(shù)據(jù)庫、GIS可視化界面以及水質(zhì)模子構(gòu)成。體系框圖如圖2。圖2GIS體系框圖GIS可視化界面直接辦理空間工具，表現(xiàn)空間工具的空間位置、空間漫衍等空間屬性，并通過關聯(lián)空間屬性來表現(xiàn)空間工具的非空間屬性數(shù)

4、據(jù)。這些空間屬性和非空間屬性別離以空間數(shù)據(jù)庫和非空間數(shù)據(jù)庫舉行辦理?？臻g數(shù)據(jù)庫辦理GIS的種種空間數(shù)據(jù)，包羅地形圖、種種專題輿圖，流域、嵌入式體系終端、污染源等工具的地理位置坐標、外形等。非空間屬性數(shù)據(jù)庫通過SQL數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)，辦理種種非空間屬性數(shù)據(jù)，包羅水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)如河道流量、流速、溶解氧D等、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、社會屬性數(shù)據(jù)如經(jīng)濟狀態(tài)、產(chǎn)業(yè)布局、水體水質(zhì)尺度等等。GIS可視化界面通過數(shù)據(jù)庫提供的種種尺度數(shù)據(jù)庫接口，讀取數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，并通過空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)作用，在GIS界面舉行配合闡發(fā)和表現(xiàn)等處置懲罰。同時，通過與數(shù)據(jù)庫的彼此作用，GIS實現(xiàn)了查詢、定位、闡發(fā)、模擬和預

5、警等成效。水質(zhì)模子是污染物在水環(huán)境中的變革紀律及影響因素之間彼此干系的數(shù)學形貌，是水質(zhì)監(jiān)測的緊張本領之一6。本年來種種多變量綜合水質(zhì)模子得到研究和應用，如美國國度環(huán)保局開拓的QUAL模子系列，丹麥水動力研究所開拓的IKE模子系列78。這些水質(zhì)模子非常過細地形貌了污染物在水體中的遷徙和轉(zhuǎn)化歷程，但參數(shù)浩繁，布局龐大。方案中按照現(xiàn)實的必要對綜合水質(zhì)模子舉行必然的簡化，實現(xiàn)了零維、多維水質(zhì)模子和水環(huán)境容量模子?，F(xiàn)實上水質(zhì)模子處置懲罰的工具是流域，是空間工具，因此方案中將水質(zhì)模子完全集成在GIS中，成為GIS的一部分成效。GIS可以或許直接使用水質(zhì)模子對水質(zhì)數(shù)據(jù)舉行闡發(fā)模擬，而模擬的效果可以直接在GI

6、S可視化界面上表現(xiàn)；如許補充了水質(zhì)模子在表達方面的不敷和GIS在闡發(fā)模擬方面的不敷。4嵌入式體系的實現(xiàn)嵌入式體系是以應用為中央，軟件硬件可淘汰的盤算機體系，具有集成度高、本錢低、支持種種及時操縱體系以及網(wǎng)絡成效等長處910。本方案中接納嵌入式體系舉行田野水質(zhì)數(shù)據(jù)網(wǎng)羅，并通過TP/TP將網(wǎng)羅數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測。按照實現(xiàn)成效的差異，體系分別為處置懲罰器模塊、存儲模塊、數(shù)據(jù)網(wǎng)羅模塊、網(wǎng)絡模塊和其他外設接口。體系模塊分別圖如圖3。每一模塊由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，它們一起完成特定的成效。圖3嵌入式體系框圖處置懲罰器模塊是整個體系的焦點，由低價位、低功耗的32位核AR7TDI和及時操縱體系/S-II構(gòu)成，重要

7、賣力外部硬件裝備的辦理、外部停頓操縱、使命的調(diào)理和各個成效模塊之間的通訊和信息互換。全部別的模塊的軟件都在操縱體系的底子上實現(xiàn)和運行，是具有差異的優(yōu)先級的使命，任一時候處于就寢態(tài)、停當態(tài)、運行態(tài)、等候態(tài)及停頓態(tài)的狀態(tài)之一。操縱體系通過發(fā)送郵箱布局消息來操縱各個模塊狀態(tài)。數(shù)據(jù)存儲模塊由存儲器和文件體系構(gòu)成，賣力步伐和網(wǎng)羅數(shù)據(jù)的存放。存儲器接納2FlashR+16NandFlash+8Sdra，此中2FlashR用來存放體系的引導步伐，16NandFlash賣力存貯步伐以及數(shù)據(jù)，8Sdra賣力步伐運行和數(shù)據(jù)存貯等使命。針對NandFlash，方案中實現(xiàn)了Fat16格式的文件體系。文件體系將體系使命

