論GIS水質動態監測系統

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1引言

目前環保部門主要通過監測站點來采集數據，然后在監測中心通過水質模型對這些數據進行處理分析以達到對河流水質狀況的監測。而這些站點分散度較大，所采集的河流水質數據比較片面，不能反映整個河流的水質狀況；加上傳送分析手段落后，監測的結果總是滯后于水質變化，不能及時反映河流水質的動態狀況[1]。因此研制一種能夠實時反映河流水質的系統非常必要。隨著計算機技術、通信技術和gis（地理信息系統）技術的發展，使得研制這種系統成為可能。本文就是基于這些技術，提出一種基于GIS的河流水質動態的監測系統，這個系統能夠及時反映水質的狀況。

2系統的總體設計

系統總體框圖如圖1。

整個系統由監測中心和數據采集終端兩部分組成。監測中心是整個系統的服務器，運行GIS系統；數據采集終端即嵌入式系統，進行河流水質數據的實地采集。由于河流水質監測覆蓋的范圍廣，GIS系統與數據采集終端之間通過TCP/IP進行互聯通訊。數據采集終端通過TCP/IP來實現數據遠距離的可靠傳輸，監測中心GIS接收所有終端采集的河流水質數據，對水質數據進行存儲、分析、管理、查詢和顯示以及管理所有采集終端。

3GIS系統的實現

GIS即地理信息系統，是集地理學、幾何學、計算機學等科學于一體，利用圖形技術和數據庫技術，對空間信息及其屬性信息進行采集、存儲、分析管理和顯示的系統[2]。它主要的特點是管理空間對象，能夠將各種空間位置、空間分布以及空間關系通過數字地圖顯示出來[3][4][5]。

本設計中，利用GIS對河流水質數據進行存儲、分析、模擬和顯示，實現對河流水質的監測。整個系統由數據庫、GIS可視化界面以及水質模型組成。系統框圖如圖。

圖GIS系統框圖

GIS可視化界面直接管理空間對象，顯示空間對象的空間位置、空間分布等空間屬性，并通過關聯空間屬性來顯示空間對象的非空間屬性數據。這些空間屬性和非空間屬性分別以空間數據庫和非空間數據庫進行管理。空間數據庫管理GIS的各種空間數據，包括地形圖、各種專題地圖，流域、嵌入式系統終端、污染源等對象的地理位置坐標、形狀等。非空間屬性數據庫通過SQL數據庫來實現，管理各種非空間屬性數據，包括水質監測數據（如河流流量、流速、溶解氧DO等）、統計數據、社會屬性數據（如經濟狀況、工業布局、水體水質標準等）等。

GIS可視化界面通過數據庫提供的各種標準數據庫接口，讀取數據庫中的空間數據和非空間數據，并通過空間數據與非空間數據之間的關聯作用，在GIS界面進行共同分析和顯示等處理。同時，通過與數據庫的相互作用，GIS實現了查詢、定位、分析、模擬和預警等功能。

水質模型是污染物在水環境中的變化規律及影響因素之間相互關系的數學描述，是水質監測的重要手段之一[6]。今年來各種多變量綜合水質模型得到研究和應用，如美國國家環保局開發的QUAL模型系列，丹麥水動力研究所開發的MIKE模型系列[7][8]。這些水質模型非常細致地描述了污染物在水體中的遷移和轉化過程，但參數眾多，結構復雜。設計中根據實際的需要對綜合水質模型進行一定的簡化，實現了零維、多維水質模型和水環境容量模型。

實際上水質模型處理的對象是流域，是空間對象，因此設計中將水質模型完全集成在GIS中，成為GIS的一部分功能。GIS能夠直接利用水質模型對水質數據進行分析模擬，而模擬的結果可以直接在GIS可視化界面上顯示；這樣彌補了水質模型在表達方面的不足和GIS在分析模擬方面的不足。

4嵌入式系統的實現

嵌入式系統是以應用為中心，軟件硬件可裁減的計算機系統，具有集成度高、成本低、支持各種實時操作系統以及網絡功能等優點[9][10]。

本設計中采用嵌入式系統進行野外水質數據采集，并通過TCP/TP將采集數據傳送到監測。根據實現功能的不同，系統

劃分為處理器模塊、存儲模塊、數據采集模塊、網絡模塊和其他外設接口。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。

處理器模塊是整個系統的核心，由低價位、低功耗的32位核ARM7TDMI和實時操作系統μC/OS-II構成，主要負責外部硬件設備的管理、外部中斷控制、任務的調度和各個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的基礎上實現和運行，是具有不同的優先級的任務，任一時刻處于睡眠態、就緒態、運行態、等待態及中斷態的狀態之一。操作系統通過發送郵箱結構消息來控制各個模塊狀態。

數據存儲模塊由存儲器和文件系統構成，負責程序和采集數據的存放。存儲器采用2MFlashRom+16MNandFlash+8MSdram，其中2MFlashRom用來存放系統的引導程序，16MNandFlash負責存貯程序以及數據，8MSdram負責程序運行和數據存貯等任務。針對NandFlash，設計中實現了Fat16格式的文件系統。文件系統將系統任務與數據分開存儲，這樣避免了存儲與讀寫數據時影響系統；并且提供標準的API接口以及引入高速讀寫緩沖，避免了任務直接對NandFlash讀寫，解決了CPU和Flash存儲器之間讀取數據的速度問題。

