基于GIS的農(nóng)村生活污水管理平臺設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：為了提高農(nóng)村生活污水管理效率和信息化水平，提出了一種基于GIS的農(nóng)村生活污水管理平臺設(shè)計，并利用相關(guān)技術(shù)實施開發(fā)。平臺設(shè)計了一套包括農(nóng)村生活污水問題由農(nóng)戶上報、運維單位處理、管理部門審核的閉環(huán)管理流程，闡述了GIS與農(nóng)村生活污水各類傳感器進行融合的方法及部分功能模塊的關(guān)鍵技術(shù)路線，并以臨滄市臨翔區(qū)為例，介紹了平臺在當?shù)剡M行農(nóng)村生活污水信息化管理的應(yīng)用情況。通過平臺的使用，論證了平臺設(shè)計的合理性和科學性。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村生活污水；管理平臺；GIS；傳感器；閉環(huán)管理

中圖分類號：TP399；X799.3" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）08-0147-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.08.025 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Design and implementation of rural domestic sewage management platform based on GIS

XU Lan-sheng1， JIANG Hua2

（1.School of Information， West Yunnan University， Lincang" 677000， Yunan， China； 2.Jiaxing Minghui Information Technology Co.， Ltd.， Jiaxing" 314000， Zhejiang， China）

Abstract： In order to improve the management efficiency and informatization level of rural domestic sewage management， a rural domestic sewage management platform design was proposed based on GIS and developed with related technologies. The platform designed a set of closed-loop management process including rural domestic sewage problems reported by farmers， treated by operation and maintenance units， and audited by management departments. The method of integrating GIS with various sensors of rural domestic sewage， and the key technical route of some functional modules were expounded. Taking Linxiang District of Lincang City as an example， the application of the platform in the local rural domestic sewage information management was introduced.Through the use of the platform， the rationality and scientificity of the platform design were demonstrated.

Key words： rural domestic sewage； management platform； GIS； sensor； closed loop management

生活污水治理是中國環(huán)境保護的重要一環(huán)。目前，城市生活污水治理已全面實施，相關(guān)信息化管理平臺也較普及，但農(nóng)村生活污水治理在全國還沒引起足夠重視，相關(guān)管理手段也未跟上，這與提出的建設(shè)美麗鄉(xiāng)村國家戰(zhàn)略不相適應(yīng)。隨著中國對農(nóng)村生活污水治理的重視，近年來為了摸清農(nóng)村生活污水現(xiàn)狀情況，開展了農(nóng)村生活污水信息普查項目，采集了各類相關(guān)信息，為了能更好地對農(nóng)村生活污水進行治理，運維公司需派出相關(guān)人員對農(nóng)污處理設(shè)施進行巡查，以保證其平穩(wěn)運行。但存在以下問題，農(nóng)戶及各類設(shè)施分散、人工管理難度較大；運維公司農(nóng)污設(shè)施巡查可能存在偽造數(shù)據(jù)情況，巡查數(shù)據(jù)準確性較難保證；普查成果中的管線信息為CAD圖紙，成果匯報和展示不夠直觀形象；發(fā)現(xiàn)農(nóng)污設(shè)施損壞情況，運維單位不能及時處理，導(dǎo)致上述設(shè)施不能發(fā)揮相關(guān)作用，容易對村莊環(huán)境造成影響。目前，已有的農(nóng)村生活管理信息平臺主要是對農(nóng)村生活污水集中處理設(shè)施進行管理和監(jiān)控，對農(nóng)村環(huán)境影響大，分散在農(nóng)戶家里的化糞池、隔油池等未能采用信息化方式管理。面對上述問題，2022年云南省科學技術(shù)廳開展了相關(guān)項目的立項研究，利用信息化手段，對普查數(shù)據(jù)和運維過程進行可視化和信息化管理，建立縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村、農(nóng)戶、第三方“五位一體”的農(nóng)村生活污水治理設(shè)施運維長效管理機制，以提高農(nóng)村生活污水信息化管理水平［1，2］。通過研究，制定了一整套農(nóng)村生活污水信息化管理的科學流程，并利用信息化手段進行實現(xiàn)，通過在臨滄市臨翔區(qū)的實際應(yīng)用，研究成果達到了項目立項要求，為農(nóng)村生活污水信息化治理提供了新方法和新思路。

1 農(nóng)村生活污水信息普查及入庫

1.1 主要普查內(nèi)容

1）農(nóng)村排水管線普查測繪。主要內(nèi)容為排水管線的敷設(shè)狀況，即管線走向和埋深，管線類別（雨水、污水）、材質(zhì)、規(guī)格及附屬設(shè)施。附屬設(shè)施包括檢查井、進出水口、排水泵站、沉淀池、凈化構(gòu)筑物等農(nóng)污處理設(shè)施。

