校園開放水體可視化水質(zhì)監(jiān)測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)必不可少的一個項目。但由于校園人工湖生態(tài)系統(tǒng)較為單一、來水量小、存儲水量不大、水體自凈能力差、水體置換率低等特點，校園內(nèi)人工湖經(jīng)常出現(xiàn)水體污染現(xiàn)象[1]。水體富營養(yǎng)化本是湖泊演化過程中的一種自然現(xiàn)象，這種演化是十分緩慢的，但由于人類活動的影響，大大加速了這一進程，嚴重影響水環(huán)境質(zhì)量和功能，破壞了生態(tài)平衡，造成經(jīng)濟損失[2]。水體污染使人工湖不僅達不到美化校園的目的，甚至會對師生的身心健康造成嚴重的危害。隨著計算機信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速進步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)生活的方方面面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與各行業(yè)的結(jié)合已成為當今時代的重要發(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的空間特征對人工湖水質(zhì)進行監(jiān)測，將水質(zhì)信息可視化，實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測實時預警，建設(shè)校園開放水體可視化水質(zhì)監(jiān)測平臺。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

以地理信息技術(shù)、計算機技術(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)庫及水體水質(zhì)信息監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)多種水質(zhì)參數(shù)的自動采集及GIS“一張圖”實時水質(zhì)信息可視化，并在水質(zhì)參數(shù)超標時做出預警，提高校園水質(zhì)監(jiān)測管理工作效率。校園開放水體監(jiān)測系統(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)計圖

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集制作及數(shù)據(jù)庫設(shè)計

2.1.1 數(shù)據(jù)采集及制作

使用無人機采集校園高分辨率遙感影像，以校園設(shè)計線劃圖、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存儲器和通信系統(tǒng)組成。水質(zhì)傳感器運用5G通信模塊與數(shù)據(jù)中心通信，將數(shù)據(jù)解碼后入庫，當網(wǎng)絡(luò)環(huán)境波動時，數(shù)據(jù)將存儲在SD存儲器中，待通信恢復后實現(xiàn)斷點上傳。監(jiān)控視頻則采用視頻廠商產(chǎn)品，通過4G或5G通信，以流媒體形式與數(shù)據(jù)中心交互、存儲，并提供接口來展示系統(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)量承載方面具有獨特的優(yōu)勢[4]。輔以數(shù)據(jù)交換以及遠程操作等手段，可進一步提高人與物、物與物的交互效率，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)測校園開放水體水質(zhì)狀況。

2.1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

校園開放水體可視化水質(zhì)監(jiān)測GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要目標是實現(xiàn)系統(tǒng)主要功能，既能夠儲存管理水質(zhì)監(jiān)測、傳感器、用戶等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)屬性指標，又能儲存其空間數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫模型設(shè)計由概念模型設(shè)計和邏輯模型設(shè)計組成。

2.1.2.1 概念模型設(shè)計

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脫離硬件環(huán)境的數(shù)據(jù)庫概念模型。E-R圖是描述概念模式的有力工具，它采用三個基本概念：實體集、聯(lián)系集和屬性[5]。根據(jù)定義實體、定義聯(lián)系、定義屬性的順序設(shè)計E-R圖作為數(shù)據(jù)庫概念模型，如圖2所示。

圖2 總E-R圖

2.1.2.2 邏輯模型設(shè)計

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫包括矢量數(shù)據(jù)和遙感影像，兩者分別通過表設(shè)計、文件形式存入數(shù)據(jù)庫，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)測數(shù)據(jù)庫建立CODcr(化學需氧量)、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，用于儲存標準范圍和實時數(shù)據(jù)。設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫包括傳感器ID、傳感器運行狀態(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)庫包括儲存用戶名、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)計圖

2.2 基礎(chǔ)地圖模塊

通過實現(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，將校園開放水體精確展示在平臺上。系統(tǒng)實現(xiàn)多個基礎(chǔ)地圖接口，可進行縮放、平移、圖層控制、距離面積量算、空間點位標注等操作；設(shè)計地圖鷹眼，當?shù)貓D縮放達到一定等級的時候，實現(xiàn)地圖的大面積漫游[6]；設(shè)立氣象小窗，通過網(wǎng)絡(luò)獲取實時天氣情況。地圖是圖像式的再現(xiàn)，這種再現(xiàn)使人們對事物、概念、狀況、過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。