8、與數(shù)據(jù)分開存儲，如許制止了存儲與讀寫數(shù)據(jù)時影響體系；而且提供尺度的API接口以及引入高速讀寫緩沖，制止了使命直接對NandFlash讀寫，辦理了PU和Flash存儲器之間讀取數(shù)據(jù)的速率題目。數(shù)據(jù)網(wǎng)羅模塊由種種傳感器、數(shù)據(jù)網(wǎng)羅使命以及數(shù)據(jù)處置懲罰使命構(gòu)成，賣力種種數(shù)據(jù)的網(wǎng)羅和處置懲罰事情。水質(zhì)監(jiān)測中，傳感器網(wǎng)羅的數(shù)據(jù)重要是水質(zhì)綜合指標如溶解氧D、水質(zhì)污問鼎標如生化需氧量BD、化學需氧量D以及水文參數(shù)流速和流量。數(shù)據(jù)網(wǎng)羅使命重要完成模擬量網(wǎng)羅、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)字量處置懲罰等成效。它通常處于等候狀態(tài)，等候包羅操縱參數(shù)的消息。操縱參數(shù)重要是接納頻率、通道的選擇以及啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。同時為數(shù)據(jù)網(wǎng)羅使命方案

9、一個4K容量的環(huán)型堆棧，用降臨時保存采樣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處置懲罰使命大多時間處于空閑狀態(tài)，具有與數(shù)據(jù)網(wǎng)羅使命同樣巨細的堆棧，當必要立即傳送數(shù)據(jù)時才被調(diào)用。網(wǎng)絡模塊由網(wǎng)卡芯片8019as、嵌入式TP/IP協(xié)議以及網(wǎng)絡使命構(gòu)成，重要完成網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)發(fā)送和吸收以及與監(jiān)測中央GIS體系舉行通訊。本體系參照UNIX的TP/IP協(xié)議，實現(xiàn)的TP/IP的全部根本協(xié)議。整個TP/IP分為應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層和數(shù)據(jù)鏈路層；此中網(wǎng)絡層由TP協(xié)媾和IP協(xié)議構(gòu)成，數(shù)據(jù)鏈路層由網(wǎng)卡驅(qū)動步伐和ARP協(xié)議構(gòu)成。各個層之間操縱是互相斷絕的，通過調(diào)用API接口函數(shù)舉行通訊,把必要處置懲罰的數(shù)據(jù)傳送給上層大概下層協(xié)議。同時，體系保存了

10、一些外設接口，以便以后體系成效的擴展和晉級。5嵌入式體系運行歷程嵌入式體系上電后，啟動FlashR中的BtLader對PU舉行初始化以及網(wǎng)卡等硬件自檢；接著開始將NandFlash中的操縱體系內(nèi)核以及應用步伐使命拷貝到Sdra中。完畢后操縱體系得到PU操縱權，開始了操縱體系和應用步伐使命的初始化操縱。起首初始化全部數(shù)據(jù)布局，分派堆?？臻g，創(chuàng)立消息行列，創(chuàng)立使命等；接著讀取存儲在文件體系中的體系運行狀態(tài)參數(shù)，這些參數(shù)包羅各個使命的運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)網(wǎng)羅的采樣頻率、長途主機的IP地點，當?shù)氐哪J網(wǎng)關和體系的登岸暗碼等體系信息，并對使命舉行參數(shù)調(diào)解。體系初始化后，各個使命處于就寢狀態(tài)，必需通過消息來激活

11、。6水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測的實現(xiàn)水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測的實現(xiàn)是通過TP/IP將田野網(wǎng)羅的水質(zhì)數(shù)據(jù)及時傳送到監(jiān)測中央，監(jiān)測中央將吸收到的水質(zhì)數(shù)據(jù)顛末必然的闡發(fā)處置懲罰后在GIS上表現(xiàn)，以到達動態(tài)監(jiān)測的作用。整個水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測分為兩個部分：水質(zhì)數(shù)據(jù)的及時網(wǎng)羅傳送和水質(zhì)數(shù)據(jù)的動態(tài)表現(xiàn)。6.1水質(zhì)數(shù)據(jù)的及時網(wǎng)羅傳送水質(zhì)數(shù)據(jù)的及時網(wǎng)羅傳送由數(shù)據(jù)網(wǎng)羅使命、數(shù)據(jù)處置懲罰使命、網(wǎng)絡使命、操縱體系使命和文件體系配合完成。通常環(huán)境下數(shù)據(jù)網(wǎng)羅使命處于就寢延時等候狀態(tài)，延不時間到數(shù)據(jù)網(wǎng)羅使命被激活，舉行一次數(shù)據(jù)網(wǎng)羅并將數(shù)據(jù)保存在本身的堆棧中，完畢后重新進入就寢等候狀態(tài)。本方案中延時一次為10s，即10s網(wǎng)羅一次?？梢酝ㄟ^改變網(wǎng)羅使命的延不