2）農(nóng)戶及排污設(shè)施和污水處理設(shè)施調(diào)查。①農(nóng)戶信息，包括戶主信息、定位位置、農(nóng)戶房屋正面場景照片等。②農(nóng)村排污設(shè)施，包括農(nóng)戶陽臺洗衣廢水納管排放情況；居民私接、改接污水管道情況；化糞池是否實行雨污分流，出口是否接入污水管網(wǎng)，是否存在淤泥、破損、溢漏等缺陷等。

1.2 普查信息處理和入庫

排水管線信息普查成果主要為CAD圖紙，通過坐標轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)成國家CGCS2000坐標系）、格式轉(zhuǎn)換成Excel文件，利用代碼讀取Excel信息存入SQL Server普查數(shù)據(jù)庫中，管線坐標信息利用數(shù)據(jù)表中Geometry數(shù)據(jù)字段存儲，管線流向信息在數(shù)據(jù)庫中按開始管點、其他部分管點、截止管點排列，組成PolyLine空間數(shù)據(jù)存入表中［3］。

農(nóng)戶及排污設(shè)施及處理設(shè)施普查成果利用APP小程序在現(xiàn)場進行調(diào)查，在有4G信號覆蓋區(qū)域，調(diào)查信息和照片直接傳送到遠端服務(wù)器普查數(shù)據(jù)庫中，無4G信號區(qū)域則把上述信息保存在本地SQL Lite數(shù)據(jù)庫中，調(diào)查結(jié)束后，利用程序讀取庫中信息，寫入普查數(shù)據(jù)庫中［4］。與人工現(xiàn)場填寫紙質(zhì)調(diào)查表和拍照再人工錄入普查數(shù)據(jù)庫的調(diào)查方式相比，上述普查方式極大地提高了普查工作的效率和數(shù)據(jù)的準確性。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能、運維和擴展需要，系統(tǒng)總體架構(gòu)分為硬件與網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層（圖1）。由于系統(tǒng)管線等數(shù)據(jù)保密要求，系統(tǒng)不能部署在互聯(lián)網(wǎng)，故系統(tǒng)中使用的地圖需下載天地圖或谷歌等地圖瓦片，再利用地圖服務(wù)引擎發(fā)布成WMTS地圖瓦片服務(wù)［5］，以實現(xiàn)系統(tǒng)中GIS的各種功能。

2.2 系統(tǒng)功能組成

基于GIS的農(nóng)村生活污水管理平臺主要功能：數(shù)據(jù)管理，包括管線信息、農(nóng)戶信息、運維單位信息、農(nóng)污設(shè)施及治理設(shè)施等；信息提交及審核，包括農(nóng)戶APP信息上報、運維單位APP巡檢、管理部門信息審核等；地圖管理，包括圖層管理、距離面積量測、管線、檢查井等空間數(shù)據(jù)地圖可視化等；監(jiān)測信息，包括提升泵監(jiān)測、污水治理終端監(jiān)測、排水口污染物指標監(jiān)測、視頻監(jiān)測等；系統(tǒng)運維，包括用戶管理、角色管理、權(quán)限管理、系統(tǒng)日志等。整個系統(tǒng)主要功能組成如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

2.3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計 數(shù)據(jù)庫各表格結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)關(guān)系設(shè)計的優(yōu)劣關(guān)系到數(shù)據(jù)管理效率和系統(tǒng)流程處理的便捷性。數(shù)據(jù)庫中主要數(shù)據(jù)表有行政區(qū)劃表、農(nóng)戶表、處理終端表、泵站表、隔油池表、化糞池表、管線表、巡檢記錄表、巡檢規(guī)則表、農(nóng)戶信息上報表、設(shè)備表、監(jiān)測信息表、信息處理及審核表、系統(tǒng)管理表（包括用戶表、部門表、角色表等），主要數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)設(shè)計和關(guān)系設(shè)計如表1、表2和表3所示。

2.3.2 管線瀏覽器加載及流向地圖可視化 針對大數(shù)據(jù)量的空間數(shù)據(jù)，如點、線、面，在瀏覽中進行加載顯示，如果處理不好，容易出現(xiàn)瀏覽器卡死狀況，影響系統(tǒng)使用體驗。針對上述問題，有如下幾種解決方案：①利用成熟GIS商業(yè)軟件，如ArcGIS、超圖等，此方法優(yōu)點是使用方便、加載效率高，缺點是購買軟件需支付較高費用，對一般小型項目來說，采購軟件會增加項目成本。②利用開源GIS軟件，如GeoServer、MapServer等，此方法的優(yōu)點是無需支付軟件費用，缺點是軟件配置難度大，有些功能需自己在開源基礎(chǔ)上開發(fā)完善，開發(fā)時間周期長。③自己開發(fā)地圖服務(wù)引擎，此方法開發(fā)周期長，但功能可根據(jù)需求定制。

