基于GIS的河流水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
1 引言
目前環(huán)保部門(mén)主要通過(guò)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)來(lái)采集數(shù)據(jù),，然后在監(jiān)測(cè)中心通過(guò)水質(zhì)模型對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析以達(dá)到對(duì)河流水質(zhì)狀況的監(jiān)測(cè)。而這些站點(diǎn)分散度較大,，所采集的河流水質(zhì)數(shù)據(jù)比較片面,，不能反映整個(gè)河流的水質(zhì)狀況；加上傳送分析手段落后,，監(jiān)測(cè)的結(jié)果總是滯后于水質(zhì)變化,，不能及時(shí)反映河流水質(zhì)的動(dòng)態(tài)狀況。因此研制一種能夠?qū)崟r(shí)反映河流水質(zhì)的系統(tǒng)非常必要,。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù),、通信技術(shù)和GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)的發(fā)展，使得研制這種系統(tǒng)成為可能,。本文就是基于這些技術(shù),，提出一種基于GIS的河流水質(zhì)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)能夠及時(shí)反映水質(zhì)的狀況,。
2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)中心和數(shù)據(jù)采集終端兩部分組成,。監(jiān)測(cè)中心是整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)器，運(yùn)行GIS系統(tǒng),；數(shù)據(jù)采集終端即嵌入式系統(tǒng),，進(jìn)行河流水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)地采集,。由于河流水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)覆蓋的范圍廣，GIS系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集終端之間通過(guò)TCP/IP進(jìn)行互聯(lián)通訊,。數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)TCP/IP來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離的可靠傳輸,，監(jiān)測(cè)中心GIS接收所有終端采集的河流水質(zhì)數(shù)據(jù)，對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),、分析,、管理、查詢和顯示以及管理所有采集終端,。
3 GIS系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
GIS即地理信息系統(tǒng),，是集地理學(xué)、幾何學(xué),、計(jì)算機(jī)學(xué)等科學(xué)于一體,，利用圖形技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，對(duì)空間信息及其屬性信息進(jìn)行采集,、存儲(chǔ),、分析管理和顯示的系統(tǒng)。它主要的特點(diǎn)是管理空間對(duì)象,，能夠?qū)⒏鞣N空間位置,、空間分布以及空間關(guān)系通過(guò)數(shù)字地圖顯示出來(lái)。
本設(shè)計(jì)中,，利用GIS對(duì)河流水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),、分析、模擬和顯示,，實(shí)現(xiàn)對(duì)河流水質(zhì)的監(jiān)測(cè),。整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS可視化界面以及水質(zhì)模型組成,。GIS系統(tǒng)框圖如圖
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GIS可視化界面直接管理空間對(duì)象,，顯示空間對(duì)象的空間位置、空間分布等空間屬性,，并通過(guò)關(guān)聯(lián)空間屬性來(lái)顯示空間對(duì)象的非空間屬性數(shù)據(jù),。這些空間屬性和非空間屬性分別以空間數(shù)據(jù)庫(kù)和非空間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)管理GIS的各種空間數(shù)據(jù),，包括地形圖、各種專(zhuān)題地圖,，流域,、嵌入式系統(tǒng)終端、污染源等對(duì)象的地理位置坐標(biāo)、形狀等,。非空間屬性數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，管理各種非空間屬性數(shù)據(jù),，包括水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（如河流流量,、流速、溶解氧DO等）,、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),、社會(huì)屬性數(shù)據(jù)（如經(jīng)濟(jì)狀況、工業(yè)布局,、水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等）等,。
GIS可視化界面通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)提供的各種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)接口，讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù),，并通過(guò)空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)作用,，在GIS界面進(jìn)行共同分析和顯示等處理。同時(shí),，通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)的相互作用,，GIS實(shí)現(xiàn)了查詢、定位,、分析,、模擬和預(yù)警等功能。
水質(zhì)模型是污染物在水環(huán)境中的變化規(guī)律及影響因素之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)描述,，是水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的重要手段之一,。今年來(lái)各種多變量綜合水質(zhì)模型得到研究和應(yīng)用，如美國(guó)國(guó)家環(huán)保局開(kāi)發(fā)的QUAL模型系列,，丹麥水動(dòng)力研究所開(kāi)發(fā)的MIKE模型系列,。這些水質(zhì)模型非常細(xì)致地描述了污染物在水體中的遷移和轉(zhuǎn)化過(guò)程，但參數(shù)眾多,，結(jié)構(gòu)復(fù)雜,。設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際的需要對(duì)綜合水質(zhì)模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)了零維,、多維水質(zhì)模型和水環(huán)境容量模型,。