數據采集模塊由各種傳感器、數據采集任務以及數據處理任務構成，負責各種數據的采集和處理工作。水質監測中，傳感器采集的數據主要是水質綜合指標（如溶解氧DO）、水質污染指標（如生化需氧量BOD、化學需氧量COD）以及水文參數（流速和流量）。數據采集任務主要完成模擬量采集、模數轉換以及數字量處理等功能。它通常處于等待狀態，等待包含控制參數的消息。控制參數主要是采用頻率、通道的選擇以及啟動模數轉換器等。同時為數據采集任務設計一個4K容量的環型堆棧，用來暫時保存采樣數據。數據處理任務大多時候處于空閑狀態，具有與數據采集任務同樣大小的堆棧，當需要立即傳送數據時才被調用。

網絡模塊由網卡芯片8019as、嵌入式TCP/IP協議以及網絡任務構成，主要完成網絡的數據發送和接收以及與監測中心GIS系統進行通信。本系統參照UNIX的TCP/IP協議，實現的TCP/IP的所有基本協議。整個TCP/IP分為應用層、傳輸層、網絡層和數據鏈路層；其中網絡層由TP協議和ICMP協議組成，數據鏈路層由網卡驅動程序和ARP協議組成。各個層之間操作是互相隔離的，通過調用API接口函數進行通訊,把需要處理的數據傳送給上層或者下層協議。

同時，系統保留了一些外設接口，以便今后系統功能的擴展和升級。

5嵌入式系統運行過程

嵌入式系統上電后，啟動FlashRom中的BootLoader對CPU進行初始化以及網卡等硬件自檢；接著開始將NandFlash中的操作系統內核以及應用程序任務拷貝到Sdram中。

完畢后操作系統獲得CPU控制權，開始了操作系統和應用程序任務的初始化操作。首先初始化所有數據結構，分配堆棧空間，建立消息隊列，建立任務等；接著讀取存儲在文件系統中的系統運行狀態參數，這些參數包括各個任務的運行狀態、數據采集的采樣頻率、遠程主機的IP地址，本地的默認網關和系統的登陸密碼等系統信息，并對任務進行參數調整。

系統初始化后，各個任務處于睡眠狀態，必須通過消息來激活。

6水質動態監測的實現

水質動態監測的實現是通過TCP/IP將野外采集的水質數據實時傳送到監測中心，監測中心將接收到的水質數據經過一定的分析處理后在GIS上顯示，以達到動態監測的作用。整個水質動態監測分為兩個部分：水質數據的實時采集傳送和水質數據的動態顯示。

6.1水質數據的實時采集傳送

水質數據的實時采集傳送由數據采集任務、數據處理任務、網絡任務、操作系統任務和文件系統共同完成。

通常情況下數據采集任務處于睡眠延時等待狀態，延時時間到數據采集任務被激活，進行一次數據采集并將數據保存在自己

的堆棧中，完畢后重新進入睡眠等待狀態。本設計中延時一次為10s，即10s采集一次。可以通過改變采集任務的延時時間來改變整個系統的采樣頻率。

一次數據采集完畢后，對堆棧中的數據有兩種處理方式，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測污染事故對河流水質的影響。當出現嚴重污染事故時，需要及時快速的了解水質狀況，監測中心通過網絡向嵌入式采集終端發送一個立即傳送命令，操作系統任務對命令進行處理判斷后發消息激活數據處理任務，數據處理任務將采集任務堆棧中的數據讀到自己的堆棧中，讀完后清空采集任務堆棧并進入睡眠狀態。接著操作系統任務發消息激活網絡任務，網絡任務將數據處理任務堆棧中的數據讀到網卡緩沖區，讀完后清空數據處理任務堆棧，TCP/IP開始發送數據。這種方式采集一次數據就傳送一次，實時性好，但是占用太多的系統資源和網絡資源。

正常處理方式即按設計好的方式進行數據傳送。一次采樣完畢后，如果采樣任務堆棧未滿則繼續下次采樣，直到堆棧滿。滿后調用文件系統，將堆棧中的數據以文件形式存儲在Flash中。且網絡任務每隔2小時被擊激活，將Flash中的數據讀到網卡緩沖區，接著發送數據。這種方式避免了因過多的數據讀寫以及數據傳送而占用系統資源。

6.2水質數據的動態顯示

水質數據的動態顯示就是對水質數據進行分析和處理后，在GIS可視化界面上動態顯示。

監測中心接收到水質數據后，GIS按一定的規則對數據進行驗證，符合規則的有效數據存儲到數據庫中。可視化界面通過數據庫API接口將存儲的數據讀出，進行匯總等處理；然后調用水質模型進行分析和模擬，并將分析模擬的結果以不同顏色動態顯示在GIS可視化界面上。

6總結

本文提出了一種基于GIS的河流水質動態監測系統，它實現了在無人職守的情況下進行野外河流水質數據的自動采集和傳送；并且通過將水質模型集成在GIS中，充分利用了GIS的表達能力和水質模型的模擬分析能，能夠實時反映水質的狀況，達到對河流水質的動態監測。

參考文獻

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2羅云啟，曾琨等.數字化地理信息系統建設與Mapinfo高級應用[M].北京：清華大學出版社，2003.

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