根據(jù)農(nóng)村生活污水空間數(shù)據(jù)規(guī)模和項目特點，項目采用GeoSerer開源軟件+樣式配置文件SLD實現(xiàn)［6］。具體實現(xiàn)方法：把SQL Server管線數(shù)據(jù)表作為數(shù)據(jù)源，利用GeoServer發(fā)布成WMTS服務(wù)［7］，經(jīng)過實際測試，50萬條管網(wǎng)數(shù)據(jù)瀏覽器加載完畢小于 3 s，發(fā)布過程中管線樣式文件關(guān)鍵代碼如下。

1）設(shè)置管線整體樣式關(guān)鍵代碼。

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2）設(shè)置管線流向箭頭樣式關(guān)鍵代碼。

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……

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……

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2.3.3 相關(guān)設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)接入 系統(tǒng)中農(nóng)村生活污水相關(guān)監(jiān)測設(shè)備有處理終端、泵站、排水口監(jiān)測設(shè)備等。監(jiān)測設(shè)備主要安裝在終端處理設(shè)備內(nèi)、排水口，通過其收集農(nóng)村生活污水內(nèi)的總磷、氨氮、溶解氧、pH、化學需氧量（COD）、固體懸浮物（SS）等污染物指標和雨污水流量。所有傳感器利用MODBUS RTU串行通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)［8］。

各傳感器數(shù)據(jù)通過485接口網(wǎng)線與邊緣代理終端設(shè)備相連，邊緣代理終端插上NB物聯(lián)網(wǎng)卡，實現(xiàn)與遠端通信。遠端獲取各傳感器數(shù)據(jù)步驟如下：步驟1，確定各設(shè)備的通信參數(shù)，系統(tǒng)中各通信參數(shù)波特率為9 600，數(shù)據(jù)位數(shù)為8，停止位為1，奇偶校驗位為空。步驟2，與設(shè)備進行連接，遠端通過邊緣代理設(shè)備與各傳感器進行連接。步驟3，發(fā)送參數(shù)并接收響應(yīng)數(shù)據(jù)，遠端根據(jù)Modbus RTU規(guī)范向邊緣代理設(shè)備發(fā)送讀取設(shè)備中寄存器命令，包括地址、功能碼、要讀取的寄存器數(shù)量和寄存器地址等，參數(shù)配置正確后，設(shè)備返回響應(yīng)數(shù)據(jù)。步驟4，數(shù)據(jù)解析，返回的字符串數(shù)據(jù)中，根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)格說明，在服務(wù)器端對接收的數(shù)據(jù)利用SubString（IndexID，Length）函數(shù)進行處理，獲得各傳感器監(jiān)測值。

2.3.4 農(nóng)村生活污水問題工作閉環(huán)流程設(shè)計 為了對農(nóng)戶家的化糞池、隔油池和污水處理終端、泵站、排水口進行“五位一體”管理，充分發(fā)揮各級部門和人員力量，設(shè)計了一套農(nóng)村生活污水管理流程，通過流程的實施，實現(xiàn)了農(nóng)村生活污水的閉環(huán)管理，流程如圖3所示，具體流程說明如下。

1）生成二維碼。農(nóng)戶家里的隔油池、化糞池利用農(nóng)戶姓名、家庭地址、住宅經(jīng)緯度坐標等信息生成二維碼。實現(xiàn)一個設(shè)施一個編碼，其他泵站、終端等設(shè)備也根據(jù)相關(guān)信息生成二維碼。生成二維碼的主流技術(shù)是利用開源的前端控件QRCode.js和后端控件ZXing.NET（針對C#語言）等，上述方法各有優(yōu)缺點，由于QRCode.js為純前端框架，無需各種配置就能直接使用，項目中利用該控件生成農(nóng)污設(shè)施和設(shè)備的二維碼［9，10］。

2）安裝二維碼。把生成的二維碼制作成不銹鋼牌，貼在隔油池、化糞池和其他設(shè)備的適當部位。

3）掃描二維碼。如果農(nóng)戶發(fā)現(xiàn)自家隔油池、化糞池發(fā)生堵塞、破損等情況，可通過信息上報APP，掃描相關(guān)二維碼，填寫故障信息、拍照上傳，上述上報信息推送給相關(guān)負責的運維單位，運維單位再派人進行維修處理。同時，運維單位也需定期對上述設(shè)施進行巡檢以發(fā)現(xiàn)問題，并通過巡檢APP掃描二維碼上報問題信息。