實(shí)際上水質(zhì)模型處理的對(duì)象是流域，是空間對(duì)象,，因此設(shè)計(jì)中將水質(zhì)模型完全集成在GIS中,，成為GIS的一部分功能。GIS能夠直接利用水質(zhì)模型對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析模擬,，而模擬的結(jié)果可以直接在GIS可視化界面上顯示,；這樣彌補(bǔ)了水質(zhì)模型在表達(dá)方面的不足和GIS在分析模擬方面的不足。
4 嵌入式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，軟件硬件可裁減的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),，具有集成度高,、成本低、支持各種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)功能等優(yōu)點(diǎn),。
本設(shè)計(jì)中采用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行野外水質(zhì)數(shù)據(jù)采集,，并通過(guò)TCP/TP將采集數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測(cè)。根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同,，系統(tǒng)劃分為處理器模塊,、存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊,、網(wǎng)絡(luò)模塊和其他外設(shè)接口,。系統(tǒng)模塊劃分圖如圖3。每一模塊由硬件和軟件兩部分組成,，它們一起完成特定的功能,。
處理器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，由低價(jià)位,、低功耗的32位核ARM7TDMI和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II構(gòu)成,，主要負(fù)責(zé)外部硬件設(shè)備的管理、外部中斷控制,、任務(wù)的調(diào)度和各個(gè)功能模塊之間的通訊和信息交換,。所有其它模塊的軟件都在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行，是具有不同的優(yōu)先級(jí)的任務(wù),，任一時(shí)刻處于睡眠態(tài),、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài),、等待態(tài)及中斷態(tài)的狀態(tài)之一,。操作系統(tǒng)通過(guò)發(fā)送郵箱結(jié)構(gòu)消息來(lái)控制各個(gè)模塊狀態(tài)。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊由存儲(chǔ)器和文件系統(tǒng)構(gòu)成,，負(fù)責(zé)程序和采集數(shù)據(jù)的存放,。存儲(chǔ)器采用2MFlashRom+16MNandFlash+8MSdram，其中2MFlashRom用來(lái)存放系統(tǒng)的引導(dǎo)程序,，16MNandFlash負(fù)責(zé)存貯程序以及數(shù)據(jù),，8MSdram負(fù)責(zé)程序運(yùn)行和數(shù)據(jù)存貯等任務(wù)。針對(duì)NandFlash,，設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了Fat16格式的文件系統(tǒng),。文件系統(tǒng)將系統(tǒng)任務(wù)與數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)，這樣避免了存儲(chǔ)與讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)影響系統(tǒng),；并且提供標(biāo)準(zhǔn)的API接口以及引入高速讀寫(xiě)緩沖,，避免了任務(wù)直接對(duì)NandFlash讀寫(xiě),，解決了CPU和Flash存儲(chǔ)器之間讀取數(shù)據(jù)的速度問(wèn)題。
數(shù)據(jù)采集模塊由各種傳感器,、數(shù)據(jù)采集任務(wù)以及數(shù)據(jù)處理任務(wù)構(gòu)成,，負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)的采集和處理工作。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)中,，傳感器采集的數(shù)據(jù)主要是水質(zhì)綜合指標(biāo)（如溶解氧DO）,、水質(zhì)污染指標(biāo)（如生化需氧量BOD、化學(xué)需氧量COD）以及水文參數(shù)（流速和流量）,。數(shù)據(jù)采集任務(wù)主要完成模擬量采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)字量處理等功能,。它通常處于等待狀態(tài),，等待包含控制參數(shù)的消息?？刂茀?shù)主要是采用頻率,、通道的選擇以及啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。同時(shí)為數(shù)據(jù)采集任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)4K容量的環(huán)型堆棧,，用來(lái)暫時(shí)保存采樣數(shù)據(jù),。數(shù)據(jù)處理任務(wù)大多時(shí)候處于空閑狀態(tài)，具有與數(shù)據(jù)采集任務(wù)同樣大小的堆棧,，當(dāng)需要立即傳送數(shù)據(jù)時(shí)才被調(diào)用,。
網(wǎng)絡(luò)模塊由網(wǎng)卡芯片8019as、嵌入式TCP/IP協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)任務(wù)構(gòu)成,，主要完成網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收以及與監(jiān)測(cè)中心GIS系統(tǒng)進(jìn)行通信,。本系統(tǒng)參照UNIX的TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)的TCP/IP的所有基本協(xié)議,。整個(gè)TCP/IP分為應(yīng)用層,、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層,；其中網(wǎng)絡(luò)層由TP協(xié)議和ICMP協(xié)議組成,，數(shù)據(jù)鏈路層由網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序和ARP協(xié)議組成。各個(gè)層之間操作是互相隔離的,，通過(guò)調(diào)用API接口函數(shù)進(jìn)行通訊,把需要處理的數(shù)據(jù)傳送給上層或者下層協(xié)議,。
同時(shí)，系統(tǒng)保留了一些外設(shè)接口,，以便今后系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和升級(jí),。
5 嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程
嵌入式系統(tǒng)上電后，啟動(dòng)FlashRom中的BootLoader對(duì)CPU進(jìn)行初始化以及網(wǎng)卡等硬件自檢,；接著開(kāi)始將NandFlash中的操作系統(tǒng)內(nèi)核以及應(yīng)用程序任務(wù)拷貝到Sdram中,。
