基于GIS的河流水質動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

1、基于GIS的河流水質動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)摘要針對目前水質監(jiān)測手段的缺陷，本文將嵌入式系統(tǒng)、TP/IP、水質模型和GIS技術結合起來，提出一種基于GIS的河流水質動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并詳細描繪了系統(tǒng)的實現(xiàn)及動態(tài)監(jiān)測的過程。關鍵詞GIS嵌入式系統(tǒng)TP/IP水質模型動態(tài)監(jiān)測1引言目前環(huán)保部門主要通過監(jiān)測站點來采集數(shù)據(jù)，然后在監(jiān)測中心通過水質模型對這些數(shù)據(jù)進展處理分析以到達對河流水質狀況的監(jiān)測。而這些站點分散度較大，所采集的河流水質數(shù)據(jù)比擬片面，不能反映整個河流的水質狀況；加上傳送分析手段落后，監(jiān)測的結果總是滯后于水質變化，不能及時反映河流水質的動態(tài)狀況1。因此研制一種可以實時反映河流水質的系統(tǒng)非常必要。隨著計算機

2、技術、通信技術和GIS地理信息系統(tǒng)技術的開展，使得研制這種系統(tǒng)成為可能。本文就是基于這些技術，提出一種基于GIS的河流水質動態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可以及時反映水質的狀況。2系統(tǒng)的總體設計系統(tǒng)總體框圖如圖1。整個系統(tǒng)由監(jiān)測中心和數(shù)據(jù)采集終端兩局部組成。監(jiān)測中心是整個系統(tǒng)的效勞器，運行GIS系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集終端即嵌入式系統(tǒng)，進展河流水質數(shù)據(jù)的實地采集。由于河流水質監(jiān)測覆蓋的范圍廣，GIS系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集終端之間通過TP/IP進展互聯(lián)通訊。數(shù)據(jù)采集終端通過TP/IP來實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠間隔 的可靠傳輸，監(jiān)測中心GIS接收所有終端采集的河流水質數(shù)據(jù)，對水質數(shù)據(jù)進展存儲、分析、管理、查詢和顯示以及管理所有采集終端。

3、圖1系統(tǒng)總體框圖3GIS系統(tǒng)的實現(xiàn)GIS即地理信息系統(tǒng)，是集地理學、幾何學、計算機學等科學于一體，利用圖形技術和數(shù)據(jù)庫技術，對空間信息及其屬性信息進展采集、存儲、分析管理和顯示的系統(tǒng)2。它主要的特點是管理空間對象，可以將各種空間位置、空間分布以及空間關系通過數(shù)字地圖顯示出來345。本設計中，利用GIS對河流水質數(shù)據(jù)進展存儲、分析、模擬和顯示，實現(xiàn)對河流水質的監(jiān)測。整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、GIS可視化界面以及水質模型組成。系統(tǒng)框圖如圖2。圖2GIS系統(tǒng)框圖GIS可視化界面直接收理空間對象，顯示空間對象的空間位置、空間分布等空間屬性，并通過關聯(lián)空間屬性來顯示空間對象的非空間屬性數(shù)據(jù)。這些空間屬性和非空間

4、屬性分別以空間數(shù)據(jù)庫和非空間數(shù)據(jù)庫進展管理?？臻g數(shù)據(jù)庫管理GIS的各種空間數(shù)據(jù)，包括地形圖、各種專題地圖，流域、嵌入式系統(tǒng)終端、污染源等對象的地理位置坐標、形狀等。非空間屬性數(shù)據(jù)庫通過SQL數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)，管理各種非空間屬性數(shù)據(jù)，包括水質監(jiān)測數(shù)據(jù)如河流流量、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)濟狀況、工業(yè)布局、水體水質標準等等。GIS可視化界面通過數(shù)據(jù)庫提供的各種標準數(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界面進展共同分析和顯示等處理。同時，通過與數(shù)據(jù)庫的互相作用，GIS實現(xiàn)了查詢、定位、分析、模擬和預警等功能。水質模型是污染物在

5、水環(huán)境中的變化規(guī)律及影響因素之間互相關系的數(shù)學描繪，是水質監(jiān)測的重要手段之一6。今年來各種多變量綜合水質模型得到研究和應用，如美國國家環(huán)保局開發(fā)的QUAL模型系列，丹麥水動力研究所開發(fā)的IKE模型系列78。這些水質模型非常細致地描繪了污染物在水體中的遷移和轉化過程，但參數(shù)眾多，構造復雜。設計中根據(jù)實際的需要對綜合水質模型進展一定的簡化，實現(xiàn)了零維、多維水質模型和水環(huán)境容量模型。實際上水質模型處理的對象是流域，是空間對象，因此設計中將水質模型完全集成在GIS中，成為GIS的一局部功能。GIS可以直接利用水質模型對水質數(shù)據(jù)進展分析模擬，而模擬的結果可以直接在GIS可視化界面上顯示；這樣彌補了水質模