4）運維單位巡檢電子打卡。對各類農(nóng)污設(shè)施、設(shè)備，運維單位需定期進行巡檢，為保證巡檢有效性和及時性，后臺設(shè)置了巡檢規(guī)則，如隔油池需1周巡檢2次，后臺可導(dǎo)出巡檢報表，管理部門根據(jù)上述報表對運維單位和巡檢人員進行考核。為杜絕巡檢人員未到達巡檢地點，發(fā)布虛假巡查信息，系統(tǒng)中利用GIS技術(shù)記錄巡檢人員的巡檢路線，在巡檢人員提交巡檢信息時，后臺利用巡檢人員位置與二維碼中包含的坐標信息實時計算二者距離，如滿足要求，如50 m以內(nèi)，則允許提交巡檢信息，否則不能提交，通過上述措施，極大提高了巡檢數(shù)據(jù)的真實性［11］。

5）運維單位問題處理。針對管轄范圍內(nèi)的上報問題信息，運維單位派人處理，處理完畢，通過信息處理APP掃描相關(guān)二維碼，填寫處理信息和拍照，提交處理信息。

6）管理部門信息審核。針對運維單位處理的上報信息，由所在村或鄉(xiāng)鎮(zhèn)管理員進行確認，處理合格則審核通過，否則退回運維單位重新處理。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及應(yīng)用

整個系統(tǒng)通過微軟Visual Stduio2017 ASP.net MVC框架編碼實現(xiàn)，農(nóng)戶信息上報和巡檢APP通過uni-APP平臺實現(xiàn)［12］。系統(tǒng)開發(fā)完成后，在云南省臨滄市臨翔區(qū)進行了試驗應(yīng)用。系統(tǒng)主界面如圖4所示。

3.1 管網(wǎng)流向地圖可視化

可在地圖上直觀展示雨污水管網(wǎng)流向信息，幫助管理部門對各排水出入口流量進行監(jiān)測、管網(wǎng)規(guī)劃等。渲染后的管線流向圖地圖可視化效果如圖5所示。

3.2 污水泵站管理及數(shù)據(jù)可視化

在系統(tǒng)前期需求建設(shè)階段，主要系統(tǒng)功能以2D為主，但系統(tǒng)建成后，建設(shè)方為了方便管理污水泵站，提出在系統(tǒng)中增加3D污水泵站管理功能，如果前期進行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計時未充分考慮各類功能擴展需求來搭建系統(tǒng)架構(gòu)，后期系統(tǒng)功能升級和擴展會花費大量開發(fā)時間和成本。本系統(tǒng)中各業(yè)務(wù)分層設(shè)計、前后端分離設(shè)計，在目前架構(gòu)基礎(chǔ)上，服務(wù)端只需要增加一個污水泵站處理業(yè)務(wù)層，可視化前端增加一個3D視圖，污水泵站3D功能就能無縫接入目前系統(tǒng)中。

通過3D Max建立泵站3D模型，導(dǎo)出glTF格式［10］，利用開源3D引擎Cesium進行加載并實現(xiàn)泵站的遠程控制（關(guān)閉和啟動）、故障報警、液位數(shù)據(jù)3D可視化等功能，3D泵站中根據(jù)傳感器中液位數(shù)值計算出泵站水面動畫高度，與常規(guī)系統(tǒng)展示相比，直觀性更強［13，14］。泵站3D顯示效果如圖6所示。

3.3 農(nóng)戶問題上報

農(nóng)戶發(fā)現(xiàn)自家化糞池或隔油池出現(xiàn)故障，可利用手機APP掃描二維碼上報信息，與巡檢員巡查發(fā)現(xiàn)問題相比，極大提高了上述設(shè)施的故障發(fā)現(xiàn)率，問題上報APP運行效果如圖7所示。

3.4 上報信息處理及審核

在未使用信息化系統(tǒng)管理巡檢過程中發(fā)現(xiàn)問題時，往往要經(jīng)過人工拍照和編輯文字信息記錄故障情況，再把故障通過微信等發(fā)送給相關(guān)單位處理人員，處理人員處理后，再把處理后的情況照片和相關(guān)說明發(fā)送給管理人員，管理人員針對處理中出現(xiàn)的問題，通過微信等方式反饋給處理人員，中間處理流程繁瑣且處理效率較低下，且各環(huán)節(jié)信息流轉(zhuǎn)過程中不能實現(xiàn)信息分類控制，如巡檢信息發(fā)送給指定某個部門處理，信息處理的各種狀態(tài)（未處理、處理中、已審核等）控制等。公眾對巡檢問題也不能查看處理情況并對處理情況進行監(jiān)督。根據(jù)臨翔區(qū)相關(guān)統(tǒng)計，未使用信息化系統(tǒng)，處理一個故障工單平均時間要4～5 d。

