基于GIS智能環(huán)境監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周演匯

（九江職業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 九江 332000）

基于GIS智能環(huán)境監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周演匯

（九江職業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 九江 332000）

為解決環(huán)境監(jiān)測(cè)在實(shí)時(shí)性、精準(zhǔn)性、空間特征展示和智能響應(yīng)等方面的不足，采用GIS技術(shù)、GPRS技術(shù)及智能傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)一種能進(jìn)行智能環(huán)境監(jiān)測(cè)、空間可視化統(tǒng)計(jì)分析、屬性數(shù)據(jù)操縱、異常數(shù)據(jù)智能預(yù)警響應(yīng)的GIS終端應(yīng)用平臺(tái)。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)各功能模塊運(yùn)行穩(wěn)定，可初步滿足應(yīng)用需求。

GIS；智能環(huán)境監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)；傳感器；空間數(shù)據(jù)庫；屬性數(shù)據(jù)庫

Abstract:In order to address the de fi ciency of environment monitoring in real-time response, precision, spatial characteristics display, intelligent response, etc., the paper designs a platform of the GIS terminal application which has the intelligent environment monitoring function, the spatial visualization statistical analysis function, the attribute data manipulation function and the abnormal data intelligence alert response function by using GIS technology, GPRS technology and smart sensor technology. The test result shows that the system functions steadily and can meet the application requirements.

Key words:GIS; Intelligent environment monitoring and analysis system; Sensor; Spatial database; Attribute database

0 引 言

隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的加速推進(jìn)，國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展的同時(shí)，也產(chǎn)生了一系列不可回避的問題，其中環(huán)境污染問題尤為突出。環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)不僅關(guān)系到社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，而且關(guān)系到每個(gè)人的身心健康。現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)研究的側(cè)重點(diǎn)主要集中于智能性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性等方面，很少考慮系統(tǒng)的空間特性，具備空間特征分析能力的應(yīng)用實(shí)例不多。因此，充分整合信息技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)、GIS技術(shù)等，開發(fā)設(shè)計(jì)一種具備空間分析功能的、性價(jià)比高的智能型實(shí)時(shí)在線城區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，顯得非常必要。

GIS即地理信息系統(tǒng)，是一種特定的空間信息系統(tǒng)，融合多門學(xué)科，包括信息技術(shù)、通信技術(shù)、地理信息技術(shù)等[1]。在電腦軟硬件資源的輔助下，GIS將系統(tǒng)工程及信息技術(shù)等進(jìn)行綜合統(tǒng)籌應(yīng)用，數(shù)字化描述、組織、分析具備空間特征的地理數(shù)據(jù)，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，深入到各行各業(yè)，從自然災(zāi)害的預(yù)防管理、交通事故的分析管理，到各類基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃與管理、商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)規(guī)劃布局，再到各類導(dǎo)航圖應(yīng)用、各類自然資源的保護(hù)與管理等。本文以九江市區(qū)為研究對(duì)象，在智能環(huán)境監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)中引入GIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的空間可視化分析功能，從而為有關(guān)管理決策部門提供空間數(shù)據(jù)服務(wù)及屬性數(shù)據(jù)服務(wù)，也為將來構(gòu)建智慧城市預(yù)留接口、提供基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的需求分析，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用實(shí)際著重分析并給出系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程，得出系統(tǒng)總體框架。

1.1 系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)城區(qū)特定區(qū)域內(nèi)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)分析功能，具備安全、精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、空間展示、智能響應(yīng)等特點(diǎn)。按照軟件開發(fā)的通用方法，主要從以下三個(gè)方面分析系統(tǒng)需求：

（1）功能需求。系統(tǒng)實(shí)際用戶類別決定其應(yīng)具備的功能。系統(tǒng)主要包括環(huán)保部門管理人員和生態(tài)環(huán)境愛好人士、環(huán)境監(jiān)督員等兩類用戶。前者要求系統(tǒng)具備設(shè)計(jì)嚴(yán)密、科學(xué)高效、操作簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、應(yīng)用拓展性強(qiáng)、空間分析展示、實(shí)時(shí)響應(yīng)等特點(diǎn)；后者要求系統(tǒng)具備安全可靠、數(shù)據(jù)真實(shí)、及時(shí)準(zhǔn)確、智能高效、自動(dòng)響應(yīng)等特點(diǎn)。

（2）數(shù)據(jù)需求。將環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)與GIS平臺(tái)融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳共享，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)空間可視化分析功能，所涉及到數(shù)據(jù)分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩大類，如圖1所示?？臻g數(shù)據(jù)主要包括空氣數(shù)據(jù)信息采集設(shè)備的坐標(biāo)信息、區(qū)域的地理坐標(biāo)信息、污染區(qū)域的坐標(biāo)信息等；屬性數(shù)據(jù)指空間信息以外的數(shù)據(jù)，主要包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集的時(shí)間、地點(diǎn)，空氣成分?jǐn)?shù)據(jù)、空氣超標(biāo)預(yù)警時(shí)相關(guān)信息等。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)需求分析