6、型在表達方面的缺乏和GIS在分析模擬方面的缺乏。4嵌入式系統(tǒng)的實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，軟件硬件可裁減的計算機系統(tǒng)，具有集成度高、本錢低、支持各種實時操作系統(tǒng)以及網(wǎng)絡功能等優(yōu)點910。本設計中采用嵌入式系統(tǒng)進展野外水質數(shù)據(jù)采集，并通過TP/TP將采集數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測。根據(jù)實現(xiàn)功能的不同，系統(tǒng)劃分為處理器模塊、存儲模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡模塊和其他外設接口。系統(tǒng)模塊劃分圖如圖3。每一模塊由硬件和軟件兩局部組成，它們一起完成特定的功能。圖3嵌入式系統(tǒng)框圖處理器模塊是整個系統(tǒng)的核心，由低價位、低功耗的32位核AR7TDI和實時操作系統(tǒng)/S-II構成，主要負責外部硬件設備的管理、外部中斷控制、任務的

7、調度和各個功能模塊之間的通訊和信息交換。所有其它模塊的軟件都在操作系統(tǒng)的根底上實現(xiàn)和運行，是具有不同的優(yōu)先級的任務，任一時刻處于睡眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、等待態(tài)及中斷態(tài)的狀態(tài)之一。操作系統(tǒng)通過發(fā)送郵箱構造消息來控制各個模塊狀態(tài)。數(shù)據(jù)存儲模塊由存儲器和文件系統(tǒng)構成，負責程序和采集數(shù)據(jù)的存放。存儲器采用2FlashR+16NandFlash+8Sdra，其中2FlashR用來存放系統(tǒng)的引導程序，16NandFlash負責存貯程序以及數(shù)據(jù)，8Sdra負責程序運行和數(shù)據(jù)存貯等任務。針對NandFlash，設計中實現(xiàn)了Fat16格式的文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)將系統(tǒng)任務與數(shù)據(jù)分開存儲，這樣防止了存儲與讀寫數(shù)據(jù)時影

8、響系統(tǒng)；并且提供標準的API接口以及引入高速讀寫緩沖，防止了任務直接對NandFlash讀寫，解決了PU和Flash存儲器之間讀取數(shù)據(jù)的速度問題。數(shù)據(jù)采集模塊由各種傳感器、數(shù)據(jù)采集任務以及數(shù)據(jù)處理任務構成，負責各種數(shù)據(jù)的采集和處理工作。水質監(jiān)測中，傳感器采集的數(shù)據(jù)主要是水質綜合指標如溶解氧D、水質污染指標如生化需氧量BD、化學需氧量D以及水文參數(shù)流速和流量。數(shù)據(jù)采集任務主要完成模擬量采集、模數(shù)轉換以及數(shù)字量處理等功能。它通常處于等待狀態(tài)，等待包含控制參數(shù)的消息?？刂茀?shù)主要是采用頻率、通道的選擇以及啟動模數(shù)轉換器等。同時為數(shù)據(jù)采集任務設計一個4K容量的環(huán)型堆棧，用來暫時保存采樣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理任

9、務大多時候處于空閑狀態(tài)，具有與數(shù)據(jù)采集任務同樣大小的堆棧，當需要立即傳送數(shù)據(jù)時才被調用。網(wǎng)絡模塊由網(wǎng)卡芯片8019as、嵌入式TP/IP協(xié)議以及網(wǎng)絡任務構成，主要完成網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收以及與監(jiān)測中心GIS系統(tǒng)進展通信。本系統(tǒng)參照UNIX的TP/IP協(xié)議，實現(xiàn)的TP/IP的所有根本協(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；其中網(wǎng)絡層由TP協(xié)議和IP協(xié)議組成，數(shù)據(jù)鏈路層由網(wǎng)卡驅動程序和ARP協(xié)議組成。各個層之間操作是互相隔離的，通過調用API接口函數(shù)進展通訊,把需要處理的數(shù)據(jù)傳送給上層或者下層協(xié)議。同時，系統(tǒng)保存了一些外設接口，以便今后系統(tǒng)功能的擴展和晉級。5嵌入式系統(tǒng)運行過程