系統(tǒng)建成后，利用系統(tǒng)上報或巡檢發(fā)現(xiàn)的各類問題，相關(guān)人員處理后，需把處理后照片拍照上傳，審核人員根據(jù)處理前、處理后圖片進行對比或進行必要的現(xiàn)場確認后，此問題工單則處理完畢。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，目前處理1個工單大概需要2～3日，處理效率與未使用系統(tǒng)相比有較大提高，效率提高了近40%。系統(tǒng)界面如圖8所示。

4 小結(jié)

構(gòu)建基于GIS的農(nóng)村生活污水管理平臺，實現(xiàn)了對農(nóng)村生活污水的閉環(huán)管理，系統(tǒng)具有區(qū)別一般MIS系統(tǒng)的空間性、直觀性、實用性，系統(tǒng)通過在臨滄市臨翔區(qū)的實際使用，管理效率與未使用系統(tǒng)相比提高了近40%，農(nóng)污設(shè)施問題上報和處理及時率比未使用系統(tǒng)前明顯提高，可為其他農(nóng)村地區(qū)生活污水信息化管理提供可操作、可落地的建設(shè)方案。接下來，可在系統(tǒng)管網(wǎng)3D化方面進行優(yōu)化，使農(nóng)村污水管網(wǎng)管理更直觀形象、高效。

參考文獻：

［1］ 林 愿.縣級農(nóng)村生活污水監(jiān)管地理信息平臺建設(shè)初探［J］.科技視界，2023（10）：147-149.

［2］ 周 飛，張志晨，郭玉柯.農(nóng)村生活污水處理設(shè)施信息化監(jiān)管平臺建設(shè)探究［J］.供水技術(shù)，2022，16（5）：58-61.

［3］ 宋如飛.基于GIS技術(shù)的土地空間信息查詢系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2023，46（17）：107-110.

［4］ 陳敬靜. SQLite數(shù)據(jù)庫研究與可視化［D］.南京：南京郵電大學，2020.

［5］ 張瑞新.多種切片存儲類型WMTS服務(wù)的實現(xiàn)與優(yōu)化［J］.西部資源，2021（2）：152-156.

［6］ 梁梓君.基于SLD的勘探圖形樣式快速制作系統(tǒng)的研究——以新疆油田為例［J］.信息系統(tǒng)工程，2020（7）：114-115，117.

［7］ 劉 旭，趙 錚，陳建華，等.一種面向空間分析的開源GeoServer服務(wù)自動發(fā)布與切片方法［J］.物探化探計算技術(shù)，2022，" " " 44（1）：110-116.

［8］ 王付軍，宋妮俐，楊長青.基于Modbus RTU協(xié)議的DeltaV系統(tǒng)與西門子S7-200 SMART PLC串行通信［J］.工業(yè)控制計算機，2023，36（8）：38-39.

［9］ 文家朝，楊 輝.基于ZXing開源庫的二維碼生成研究［J］.電腦知識與技術(shù)，2021，17（3）：87-89.

［10］ 李天福，蘇佳琳，楊 帥.基于QRCode的“食之有道”系統(tǒng)開發(fā)［J］.信息技術(shù)與信息化，2023（4）：71-74.

［11］ 張宗芳.一種可視化智能防觸電安全保護電子圍欄設(shè)計與研究［J］.科技與創(chuàng)新，2022（3）：21-23.

［12］ 周建輝.基于uni-app的場館預(yù)約微信小程序的設(shè)計與開發(fā)［J］.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學院學報，2022，22（4）：7-11.

［13］ 趙仲偉.城市排水泵站管護信息化系統(tǒng)設(shè)計［D］.石家莊：河北科技大學，2022.

［14］ 趙艷松.基于glTF的三維模型服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)研究與實現(xiàn)［D］.西安：西安電子科技大學，2018.

基金項目：地方高校聯(lián)合專項基礎(chǔ)研究計劃面上項目（202101BA070001-197）

作者簡介：徐蘭聲（1985-），女，云南臨滄人，副教授，碩士，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)、智慧城市等方面的教學與科研工作，（電話）15887995708（電子信箱）394875472@qq.com。