（3）性能需求。系統(tǒng)的成敗與好壞最終要靠性能去檢驗(yàn)，因而要從不同用戶角度分析系統(tǒng)應(yīng)具備的性能。一是具備實(shí)現(xiàn)對(duì)多種異構(gòu)數(shù)據(jù)源，包括關(guān)系數(shù)據(jù)、格網(wǎng)圖像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、柵格圖像數(shù)據(jù)等的綜合處理能力。二是具備實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)、安全操作的處理能力，如數(shù)據(jù)加密、設(shè)置用戶分類分級(jí)操控等。三是滿足用戶的響應(yīng)要求，數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)、穩(wěn)定可靠。四是具備空間特征分析功能，滿足空間操作的能力[2]，即GIS平臺(tái)能展示異常數(shù)據(jù)信息的位置、分析計(jì)算異常數(shù)據(jù)區(qū)域等。五是具備開放互聯(lián)的功能，即程序和數(shù)據(jù)提供接口，能作為一個(gè)子功能模塊融入智慧園區(qū)、智慧城市中。

1.2 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)主要分為環(huán)境數(shù)據(jù)信息智能采集硬件設(shè)備、無線通信模塊、數(shù)據(jù)分析處理終端系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)四個(gè)部分，主要對(duì)環(huán)境中的溫度、濕度、煙霧成分、灰粉塵等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。溫度、濕度是基本的環(huán)境參數(shù)；煙霧成分即監(jiān)測(cè)環(huán)境中的有害氣體類別、濃度等，主要包括CO、甲烷、醇類、氫氣、二氧化硫等；灰粉塵主要是探測(cè)空氣中的細(xì)小顆粒物，可通過粒子計(jì)數(shù)原理實(shí)現(xiàn)。

（1）通過單片機(jī)控制不同種類的智能采集硬件設(shè)備—智能傳感器，并對(duì)周圍環(huán)境中包括溫度、濕度、煙霧成分、灰粉塵等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采樣、分析、量化，提供具體的數(shù)字化環(huán)境參數(shù)。

（2）無線通信模塊將環(huán)境參數(shù)傳輸給數(shù)據(jù)分析處理終端。無線通信技術(shù)可采用GPRS技術(shù)[3]，該技術(shù)具備安全、精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)全天候傳送。

（3）數(shù)據(jù)分析終端在接收到具體的環(huán)境數(shù)據(jù)信息后進(jìn)行分析處理，并通過數(shù)據(jù)連接與GIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)，即屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)連接。通過GIS平臺(tái)可查詢采集終端的數(shù)據(jù)信息，如果數(shù)據(jù)超過上限，及時(shí)觸發(fā)預(yù)警響應(yīng)功能；通過GIS平臺(tái)亦可實(shí)現(xiàn)相關(guān)區(qū)域的空間特征分析功能。

系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架

2 系統(tǒng)功能分析與實(shí)現(xiàn)

依據(jù)需求分析結(jié)果，分析系統(tǒng)各功能模塊，并對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

2.1 系統(tǒng)功能模塊

（1）溫度智能監(jiān)測(cè)模塊。對(duì)環(huán)境中的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，就需要選擇一款高精度、高可靠性、響應(yīng)速度快、低能耗的智能傳感器作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備?？晒┻x擇的傳感器有DS18B20, PT100, SHT15等。

（2）濕度智能監(jiān)測(cè)模塊。對(duì)環(huán)境中的濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過對(duì)濕度實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，從而得出空氣中的含水量，得出環(huán)境的舒適度?？晒┻x擇的濕度傳感器有SHT15, DHT11等。

（3）煙霧成分智能監(jiān)測(cè)模塊。對(duì)環(huán)境中的煙霧成分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)有害氣體通過采樣、數(shù)字化分析從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)分析功能，以便用戶掌握大氣中的有害成分，作出相應(yīng)的判斷決策，為環(huán)境預(yù)警、治理提供依據(jù)?？晒┻x擇的傳感器有MQ-3, 3SF CiTicel等。

（4）灰粉塵智能監(jiān)測(cè)模塊。環(huán)境中的灰粉塵含量是影響空氣質(zhì)量?jī)?yōu)劣的因素之一，是造成霧霾天氣的重要元兇。對(duì)環(huán)境中灰粉塵進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可精確掌握有害物質(zhì)的組成成分，對(duì)各類用戶至關(guān)重要?？晒┻x擇的傳感器有DSM501, GP2Y1010AU0F等。

（5）單片機(jī)控制模塊。該模塊是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部件，是實(shí)現(xiàn)對(duì)各智能采集設(shè)備的硬件和軟件控制，控制各采集端口的正常工作，對(duì)采集的樣本數(shù)據(jù)做出分析處理，并控制、啟動(dòng)無線通信模塊，將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)分析處理終端。單片機(jī)的選取要考慮高可靠性、抗干擾能力強(qiáng)、處理速度快、耗電量低等因素?？晒┻x擇的單片機(jī)有STM32F107，ATmega128等。

