校園開(kāi)放水體可視化水質(zhì)監(jiān)測(cè)GIS系統(tǒng)研發(fā)

周博宇 李以琳 杜要 周昱極 詹凱迪

1.浙江水利水電學(xué)院 浙江杭州 310018；2.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司 浙江杭州 310030

1 概述

為改善校園生態(tài)環(huán)境，提升校園美觀度，人工湖成為校園建設(shè)必不可少的一個(gè)項(xiàng)目。但由于校園人工湖生態(tài)系統(tǒng)較為單一、來(lái)水量小、存儲(chǔ)水量不大、水體自凈能力差、水體置換率低等特點(diǎn)，校園內(nèi)人工湖經(jīng)常出現(xiàn)水體污染現(xiàn)象[1]。水體富營(yíng)養(yǎng)化本是湖泊演化過(guò)程中的一種自然現(xiàn)象，這種演化是十分緩慢的，但由于人類活動(dòng)的影響，大大加速了這一進(jìn)程，嚴(yán)重影響水環(huán)境質(zhì)量和功能，破壞了生態(tài)平衡，造成經(jīng)濟(jì)損失[2]。水體污染使人工湖不僅達(dá)不到美化校園的目的，甚至?xí)?duì)師生的身心健康造成嚴(yán)重的危害。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)生活的方方面面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與各行業(yè)的結(jié)合已成為當(dāng)今時(shí)代的重要發(fā)展潮流[3]。為消除安全隱患，創(chuàng)建平安校園，本文將GIS與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，利用GIS的空間特征對(duì)人工湖水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將水質(zhì)信息可視化，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)預(yù)警，建設(shè)校園開(kāi)放水體可視化水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

以地理信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，建立校園水質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)及水體水質(zhì)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種水質(zhì)參數(shù)的自動(dòng)采集及GIS“一張圖”實(shí)時(shí)水質(zhì)信息可視化，并在水質(zhì)參數(shù)超標(biāo)時(shí)做出預(yù)警，提高校園水質(zhì)監(jiān)測(cè)管理工作效率。校園開(kāi)放水體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置基礎(chǔ)地圖模塊、設(shè)備管理模塊、水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊、水質(zhì)分析模塊、權(quán)限管理模塊。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集制作及數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

2.1.1 數(shù)據(jù)采集及制作

使用無(wú)人機(jī)采集校園高分辨率遙感影像，以校園設(shè)計(jì)線劃圖、高分辨率遙感影像為基礎(chǔ)，制作校園高精度矢量地圖。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要由傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、微控制器、SD存儲(chǔ)器和通信系統(tǒng)組成。水質(zhì)傳感器運(yùn)用5G通信模塊與數(shù)據(jù)中心通信，將數(shù)據(jù)解碼后入庫(kù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境波動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在SD存儲(chǔ)器中，待通信恢復(fù)后實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)上傳。監(jiān)控視頻則采用視頻廠商產(chǎn)品，通過(guò)4G或5G通信，以流媒體形式與數(shù)據(jù)中心交互、存儲(chǔ)，并提供接口來(lái)展示系統(tǒng)調(diào)用集成。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)備連接、大數(shù)據(jù)量承載方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[4]。輔以數(shù)據(jù)交換以及遠(yuǎn)程操作等手段，可進(jìn)一步提高人與物、物與物的交互效率，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)測(cè)校園開(kāi)放水體水質(zhì)狀況。

2.1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

校園開(kāi)放水體可視化水質(zhì)監(jiān)測(cè)GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主要功能，既能夠儲(chǔ)存管理水質(zhì)監(jiān)測(cè)、傳感器、用戶等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)屬性指標(biāo)，又能儲(chǔ)存其空間數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)模型設(shè)計(jì)由概念模型設(shè)計(jì)和邏輯模型設(shè)計(jì)組成。

2.1.2.1 概念模型設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)經(jīng)綜合、歸納和抽象處理，按照一定的功能需求建立一個(gè)脫離硬件環(huán)境的數(shù)據(jù)庫(kù)概念模型。E-R圖是描述概念模式的有力工具，它采用三個(gè)基本概念：實(shí)體集、聯(lián)系集和屬性[5]。根據(jù)定義實(shí)體、定義聯(lián)系、定義屬性的順序設(shè)計(jì)E-R圖作為數(shù)據(jù)庫(kù)概念模型，如圖2所示。

圖2 總E-R圖

2.1.2.2 邏輯模型設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)包括矢量數(shù)據(jù)和遙感影像，兩者分別通過(guò)表設(shè)計(jì)、文件形式存入數(shù)據(jù)庫(kù)，在地圖樣式配置完畢后使用地圖服務(wù)形式發(fā)布，提供給基礎(chǔ)地圖模塊使用；水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)建立CODcr(化學(xué)需氧量)、NH3-N(氨氮)、T-N(總氮)、T-P(總磷)、pH值(酸堿度)、Turb(濁度)、DO(溶解氧)等數(shù)據(jù)表，用于儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)范圍和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫(kù)包括傳感器ID、傳感器運(yùn)行狀態(tài)、傳感器的位置信息(經(jīng)度、緯度)等數(shù)據(jù)表；用戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)包括儲(chǔ)存用戶名、密碼、聯(lián)系方式、在線狀態(tài)等數(shù)據(jù)表。