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)測設(shè)備、監(jiān)控攝像頭的運行狀態(tài)，包括在線狀態(tài)和連續(xù)在線時間等；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)備地圖交互點位置等；可查看監(jiān)測點實時的監(jiān)控視頻，獲取攝像頭視頻URL等。設(shè)備管理模塊為監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和視頻數(shù)據(jù)的真實性提供保障。

2.4 水質(zhì)監(jiān)測模塊

水質(zhì)監(jiān)測模塊是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，將監(jiān)測點布設(shè)在地圖上，點擊即可查看相應(yīng)的水質(zhì)監(jiān)測點的水質(zhì)信息、視頻監(jiān)控信息等。通過水質(zhì)監(jiān)測模塊可查看實時數(shù)據(jù)和監(jiān)控畫面，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《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》可知，人工湖屬于三類及以下水體，水質(zhì)監(jiān)測模塊將根據(jù)實時數(shù)據(jù)得出監(jiān)測點的水質(zhì)級別。在地圖上三類及四類水體展示為淺藍色，水質(zhì)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，相應(yīng)點位將在地圖中變?yōu)榧t色并第一時間發(fā)出警報，將情況通報給管理人員，將實時監(jiān)控畫面置頂。水質(zhì)監(jiān)測模塊能夠?qū)λ|(zhì)異常的位置進行精準的確認，進一步縮小水污染的范圍，使問題能夠得到針對性的處理[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，通過預設(shè)算法可實現(xiàn)統(tǒng)計圖繪制、空間插值分析、熱力圖分析等功能。系統(tǒng)對水質(zhì)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)進行處理分析，去除其中的異常值，得出日平均數(shù)據(jù)，進而得出月平均數(shù)據(jù)并繪制統(tǒng)計圖，能夠反映開放水體長期水質(zhì)變化情況。為獲得監(jiān)測區(qū)整體相關(guān)水質(zhì)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過對監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行空間插值，形成測量值表面。空間插值運用克里金法，克里金插值是空間統(tǒng)計學插值的主要方法[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個位置處的測量值，λi為第i個位置處的測量值的未知權(quán)重，S0為預測位置，N為測量值數(shù)[10]。污染發(fā)生后，系統(tǒng)將進行熱力圖分析，將受污染的區(qū)域按照受影響的程度進行劃分，便于工作人員進行處理，將負面影響降到最小。

2.6 權(quán)限管理模塊

為保證校園開放水體可視化水質(zhì)監(jiān)測GIS系統(tǒng)的穩(wěn)定和水質(zhì)數(shù)據(jù)的安全，本系統(tǒng)對用戶權(quán)限進行分級處理，分為高、中、低三種權(quán)限，各級用戶的基礎(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；低級權(quán)限僅可查看實時數(shù)據(jù)。

圖4 用戶權(quán)限模型圖

結(jié)語

校園開放水體可視化水質(zhì)監(jiān)測GIS系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對開放水體水質(zhì)進行實時監(jiān)測，使水質(zhì)監(jiān)測的準確性、時效性得到顯著提高。使用本系統(tǒng)對校園開放水體進行水質(zhì)監(jiān)測可及時發(fā)現(xiàn)水質(zhì)污染問題，便于第一時間采取措施解決問題，減少水污染帶來的負面影響，能夠解決校園水質(zhì)自動監(jiān)測預警的痛點問題，具有重要的科研與社會意義，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)測數(shù)據(jù)可視化在一張圖上，可覆蓋整個校園水質(zhì)環(huán)境，運行穩(wěn)定、功能可靠、誤報率低，水質(zhì)監(jiān)測精度達到行業(yè)領(lǐng)先水平。將該項目推廣應(yīng)用具有很強的社會效益和經(jīng)濟效益。