完畢后操作系統(tǒng)獲得CPU控制權(quán),，開(kāi)始了操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序任務(wù)的初始化操作。首先初始化所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，分配堆?？臻g，建立消息隊(duì)列,，建立任務(wù)等,；接著讀取存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)中的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，這些參數(shù)包括各個(gè)任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài),、數(shù)據(jù)采集的采樣頻率,、遠(yuǎn)程主機(jī)的IP地址，本地的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)和系統(tǒng)的登陸密碼等系統(tǒng)信息,，并對(duì)任務(wù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,。
系統(tǒng)初始化后，各個(gè)任務(wù)處于睡眠狀態(tài),，必須通過(guò)消息來(lái)激活,。
6 水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)
水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)TCP/IP將野外采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心將接收到的水質(zhì)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定的分析處理后在GIS上顯示,，以達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的作用,。整個(gè)水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分為兩個(gè)部分：水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集傳送和水質(zhì)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。
6.1水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集傳送
水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集傳送由數(shù)據(jù)采集任務(wù),、數(shù)據(jù)處理任務(wù),、網(wǎng)絡(luò)任務(wù)、操作系統(tǒng)任務(wù)和文件系統(tǒng)共同完成,。
通常情況下數(shù)據(jù)采集任務(wù)處于睡眠延時(shí)等待狀態(tài),，延時(shí)時(shí)間到數(shù)據(jù)采集任務(wù)被激活，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)保存在自己的堆棧中,，完畢后重新進(jìn)入睡眠等待狀態(tài),。本設(shè)計(jì)中延時(shí)一次為10s，即10s采集一次,?？梢酝ㄟ^(guò)改變采集任務(wù)的延時(shí)時(shí)間來(lái)改變整個(gè)系統(tǒng)的采樣頻率。
一次數(shù)據(jù)采集完畢后,，對(duì)堆棧中的數(shù)據(jù)有兩種處理方式,，一種是立即傳送方式，另一種是正常處理方式,。
立即傳送方式主要監(jiān)測(cè)污染事故對(duì)河流水質(zhì)的影響,。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重污染事故時(shí)，需要及時(shí)快速的了解水質(zhì)狀況,，監(jiān)測(cè)中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向嵌入式采集終端發(fā)送一個(gè)立即傳送命令,，操作系統(tǒng)任務(wù)對(duì)命令進(jìn)行處理判斷后發(fā)消息激活數(shù)據(jù)處理任務(wù),，數(shù)據(jù)處理任務(wù)將采集任務(wù)堆棧中的數(shù)據(jù)讀到自己的堆棧中，讀完后清空采集任務(wù)堆棧并進(jìn)入睡眠狀態(tài),。接著操作系統(tǒng)任務(wù)發(fā)消息激活網(wǎng)絡(luò)任務(wù),，網(wǎng)絡(luò)任務(wù)將數(shù)據(jù)處理任務(wù)堆棧中的數(shù)據(jù)讀到網(wǎng)卡緩沖區(qū)，讀完后清空數(shù)據(jù)處理任務(wù)堆棧,，TCP/IP開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù),。這種方式采集一次數(shù)據(jù)就傳送一次，實(shí)時(shí)性好,，但是占用太多的系統(tǒng)資源和網(wǎng)絡(luò)資源,。
正常處理方式即按設(shè)計(jì)好的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。一次采樣完畢后,，如果采樣任務(wù)堆棧未滿則繼續(xù)下次采樣,，直到堆棧滿。滿后調(diào)用文件系統(tǒng),，將堆棧中的數(shù)據(jù)以文件形式存儲(chǔ)在Flash中,。且網(wǎng)絡(luò)任務(wù)每隔2小時(shí)被擊激活,，將Flash中的數(shù)據(jù)讀到網(wǎng)卡緩沖區(qū),，接著發(fā)送數(shù)據(jù)。這種方式避免了因過(guò)多的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)以及數(shù)據(jù)傳送而占用系統(tǒng)資源,。
6.2水質(zhì)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示
水質(zhì)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示就是對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后,，在GIS可視化界面上動(dòng)態(tài)顯示。
監(jiān)測(cè)中心接收到水質(zhì)數(shù)據(jù)后,，GIS按一定的規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,，符合規(guī)則的有效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中?？梢暬缑嫱ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)API接口將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀出,，進(jìn)行匯總等處理；然后調(diào)用水質(zhì)模型進(jìn)行分析和模擬,，并將分析模擬的結(jié)果以不同顏色動(dòng)態(tài)顯示在GIS可視化界面上,。如圖5是通過(guò)水容量模型對(duì)湘江長(zhǎng)沙段某一時(shí)間段水質(zhì)模擬結(jié)果的顯示，可以直接判斷出各個(gè)監(jiān)測(cè)段的污染狀況,。
7 總結(jié)
本文提出了一種基于GIS的河流水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),，它實(shí)現(xiàn)了在無(wú)人職守的情況下進(jìn)行野外河流水質(zhì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和傳送；并且通過(guò)將水質(zhì)模型集成在GIS中,，充分利用了GIS的表達(dá)能力和水質(zhì)模型的模擬分析能,，能夠?qū)崟r(shí)反映水質(zhì)的狀況，達(dá)到對(duì)河流水質(zhì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),。
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