基于WebGIS的太湖梅梁灣水環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

徐亮魏宏農(nóng)陳湘軍

(1.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210093;2.江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,江蘇南京 210036;3.南京大學(xué),江蘇南京 210093)

基于WebGIS的太湖梅梁灣水環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

徐亮1,2魏宏農(nóng)2陳湘軍3

(1.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210093;2.江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,江蘇南京 210036;3.南京大學(xué),江蘇南京 210093)

近來(lái)年，太湖流域的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出，本文基于WebGIS理論，開(kāi)發(fā)集成化的太湖梅梁灣水環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)綜合分析和服務(wù)系統(tǒng)，為流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)警數(shù)據(jù)庫(kù)提供實(shí)時(shí)更新服務(wù)。監(jiān)測(cè)預(yù)警體系的構(gòu)建主要包括系統(tǒng)架構(gòu)研究、平臺(tái)設(shè)計(jì)研究、平臺(tái)日常維護(hù)應(yīng)用研究等，重點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)體系平臺(tái)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。太湖梅梁灣水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警平臺(tái)采用分布式計(jì)算的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，具有 “水質(zhì)查詢”、“模型預(yù)報(bào)”、“監(jiān)控預(yù)警”和“基礎(chǔ)數(shù)據(jù)”四大類十二項(xiàng)功能，初步具備了梅梁灣域水質(zhì)和藍(lán)藻水華實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。

WebGIS 太湖 梅梁灣 水環(huán)境監(jiān)測(cè) 預(yù)警平臺(tái)

圖1 系統(tǒng)技術(shù)模塊劃分

圖2 系統(tǒng)平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)圖

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，太湖流域的經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，給環(huán)境帶來(lái)了巨大壓力，造成了生態(tài)平臺(tái)的嚴(yán)重破壞和環(huán)境質(zhì)量的下降。按現(xiàn)行的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838-88》，20世紀(jì)90年代中期太湖水質(zhì)平均已達(dá)IV類，1/3湖區(qū)為V類，表現(xiàn)為平均每10年水質(zhì)下降一個(gè)級(jí)別，近10多年下降速度明顯加快。特別是2007、2008年太湖爆發(fā)的藍(lán)藻事件，其爆發(fā)時(shí)間早、規(guī)模強(qiáng)度大，后果已嚴(yán)重威脅了無(wú)錫等市的飲水安全，使經(jīng)濟(jì)遭受到巨大的損失。因此，防治湖泊水質(zhì)污染，保持生態(tài)平衡，以保證人類正常的生活環(huán)境，已成為現(xiàn)代社會(huì)最重要的問(wèn)題之一。

WebGIS又稱萬(wàn)維網(wǎng)地理信息系統(tǒng)，它是建立在Web技術(shù)上分布式環(huán)境下的地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在Internet/Intranet環(huán)境下存儲(chǔ)、處理、分析、顯示和應(yīng)用空間信息的功能[1]。目前，WebGIS主要針對(duì)工情等靜態(tài)信息的管理應(yīng)用較為廣泛，提供常規(guī)的信息查詢與位置服務(wù)。國(guó)外水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)亦被成功應(yīng)用于供水系統(tǒng)監(jiān)控管理和調(diào)水、水質(zhì)監(jiān)控預(yù)警等方面，但多為C/S結(jié)構(gòu)，并未基于GIS開(kāi)發(fā)。[2-4]本平臺(tái)依據(jù)WebGIS理論，以太湖梅梁灣為研究對(duì)象，旨在開(kāi)發(fā)集成化的太湖梅梁灣水環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)綜合分析和服務(wù)系統(tǒng)，為流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)警數(shù)據(jù)庫(kù)提供實(shí)時(shí)更新服務(wù)。實(shí)現(xiàn)污染監(jiān)控信息和水環(huán)境質(zhì)量預(yù)警信息的自動(dòng)采集、快速處理、實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)、及時(shí)報(bào)警等功能，供用戶靈活、方便地在線查看和生成各種水環(huán)境質(zhì)量評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警報(bào)告。結(jié)合3S系統(tǒng)應(yīng)用，提供WebGIS數(shù)據(jù)融合、專題圖生成等WebGIS數(shù)據(jù)集成功能，形成梅梁灣域監(jiān)控和水環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的綜合分析能力。

