基于GIS的河流水质动态监测系统

1、基于GIS的河道水质动态监测体系摘要针对如今水质监测本领的缺陷，本文将嵌入式体系、TP/IP、水质模子和GIS技能结合起来，提出一种基于GIS的河道水质动态监测体系，并详细形貌了体系的实现及动态监测的历程。关键词GIS嵌入式体系TP/IP水质模子动态监测1弁言如今环保部分重要通过监测站点来网罗数据，然后在监测中央通过水质模子对这些数据举行处置惩罚阐发以到达对河道水质状态的监测。而这些站点疏散度较大，所网罗的河道水质数据比力单方面，不克不及反响整个河道的水质状态；加上传送阐发本领落伍，监测的效果总是滞后于水质变革，不克不及及时反响河道水质的动态状态1。因此研制一种可以或许及时反响河道水质的体系非

2、常需要。随着盘算机技能、通讯技能和GIS地理信息体系技能的生长，使得研制这种体系成为大概。本文就是基于这些技能，提出一种基于GIS的河道水质动态的监测体系，这个体系可以或许及时反响水质的状态。2体系的总体方案体系总体框图如图1。整个体系由监测中央和数据网罗终端两部分构成。监测中央是整个体系的办事器，运行GIS体系；数据网罗终端即嵌入式体系，举行河道水质数据的实地网罗。由于河道水质监测覆盖的范畴广，GIS体系与数据网罗终端之间通过TP/IP举行互联通讯。数据网罗终端通过TP/IP来实现数据远间隔的可靠传输，监测中央GIS吸收全部终端网罗的河道水质数据，对水质数据举行存储、阐发、办理、查询和表现以

3、及办理全部网罗终端。图1体系总体框图3GIS体系的实现GIS即地理信息体系，是集地理学、多少学、盘算机学等科学于一体，使用图形技能和数据库技能，对空间信息及其属性信息举行网罗、存储、阐发办理和表现的体系2。它重要的特点是办理空间工具，可以或许将种种空间位置、空间漫衍以及空间干系通过数字舆图表现出来345。本方案中，使用GIS对河道水质数据举行存储、阐发、模拟和表现，实现对河道水质的监测。整个体系由数据库、GIS可视化界面以及水质模子构成。体系框图如图2。图2GIS体系框图GIS可视化界面直接办理空间工具，表现空间工具的空间位置、空间漫衍等空间属性，并通过关联空间属性来表现空间工具的非空间属性数

4、据。这些空间属性和非空间属性别离以空间数据库和非空间数据库举行办理。空间数据库办理GIS的种种空间数据，包罗地形图、种种专题舆图，流域、嵌入式体系终端、污染源等工具的地理位置坐标、外形等。非空间属性数据库通过SQL数据库来实现，办理种种非空间属性数据，包罗水质监测数据如河道流量、流速、溶解氧D等、统计数据、社会属性数据如经济状态、产业布局、水体水质尺度等等。GIS可视化界面通过数据库提供的种种尺度数据库接口，读取数据库中的空间数据和非空间数据，并通过空间数据与非空间数据之间的关联作用，在GIS界面举行配合阐发和表现等处置惩罚。同时，通过与数据库的彼此作用，GIS实现了查询、定位、阐发、模拟和预

5、警等成效。水质模子是污染物在水环境中的变革纪律及影响因素之间彼此干系的数学形貌，是水质监测的紧张本领之一6。本年来种种多变量综合水质模子得到研究和应用，如美国国度环保局开拓的QUAL模子系列，丹麦水动力研究所开拓的IKE模子系列78。这些水质模子非常过细地形貌了污染物在水体中的迁徙和转化历程，但参数浩繁，布局庞大。方案中按照现实的必要对综合水质模子举行必然的简化，实现了零维、多维水质模子和水环境容量模子。现实上水质模子处置惩罚的工具是流域，是空间工具，因此方案中将水质模子完全集成在GIS中，成为GIS的一部分成效。GIS可以或许直接使用水质模子对水质数据举行阐发模拟，而模拟的效果可以直接在GI