10、嵌入式系統(tǒng)上電后，啟動FlashR中的BtLader對PU進展初始化以及網(wǎng)卡等硬件自檢；接著開場將NandFlash中的操作系統(tǒng)內核以及應用程序任務拷貝到Sdra中。完畢后操作系統(tǒng)獲得PU控制權，開場了操作系統(tǒng)和應用程序任務的初始化操作。首先初始化所有數(shù)據(jù)構造，分配堆棧空間，建立消息隊列，建立任務等；接著讀取存儲在文件系統(tǒng)中的系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)，這些參數(shù)包括各個任務的運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集的采樣頻率、遠程主機的IP地址，本地的默認網(wǎng)關和系統(tǒng)的登陸密碼等系統(tǒng)信息，并對任務進展參數(shù)調整。系統(tǒng)初始化后，各個任務處于睡眠狀態(tài)，必須通過消息來激活。6水質動態(tài)監(jiān)測的實現(xiàn)水質動態(tài)監(jiān)測的實現(xiàn)是通過TP/IP將野外采

11、集的水質數(shù)據(jù)實時傳送到監(jiān)測中心，監(jiān)測中心將接收到的水質數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的分析處理后在GIS上顯示，以到達動態(tài)監(jiān)測的作用。整個水質動態(tài)監(jiān)測分為兩個局部：水質數(shù)據(jù)的實時采集傳送和水質數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。6.1水質數(shù)據(jù)的實時采集傳送水質數(shù)據(jù)的實時采集傳送由數(shù)據(jù)采集任務、數(shù)據(jù)處理任務、網(wǎng)絡任務、操作系統(tǒng)任務和文件系統(tǒng)共同完成。通常情況下數(shù)據(jù)采集任務處于睡眠延時等待狀態(tài)，延時時間到數(shù)據(jù)采集任務被激活，進展一次數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)保存在自己的堆棧中，完畢后重新進入睡眠等待狀態(tài)。本設計中延時一次為10s，即10s采集一次?？梢酝ㄟ^改變采集任務的延時時間來改變整個系統(tǒng)的采樣頻率。一次數(shù)據(jù)采集完畢后，對堆棧中的數(shù)據(jù)有兩種處

12、理方式，一種是立即傳送方式，另一種是正常處理方式。立即傳送方式主要監(jiān)測污染事故對河流水質的影響。當出現(xiàn)嚴重污染事故時，需要及時快速的理解水質狀況，監(jiān)測中心通過網(wǎng)絡向嵌入式采集終端發(fā)送一個立即傳送命令，操作系統(tǒng)任務對命令進展處理判斷后發(fā)消息激活數(shù)據(jù)處理任務，數(shù)據(jù)處理任務將采集任務堆棧中的數(shù)據(jù)讀到自己的堆棧中，讀完后清空采集任務堆棧并進入睡眠狀態(tài)。接著操作系統(tǒng)任務發(fā)消息激活網(wǎng)絡任務，網(wǎng)絡任務將數(shù)據(jù)處理任務堆棧中的數(shù)據(jù)讀到網(wǎng)卡緩沖區(qū)，讀完后清空數(shù)據(jù)處理任務堆棧，TP/IP開場發(fā)送數(shù)據(jù)。這種方式采集一次數(shù)據(jù)就傳送一次，實時性好，但是占用太多的系統(tǒng)資源和網(wǎng)絡資源。正常處理方式即按設計好的方式進展數(shù)據(jù)傳送

13、。一次采樣完畢后，假如采樣任務堆棧未滿那么繼續(xù)下次采樣，直到堆棧滿。滿后調用文件系統(tǒng)，將堆棧中的數(shù)據(jù)以文件形式存儲在Flash中。且網(wǎng)絡任務每隔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)。這種方式防止了因過多的數(shù)據(jù)讀寫以及數(shù)據(jù)傳送而占用系統(tǒng)資源。數(shù)據(jù)采集傳送過程流程圖如圖4。圖4數(shù)據(jù)采集傳送過程流程圖6.2水質數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示水質數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示就是對水質數(shù)據(jù)進展分析和處理后，在GIS可視化界面上動態(tài)顯示。監(jiān)測中心接收到水質數(shù)據(jù)后，GIS按一定的規(guī)那么對數(shù)據(jù)進展驗證，符合規(guī)那么的有效數(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，進展匯總等處理；然后調用水

14、質模型進展分析和模擬，并將分析模擬的結果以不同顏色動態(tài)顯示在GIS可視化界面上。如圖5是通過水容量模型對湘江長沙段某一時間段水質模擬結果的顯示，可以直接判斷出各個監(jiān)測段的污染狀況。圖5水質模擬結果的顯示6總結本文提出了一種基于GIS的河流水質動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，它實現(xiàn)了在無人職守的情況下進展野外河流水質數(shù)據(jù)的自動采集和傳送；并且通過將水質模型集成在GIS中，充分利用了GIS的表達才能和水質模型的模擬分析能，可以實時反映水質的狀況，到達對河流水質的動態(tài)監(jiān)測。參考文獻1李怡庭.全國水質監(jiān)測規(guī)劃概述J.中國水利，2022.7.2羅云啟，曾琨等.數(shù)字化地理信息系統(tǒng)建立與apinf高級應用.北京：清華大學出版

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