圖3 平臺(tái)界面布局

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

作為太湖梅梁灣水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警平臺(tái)系統(tǒng)，從總體方面考慮構(gòu)架一個(gè)覆蓋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析服務(wù)與系統(tǒng)集成的成套系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)構(gòu)架包括：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，負(fù)責(zé)提供功能服務(wù)的GIS服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器。該硬件系統(tǒng)通過(guò)TCP/IP為在線監(jiān)測(cè)工作站提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、為分析工程師工作站提供數(shù)據(jù)分析、為維護(hù)工程師工作站提供系統(tǒng)維護(hù)并且便于公網(wǎng)接入。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)模塊結(jié)構(gòu)

太湖梅梁灣水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警平臺(tái)系統(tǒng)建立以空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以WebGIS形式向用戶提供污染監(jiān)控信息和水環(huán)境質(zhì)量預(yù)警信息的自動(dòng)采集、快速處理、實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)、及時(shí)報(bào)警等功能(如圖1)。

1.3 平臺(tái)技術(shù)功能的實(shí)現(xiàn)

(1)采用分布式計(jì)算的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。太湖梅梁灣水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警平臺(tái)系統(tǒng)采用分布式計(jì)算的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，將不同功能模塊預(yù)定義的接口與平臺(tái)或者其他功能模塊聯(lián)系起來(lái)，并通過(guò)模塊化的技術(shù)提高平臺(tái)的可伸縮性，采用松耦合的方式，區(qū)別與緊耦合的方式，具有較高的靈活性。將大量基于各自功能模塊的異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，交換到平臺(tái)中心數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行統(tǒng)一管理調(diào)度，通過(guò)預(yù)定義的接口格式(基于XML的語(yǔ)言)實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源進(jìn)行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、部署、運(yùn)行應(yīng)用。(2)建立梅梁灣域水環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。預(yù)警平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)使用MircoSoft的商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)MS SQL Server 2008。在SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中建立各類型數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)以及模型數(shù)據(jù)交換表結(jié)構(gòu)，為各類環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)方法、計(jì)算模型等應(yīng)用分析提供基礎(chǔ)。(3)建立水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析WebService服務(wù)。WebService服務(wù)代理數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)、ArcGIS服務(wù)器訪問(wèn)的所有操作，前端的應(yīng)用程序都是基于WebService開(kāi)發(fā)。(4)實(shí)現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警報(bào)告自動(dòng)生成。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警報(bào)告通過(guò)用戶界面設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)綁定的方式，先定制出報(bào)表的樣式，再通過(guò)給元素設(shè)置自定義屬性的方式將各種數(shù)據(jù)源與之綁定，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示，報(bào)告中顯示的數(shù)據(jù)包含實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)劃分。(5)GIS空間數(shù)據(jù)融合。平臺(tái)采用ArcGIS作為空間數(shù)據(jù)服務(wù)器，使用微軟的Silverlight技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，借助于Silverlight良好的圖形處理能力，提供WebGIS數(shù)據(jù)融合、專題圖生成等WebGIS數(shù)據(jù)集成功能，形成梅梁灣域監(jiān)控和水環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的綜合分析能力。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 分布式計(jì)算的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

太湖梅梁灣水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警平臺(tái)采用分布式計(jì)算的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，滿足數(shù)據(jù)采集上傳、WebGIS數(shù)據(jù)集成、水質(zhì)模型和藍(lán)藻生消模型預(yù)報(bào)分析、監(jiān)控預(yù)警等級(jí)劃分和報(bào)告生成等多項(xiàng)功能，平臺(tái)既可以與各功能模塊統(tǒng)一運(yùn)行，同時(shí)又能保證其各功能模塊獨(dú)立開(kāi)發(fā)和穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)建立