6、S可视化界面上表现；如许补充了水质模子在表达方面的不敷和GIS在阐发模拟方面的不敷。4嵌入式体系的实现嵌入式体系是以应用为中央，软件硬件可淘汰的盘算机体系，具有集成度高、本钱低、支持种种及时操纵体系以及网络成效等长处910。本方案中接纳嵌入式体系举行田野水质数据网罗，并通过TP/TP将网罗数据传送到监测。按照实现成效的差异，体系分别为处置惩罚器模块、存储模块、数据网罗模块、网络模块和其他外设接口。体系模块分别图如图3。每一模块由硬件和软件两部分构成，它们一起完成特定的成效。图3嵌入式体系框图处置惩罚器模块是整个体系的焦点，由低价位、低功耗的32位核AR7TDI和及时操纵体系/S-II构成，重要

7、卖力外部硬件装备的办理、外部停顿操纵、使命的调理和各个成效模块之间的通讯和信息互换。全部别的模块的软件都在操纵体系的底子上实现和运行，是具有差异的优先级的使命，任一时候处于就寝态、停当态、运行态、等候态及停顿态的状态之一。操纵体系通过发送邮箱布局消息来操纵各个模块状态。数据存储模块由存储器和文件体系构成，卖力步伐和网罗数据的存放。存储器接纳2FlashR+16NandFlash+8Sdra，此中2FlashR用来存放体系的引导步伐，16NandFlash卖力存贮步伐以及数据，8Sdra卖力步伐运行和数据存贮等使命。针对NandFlash，方案中实现了Fat16格式的文件体系。文件体系将体系使命

8、与数据分开存储，如许制止了存储与读写数据时影响体系；而且提供尺度的API接口以及引入高速读写缓冲，制止了使命直接对NandFlash读写，办理了PU和Flash存储器之间读取数据的速率题目。数据网罗模块由种种传感器、数据网罗使命以及数据处置惩罚使命构成，卖力种种数据的网罗和处置惩罚事情。水质监测中，传感器网罗的数据重要是水质综合指标如溶解氧D、水质污问鼎标如生化需氧量BD、化学需氧量D以及水文参数流速和流量。数据网罗使命重要完成模拟量网罗、模数转换以及数字量处置惩罚等成效。它通常处于等候状态，等候包罗操纵参数的消息。操纵参数重要是接纳频率、通道的选择以及启动模数转换器等。同时为数据网罗使命方案

9、一个4K容量的环型堆栈，用降临时保存采样数据。数据处置惩罚使命大多时间处于空闲状态，具有与数据网罗使命同样巨细的堆栈，当必要立即传送数据时才被调用。网络模块由网卡芯片8019as、嵌入式TP/IP协议以及网络使命构成，重要完成网络的数据发送和吸收以及与监测中央GIS体系举行通讯。本体系参照UNIX的TP/IP协议，实现的TP/IP的全部根本协议。整个TP/IP分为应用层、传输层、网络层和数据链路层；此中网络层由TP协媾和IP协议构成，数据链路层由网卡驱动步伐和ARP协议构成。各个层之间操纵是互相断绝的，通过调用API接口函数举行通讯,把必要处置惩罚的数据传送给上层大概下层协议。同时，体系保存了

10、一些外设接口，以便以后体系成效的扩展和晋级。5嵌入式体系运行历程嵌入式体系上电后，启动FlashR中的BtLader对PU举行初始化以及网卡等硬件自检；接着开始将NandFlash中的操纵体系内核以及应用步伐使命拷贝到Sdra中。完毕后操纵体系得到PU操纵权，开始了操纵体系和应用步伐使命的初始化操纵。起首初始化全部数据布局，分派堆栈空间，创立消息行列，创立使命等；接着读取存储在文件体系中的体系运行状态参数，这些参数包罗各个使命的运行状态、数据网罗的采样频率、长途主机的IP地点，当地的默认网关和体系的登岸暗码等体系信息，并对使命举行参数调解。体系初始化后，各个使命处于就寝状态，必需通过消息来激活