12、時間來改變整個體系的采樣頻率。一次數(shù)據(jù)網(wǎng)羅完畢后，對堆棧中的數(shù)據(jù)有兩種處置懲罰方法，一種是立即傳送方法，另一種是正常處置懲罰方法。立即傳送方法重要監(jiān)測污染變亂對河道水質(zhì)的影響。當出現(xiàn)嚴峻污染變亂時，必要及時快速的相識水質(zhì)狀態(tài)，監(jiān)測中央通過網(wǎng)絡向嵌入式網(wǎng)羅終端發(fā)送一個立即傳送下令，操縱體系使命對下令舉行處置懲罰斷定后發(fā)消息激活數(shù)據(jù)處置懲罰使命，數(shù)據(jù)處置懲罰使命將網(wǎng)羅使命堆棧中的數(shù)據(jù)讀到本身的堆棧中，讀完后清空網(wǎng)羅使命堆棧并進入就寢狀態(tài)。接著操縱體系使命發(fā)消息激活網(wǎng)絡使命，網(wǎng)絡使命將數(shù)據(jù)處置懲罰使命堆棧中的數(shù)據(jù)讀到網(wǎng)卡緩沖區(qū)，讀完后清空數(shù)據(jù)處置懲罰使命堆棧，TP/IP開始發(fā)送數(shù)據(jù)。這種方法網(wǎng)羅一次

13、數(shù)據(jù)就傳送一次，及時性好，但是占用太多的體系資源和網(wǎng)絡資源。正常處置懲罰方法即按方案好的方法舉行數(shù)據(jù)傳送。一次采樣完畢后，假設采樣使命堆棧未滿那么繼承下次采樣，直到堆棧滿。滿后調(diào)用文件體系，將堆棧中的數(shù)據(jù)以文件情勢存儲在Flash中。且網(wǎng)絡使命每隔2小時被擊激活，將Flash中的數(shù)據(jù)讀到網(wǎng)卡緩沖區(qū)，接著發(fā)送數(shù)據(jù)。這種方法制止了因過多的數(shù)據(jù)讀寫以及數(shù)據(jù)傳送而占用體系資源。數(shù)據(jù)網(wǎng)羅傳送歷程流程圖如圖4。圖4數(shù)據(jù)網(wǎng)羅傳送歷程流程圖6.2水質(zhì)數(shù)據(jù)的動態(tài)表現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的動態(tài)表現(xiàn)就是對水質(zhì)數(shù)據(jù)舉行闡發(fā)和處置懲罰后，在GIS可視化界面上動態(tài)表現(xiàn)。監(jiān)測中央吸收到水質(zhì)數(shù)據(jù)后，GIS按必然的規(guī)矩對數(shù)據(jù)舉行驗證，切合

14、規(guī)矩的有用數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中?？梢暬缑嫱ㄟ^數(shù)據(jù)庫API接口將存儲的數(shù)據(jù)讀出，舉行匯總等處置懲罰；然后調(diào)用水質(zhì)模子舉行闡發(fā)和模擬，并將闡發(fā)模擬的效果以差異顏色動態(tài)表如今GIS可視化界面上。如圖5是通過水容量模子對湘江長沙段某一時間段水質(zhì)模擬效果的表現(xiàn)，可以直接斷定出各個監(jiān)測段的污染狀態(tài)。圖5水質(zhì)模擬效果的表現(xiàn)6總結(jié)本文提出了一種基于GIS的河道水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測體系，它實現(xiàn)了在無人職守的環(huán)境下舉行田野河道水質(zhì)數(shù)據(jù)的主動網(wǎng)羅和傳送；而且通過將水質(zhì)模子集成在GIS中，充實使用了GIS的表達本領和水質(zhì)模子的模擬闡發(fā)能，可以或許及時反響水質(zhì)的狀態(tài)，到達對河道水質(zhì)的動態(tài)監(jiān)測。參考文獻1李怡庭.天下水質(zhì)監(jiān)測方案概述J.中國水利，2022.7.2羅云啟，曾琨等.數(shù)字化地理信息體系建立與apinf高級應用.北京：清華大學出書社，2022.3莊重.開放的面向工具地理信息體系內(nèi)核的數(shù)據(jù)模子及實現(xiàn)技能武漢大學博士論文D.2002.5曹志月，劉岳.一種面向工具的時空數(shù)據(jù)模子J.測繪學報.2002-1.8郭勁松