圖3 邏輯模型設(shè)計(jì)圖

2.2 基礎(chǔ)地圖模塊

通過(guò)實(shí)現(xiàn)校園高精度矢量地圖和遙感影像等基礎(chǔ)地理信息承載，將校園開(kāi)放水體精確展示在平臺(tái)上。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)基礎(chǔ)地圖接口，可進(jìn)行縮放、平移、圖層控制、距離面積量算、空間點(diǎn)位標(biāo)注等操作；設(shè)計(jì)地圖鷹眼，當(dāng)?shù)貓D縮放達(dá)到一定等級(jí)的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)地圖的大面積漫游[6]；設(shè)立氣象小窗，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取實(shí)時(shí)天氣情況。地圖是圖像式的再現(xiàn)，這種再現(xiàn)使人們對(duì)事物、概念、狀況、過(guò)程形成了一種空間上的理解基礎(chǔ)[7]。地圖模塊是可視化的基礎(chǔ)，也是用戶最直觀的體驗(yàn)。

2.3 設(shè)備管理模塊

為了便于查看設(shè)備情況、調(diào)整設(shè)備部署，設(shè)立了設(shè)備管理模塊。設(shè)備管理模塊用于查看監(jiān)測(cè)設(shè)備、監(jiān)控?cái)z像頭的運(yùn)行狀態(tài)，包括在線狀態(tài)和連續(xù)在線時(shí)間等；可添加、修改和刪除設(shè)備、更改設(shè)備IP和端口、設(shè)置設(shè)備地圖交互點(diǎn)位置等；可查看監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)的監(jiān)控視頻，獲取攝像頭視頻URL等。設(shè)備管理模塊為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和視頻數(shù)據(jù)的真實(shí)性提供保障。

2.4 水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊

水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在地圖上，點(diǎn)擊即可查看相應(yīng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)信息、視頻監(jiān)控信息等。通過(guò)水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊可查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和監(jiān)控畫(huà)面，并且能夠查看并下載歷史數(shù)據(jù)和回看監(jiān)控影像。根據(jù)我國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》可知，人工湖屬于三類及以下水體，水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊將根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)級(jí)別。在地圖上三類及四類水體展示為淺藍(lán)色，水質(zhì)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，相應(yīng)點(diǎn)位將在地圖中變?yōu)榧t色并第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)，將情況通報(bào)給管理人員，將實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面置頂。水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊能夠?qū)λ|(zhì)異常的位置進(jìn)行精準(zhǔn)的確認(rèn)，進(jìn)一步縮小水污染的范圍，使問(wèn)題能夠得到針對(duì)性的處理[8]。

2.5 水質(zhì)分析模塊

水質(zhì)分析模塊是本系統(tǒng)的核心，通過(guò)預(yù)設(shè)算法可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)圖繪制、空間插值分析、熱力圖分析等功能。系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，去除其中的異常值，得出日平均數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出月平均數(shù)據(jù)并繪制統(tǒng)計(jì)圖，能夠反映開(kāi)放水體長(zhǎng)期水質(zhì)變化情況。為獲得監(jiān)測(cè)區(qū)整體相關(guān)水質(zhì)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，形成測(cè)量值表面?？臻g插值運(yùn)用克里金法，克里金插值是空間統(tǒng)計(jì)學(xué)插值的主要方法[9]，也是目前應(yīng)用最廣泛的一種空間插值方法。對(duì)于估值結(jié)果而言，該方法具有一定的低通濾波作用，但其也是最有效的一種小鄰域均值估算方法，具體為：

式中Z(Si)為第i個(gè)位置處的測(cè)量值，λi為第i個(gè)位置處的測(cè)量值的未知權(quán)重，S0為預(yù)測(cè)位置，N為測(cè)量值數(shù)[10]。污染發(fā)生后，系統(tǒng)將進(jìn)行熱力圖分析，將受污染的區(qū)域按照受影響的程度進(jìn)行劃分，便于工作人員進(jìn)行處理，將負(fù)面影響降到最小。

2.6 權(quán)限管理模塊

為保證校園開(kāi)放水體可視化水質(zhì)監(jiān)測(cè)GIS系統(tǒng)的穩(wěn)定和水質(zhì)數(shù)據(jù)的安全，本系統(tǒng)對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行分級(jí)處理，分為高、中、低三種權(quán)限，各級(jí)用戶的基礎(chǔ)信息表、權(quán)限表和關(guān)聯(lián)表組成用戶管理表(如圖4所示)。高級(jí)權(quán)限可使用空間分析、調(diào)用下載歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備管理、權(quán)限管理等功能；中級(jí)權(quán)限可使用調(diào)用下載歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備管理等功能；低級(jí)權(quán)限僅可查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖4 用戶權(quán)限模型圖

結(jié)語(yǔ)

校園開(kāi)放水體可視化水質(zhì)監(jiān)測(cè)GIS系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)放水體水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使水質(zhì)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性、時(shí)效性得到顯著提高。使用本系統(tǒng)對(duì)校園開(kāi)放水體進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)污染問(wèn)題，便于第一時(shí)間采取措施解決問(wèn)題，減少水污染帶來(lái)的負(fù)面影響，能夠解決校園水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警的痛點(diǎn)問(wèn)題，具有重要的科研與社會(huì)意義，且在提升校園環(huán)境的美觀度，保障全校師生的身體健康等方面有著至關(guān)重要的作用。本系統(tǒng)將水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化在一張圖上，可覆蓋整個(gè)校園水質(zhì)環(huán)境，運(yùn)行穩(wěn)定、功能可靠、誤報(bào)率低，水質(zhì)監(jiān)測(cè)精度達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。將該項(xiàng)目推廣應(yīng)用具有很強(qiáng)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。