11、。6水质动态监测的实现水质动态监测的实现是通过TP/IP将田野网罗的水质数据及时传送到监测中央，监测中央将吸收到的水质数据颠末必然的阐发处置惩罚后在GIS上表现，以到达动态监测的作用。整个水质动态监测分为两个部分：水质数据的及时网罗传送和水质数据的动态表现。6.1水质数据的及时网罗传送水质数据的及时网罗传送由数据网罗使命、数据处置惩罚使命、网络使命、操纵体系使命和文件体系配合完成。通常环境下数据网罗使命处于就寝延时等候状态，延不时间到数据网罗使命被激活，举行一次数据网罗并将数据保存在本身的堆栈中，完毕后重新进入就寝等候状态。本方案中延时一次为10s，即10s网罗一次。可以通过改变网罗使命的延不

12、时间来改变整个体系的采样频率。一次数据网罗完毕后，对堆栈中的数据有两种处置惩罚方法，一种是立即传送方法，另一种是正常处置惩罚方法。立即传送方法重要监测污染变乱对河道水质的影响。当出现严峻污染变乱时，必要及时快速的相识水质状态，监测中央通过网络向嵌入式网罗终端发送一个立即传送下令，操纵体系使命对下令举行处置惩罚断定后发消息激活数据处置惩罚使命，数据处置惩罚使命将网罗使命堆栈中的数据读到本身的堆栈中，读完后清空网罗使命堆栈并进入就寝状态。接着操纵体系使命发消息激活网络使命，网络使命将数据处置惩罚使命堆栈中的数据读到网卡缓冲区，读完后清空数据处置惩罚使命堆栈，TP/IP开始发送数据。这种方法网罗一次

13、数据就传送一次，及时性好，但是占用太多的体系资源和网络资源。正常处置惩罚方法即按方案好的方法举行数据传送。一次采样完毕后，假设采样使命堆栈未满那么继承下次采样，直到堆栈满。满后调用文件体系，将堆栈中的数据以文件情势存储在Flash中。且网络使命每隔2小时被击激活，将Flash中的数据读到网卡缓冲区，接着发送数据。这种方法制止了因过多的数据读写以及数据传送而占用体系资源。数据网罗传送历程流程图如图4。图4数据网罗传送历程流程图6.2水质数据的动态表现水质数据的动态表现就是对水质数据举行阐发和处置惩罚后，在GIS可视化界面上动态表现。监测中央吸收到水质数据后，GIS按必然的规矩对数据举行验证，切合

14、规矩的有用数据存储到数据库中。可视化界面通过数据库API接口将存储的数据读出，举行汇总等处置惩罚；然后调用水质模子举行阐发和模拟，并将阐发模拟的效果以差异颜色动态表如今GIS可视化界面上。如图5是通过水容量模子对湘江长沙段某一时间段水质模拟效果的表现，可以直接断定出各个监测段的污染状态。图5水质模拟效果的表现6总结本文提出了一种基于GIS的河道水质动态监测体系，它实现了在无人职守的环境下举行田野河道水质数据的主动网罗和传送；而且通过将水质模子集成在GIS中，充实使用了GIS的表达本领和水质模子的模拟阐发能，可以或许及时反响水质的状态，到达对河道水质的动态监测。参考文献1李怡庭.天下水质监测方案概述J.中国水利，2022.7.2罗云启，曾琨等.数字化地理信息体系建立与apinf高级应用.北京：清华大学出书社，2022.3庄重.开放的面向工具地理信息体系内核的数据模子及实现技能武汉大学博士论文D.2002.5曹志月，刘岳.一种面向工具的时空数据模子J.测绘学报.2002-1.8郭劲松