(1)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)上，采用以數(shù)據(jù)字典為導(dǎo)向的二次索引方式進(jìn)行建模。將自動(dòng)監(jiān)測(cè)、手工監(jiān)測(cè)、遙感監(jiān)測(cè)等不同方式所獲得的各類數(shù)據(jù)納入到數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)一管理之中，為監(jiān)測(cè)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。太湖梅梁灣水環(huán)境監(jiān)測(cè)除了考慮水溫、pH、懸浮物、總硬度、透明度、總磷、總氮、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、揮發(fā)酚、氰化物、氟化物、六價(jià)鉻、總汞、總砷、鎘、鉛、銅、葉綠素a等，還進(jìn)一步考慮了鉀、鈉、鋅、硫酸鹽、氯化物、電導(dǎo)率、溶解性總固體、大腸菌群等數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)。(2)數(shù)據(jù)庫(kù)表建立。基本信息表中存儲(chǔ)的統(tǒng)計(jì)信息系指監(jiān)測(cè)站基本特征值數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)信息表中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是來(lái)自各水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的資料，包括各類水文要素的瞬時(shí)數(shù)據(jù)、日值、旬月及年統(tǒng)計(jì)值，該類表的大小隨數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)用不斷增長(zhǎng)。

2.3 WebServices技術(shù)架構(gòu)服務(wù)

傳統(tǒng)軟件接口實(shí)現(xiàn)形式是封閉式的，用戶必須進(jìn)入平臺(tái)內(nèi)部才能使用其功能和資源，外部程序無(wú)法使用這種封閉式平臺(tái)的資源，而通過(guò)WebServices這種新的軟件開(kāi)發(fā)理念，程序員能把系統(tǒng)的一些通用功能以接口的形式發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中，供其下應(yīng)用程序直接調(diào)用。這種結(jié)構(gòu)符合軟件開(kāi)發(fā)的高內(nèi)聚松耦合理念，底層操作對(duì)上層是透明。WebService發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)中，不僅為上層應(yīng)用提供服務(wù)接口，這些服務(wù)也能被其他應(yīng)用程序引用，為以后水專項(xiàng)系統(tǒng)向多平臺(tái)、多終端應(yīng)用擴(kuò)展提供可行的解決方案。

2.4 WebGIS數(shù)據(jù)集成

針對(duì)水環(huán)境監(jiān)控的特征，使用GIS服務(wù)器用于作為空間數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。在此空間數(shù)據(jù)庫(kù)中主要包含以下數(shù)據(jù)：(1)基礎(chǔ)空間信息數(shù)據(jù)：包括太湖所在區(qū)域的行政區(qū)劃圖、水系圖、地形圖等；(2)專題空間信息數(shù)據(jù)：主要包括監(jiān)測(cè)斷面信息、水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)等及預(yù)警預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)等；(3)圖像數(shù)據(jù)：包括數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字正射影像DOM等。

2.5 平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)及作用

太湖梅梁灣水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警平臺(tái)具有 “水質(zhì)查詢”、“模型預(yù)報(bào)”、“監(jiān)控預(yù)警”和“基礎(chǔ)數(shù)據(jù)”四大類十二項(xiàng)功能(如圖2)。

3 平臺(tái)界面布局

系統(tǒng)主界面主要由三個(gè)部分組成，上側(cè)為系統(tǒng)標(biāo)題區(qū)，主要用于顯示系統(tǒng)相關(guān)信息，左側(cè)為系統(tǒng)導(dǎo)航菜單，主要包括水質(zhì)查詢，模型預(yù)報(bào)，監(jiān)控預(yù)警和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)四個(gè)部分。右側(cè)為太湖梅梁灣WebGIS地圖界面，主要用于顯示地圖以及相關(guān)的數(shù)據(jù)信息(如圖3)。