（6）無線通信模塊。目前，比較成熟的無線通信技術(shù)有GSM, GPRS, 3G等，其中GPRS具有經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、可靠性等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)無線傳輸功能。與數(shù)據(jù)分析處理終端建立信道的辦法是采用完全固定專有IP地址的方法，數(shù)據(jù)分析處理終端要向Internet服務(wù)供應(yīng)商申請(qǐng)購買固定專有IP地址，GPRS模塊即可向該IP地址發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

（7）數(shù)據(jù)分析處理終端模塊。該模塊是系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵模塊、核心模塊，采用GIS二次開發(fā)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)客戶端操作平臺(tái)的開發(fā)設(shè)計(jì)。一是采用GIS二次開發(fā)平臺(tái)工具進(jìn)行九江市區(qū)電子地圖的開發(fā)，完成地圖數(shù)字化工作，即進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺(tái)的開發(fā)[4]。二是采用C/S開發(fā)工具開發(fā)終端人機(jī)交互界面，利用VB和具備嵌入功能的GIS控件來完成技術(shù)開發(fā)[5]，實(shí)現(xiàn)電子地圖的操控管理，即實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)特征的展示、分析功能。三是對(duì)于異常環(huán)境數(shù)據(jù)的處理，設(shè)計(jì)制作一個(gè)報(bào)警信息對(duì)話框，設(shè)定環(huán)境參數(shù)限值范圍，超過此范圍立即觸發(fā)彈出報(bào)警對(duì)話框，并在地圖平臺(tái)上顯示異常數(shù)據(jù)來源的具體位置、異常區(qū)域等。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（1）硬件設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)功能模塊分析的基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)的硬件組成，即具體硬件設(shè)備的型號(hào)，進(jìn)而完成硬件系統(tǒng)模塊之間的連接。實(shí)現(xiàn)連接的電路設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，包括各監(jiān)測(cè)采集終端模塊的電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制模塊的電路設(shè)計(jì)、無線傳輸模塊的電路設(shè)計(jì)。

（2）軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)單片機(jī)的主控程序設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析處理終端的程序設(shè)計(jì)，其中單片機(jī)的主控程序主要控制各監(jiān)測(cè)模塊的數(shù)據(jù)傳輸、無線通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）GIS系統(tǒng)的開發(fā)。一是確定數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)工具采用MapInfo，完成空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，并選取MapX作為GIS控件開發(fā)工具嵌入到VB系統(tǒng)中。二是確定屬性數(shù)據(jù)庫的開發(fā)工具，即選取具體關(guān)系數(shù)據(jù)庫軟件。三是調(diào)用MSComm控件實(shí)現(xiàn)傳感器端到終端的數(shù)據(jù)通信。四是完成系統(tǒng)的各種功能設(shè)計(jì)，包括電子地圖平臺(tái)的基本操控功能、屬性數(shù)據(jù)操縱、空間數(shù)據(jù)操縱、異常數(shù)據(jù)區(qū)域空間特征展示、分析等。GIS系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

通過對(duì)系統(tǒng)功能模塊和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入分析后，實(shí)現(xiàn)了基于GIS智能環(huán)境監(jiān)測(cè)分析的原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即初步實(shí)現(xiàn)了基于GIS數(shù)據(jù)分析處理終端平臺(tái)的構(gòu)建，主要包括電子地圖的基本操作，環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析，屬性信息查詢、空間信息查詢及空間特征展示、分析等。系統(tǒng)主界面如圖4所示。

圖3 GIS系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

本文以實(shí)用為導(dǎo)向，以實(shí)現(xiàn)功能任務(wù)為目標(biāo)，在深入分析系統(tǒng)的功能、數(shù)據(jù)、性能需求之后，給出了系統(tǒng)總體框架，并對(duì)系統(tǒng)各功能模塊和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)各功能模塊運(yùn)行穩(wěn)定，具備可靠性高、安全、智能等特點(diǎn)，可初步滿足應(yīng)用需求。GIS智能環(huán)境監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)為下一步研究提供了基礎(chǔ)。

圖4 系統(tǒng)主界面

[1] 陳述彭，魯學(xué)軍，周成虎.地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2000：10.

[2] 周演匯，何立富.基于GIS的城區(qū)道路交通事故管理系統(tǒng)的需求分析與功能設(shè)計(jì)[J].晉城職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（6）：64-67.

[3] 王慧林.基于無線傳輸?shù)氖覂?nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].蘭州：西北師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，2015.

[4] 周演匯，何立富.基于GIS交通事故管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（3）：54-57.

[5] 周演匯，何立富.基于Map X交通事故管理系統(tǒng)的功能模塊分析與實(shí)現(xiàn)[J].順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（1）：28-32.

[責(zé)任編輯：王志梅]

A GIS-based Design and Realization of Intelligent Environment Monitoring and Analysis System

ZHOU Yanhui
(School of Information Engineering, Jiujiang Vocational University, Jiujiang, 332000, China)

X87

A

1671-4326 (2017) 03-0058-04

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2017.057

2017-04-18

周演匯（1982—），男，江西九江人，九江職業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院副教授，碩士.