4 平臺(tái)日常運(yùn)行和維護(hù)管理

(1)一般要求。平臺(tái)服務(wù)器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)保持各設(shè)備干凈清潔，內(nèi)部線路清晰通暢，保持環(huán)境溫度穩(wěn)定，避免設(shè)備振動(dòng)。日常應(yīng)經(jīng)常檢查其供電是否正常、過(guò)程溫度是否正常、工作時(shí)序是否正常、是否需要更換備件。平臺(tái)服務(wù)器現(xiàn)場(chǎng)配備必要的操作手冊(cè)、管理規(guī)章和現(xiàn)場(chǎng)記錄本等。(2)定期遠(yuǎn)程測(cè)試。技術(shù)人員每?jī)商煲淮瓮ㄟ^(guò)平臺(tái)遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)功能，測(cè)試內(nèi)容包括：自動(dòng)數(shù)據(jù)功能和考核指標(biāo)檢查；遙感數(shù)據(jù)功能和考核指標(biāo)檢查；手工數(shù)據(jù)功能和考核指標(biāo)檢查；綜合查詢功能和考核指標(biāo)檢查；水質(zhì)模型功能和考核指標(biāo)檢查；藍(lán)藻模型功能和考核指標(biāo)檢查；預(yù)警閥值功能和考核指標(biāo)檢查；預(yù)警等級(jí)功能和考核指標(biāo)檢查；監(jiān)控報(bào)告功能和考核指標(biāo)檢查；預(yù)警報(bào)告功能和考核指標(biāo)檢查；質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)功能和考核指標(biāo)檢查；相關(guān)成果功能和考核指標(biāo)檢查；(3)定期檢查平臺(tái)可靠性考核指標(biāo)。每周定期檢查平臺(tái)可靠性考核指標(biāo)1次，可根據(jù)實(shí)際情況增加，主要作業(yè)內(nèi)容包括：檢查平臺(tái)是否24小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行；實(shí)現(xiàn)平臺(tái)可重新啟動(dòng)服務(wù)器或操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失；提供對(duì)服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程應(yīng)用的調(diào)試；(4)停機(jī)維護(hù)。①短時(shí)間停機(jī)(停機(jī)時(shí)間小于24小時(shí))：一般關(guān)機(jī)即可，再次運(yùn)行時(shí)服務(wù)器需重新校準(zhǔn)。②長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)(連續(xù)停機(jī)時(shí)間超過(guò)24小時(shí))：如果服務(wù)器需要停機(jī)24小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間，一般需關(guān)閉關(guān)閉電源。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著水體污染的加重，環(huán)境監(jiān)理部門(mén)對(duì)區(qū)域水環(huán)境監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的需求日益增加，基于WebGIS建立可視化的環(huán)境管理工具是推動(dòng)科學(xué)決策的需要。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的電子化可減少人工的失誤，確保信息的完整性，有利于數(shù)據(jù)的保存和信息的統(tǒng)計(jì)[5-7]。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析和模擬，科學(xué)計(jì)算水體的相關(guān)數(shù)據(jù)，圖表結(jié)合，直觀的展示統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

本平臺(tái)依據(jù)WebGIS理論，以太湖梅梁灣為研究對(duì)象，開(kāi)發(fā)集成化的太湖梅梁灣水環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)綜合分析和服務(wù)系統(tǒng)，為流域水環(huán)境的改善及綜合管理提供了技術(shù)支撐與決策依據(jù)。

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The ecological environment of Lake Taihu has been a outstanding issue in recent years, integrated water environment monitoring data comprehensive analysis and service system in Meiliang Bay,Lake Taihu, based on WebGIS, are developed in order to supply real-time updates services for risk assessment and early warning database of the lake. The construction of monitoring and early warning system includes architecture study, platform design and platform routine maintenance, among which the platform design is the focus of our study. Distributed computing is adopted in the design structure of the risk assessment and early warning system for Meiliang Bay,Lake Taihu. The system, implementing 4 kinds of functions including water quality information inquiry, monitor and early warning, model prediction and basic data offering, has the capacity of monitoring and early warning in Meiliang Bay,Lake Taihu.

WebGIS Lake Taihu Meiliang Bay Water Environment Monitoring Early Warning Platform