基于GIS的河流水質動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

1、基于GIS的河道水質動態(tài)監(jiān)測體系摘要針對如今水質監(jiān)測本領的缺陷，本文將嵌入式體系、TP/IP、水質模子和GIS技能結合起來，提出一種基于GIS的河道水質動態(tài)監(jiān)測體系，并詳細形貌了體系的實現及動態(tài)監(jiān)測的歷程。關鍵詞GIS嵌入式體系TP/IP水質模子動態(tài)監(jiān)測1弁言如今環(huán)保部分重要通過監(jiān)測站點來網羅數據，然后在監(jiān)測中央通過水質模子對這些數據舉行處置懲罰闡發(fā)以到達對河道水質狀態(tài)的監(jiān)測。而這些站點疏散度較大，所網羅的河道水質數據比力單方面，不克不及反響整個河道的水質狀態(tài)；加上傳送闡發(fā)本領落伍，監(jiān)測的效果總是滯后于水質變革，不克不及及時反響河道水質的動態(tài)狀態(tài)1。因此研制一種可以或許及時反響河道水質的體系非

2、常需要。隨著盤算機技能、通訊技能和GIS地理信息體系技能的生長，使得研制這種體系成為大概。本文就是基于這些技能，提出一種基于GIS的河道水質動態(tài)的監(jiān)測體系，這個體系可以或許及時反響水質的狀態(tài)。2體系的總體方案體系總體框圖如圖1。整個體系由監(jiān)測中央和數據網羅終端兩部分構成。監(jiān)測中央是整個體系的辦事器，運行GIS體系；數據網羅終端即嵌入式體系，舉行河道水質數據的實地網羅。由于河道水質監(jiān)測覆蓋的范疇廣，GIS體系與數據網羅終端之間通過TP/IP舉行互聯(lián)通訊。數據網羅終端通過TP/IP來實現數據遠間隔的可靠傳輸，監(jiān)測中央GIS吸收全部終端網羅的河道水質數據，對水質數據舉行存儲、闡發(fā)、辦理、查詢和表現以

3、及辦理全部網羅終端。圖1體系總體框圖3GIS體系的實現GIS即地理信息體系，是集地理學、多少學、盤算機學等科學于一體，使用圖形技能和數據庫技能，對空間信息及其屬性信息舉行網羅、存儲、闡發(fā)辦理和表現的體系2。它重要的特點是辦理空間工具，可以或許將種種空間位置、空間漫衍以及空間干系通過數字輿圖表現出來345。本方案中，使用GIS對河道水質數據舉行存儲、闡發(fā)、模擬和表現，實現對河道水質的監(jiān)測。整個體系由數據庫、GIS可視化界面以及水質模子構成。體系框圖如圖2。圖2GIS體系框圖GIS可視化界面直接辦理空間工具，表現空間工具的空間位置、空間漫衍等空間屬性，并通過關聯(lián)空間屬性來表現空間工具的非空間屬性數

4、據。這些空間屬性和非空間屬性別離以空間數據庫和非空間數據庫舉行辦理?？臻g數據庫辦理GIS的種種空間數據，包羅地形圖、種種專題輿圖，流域、嵌入式體系終端、污染源等工具的地理位置坐標、外形等。非空間屬性數據庫通過SQL數據庫來實現，辦理種種非空間屬性數據，包羅水質監(jiān)測數據如河道流量、流速、溶解氧D等、統(tǒng)計數據、社會屬性數據如經濟狀態(tài)、產業(yè)布局、水體水質尺度等等。GIS可視化界面通過數據庫提供的種種尺度數據庫接口，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(lián)作用，在GIS界面舉行配合闡發(fā)和表現等處置懲罰。同時，通過與數據庫的彼此作用，GIS實現了查詢、定位、闡發(fā)、模擬和預

5、警等成效。水質模子是污染物在水環(huán)境中的變革紀律及影響因素之間彼此干系的數學形貌，是水質監(jiān)測的緊張本領之一6。本年來種種多變量綜合水質模子得到研究和應用，如美國國度環(huán)保局開拓的QUAL模子系列，丹麥水動力研究所開拓的IKE模子系列78。這些水質模子非常過細地形貌了污染物在水體中的遷徙和轉化歷程，但參數浩繁，布局龐大。方案中按照現實的必要對綜合水質模子舉行必然的簡化，實現了零維、多維水質模子和水環(huán)境容量模子?，F實上水質模子處置懲罰的工具是流域，是空間工具，因此方案中將水質模子完全集成在GIS中，成為GIS的一部分成效。GIS可以或許直接使用水質模子對水質數據舉行闡發(fā)模擬，而模擬的效果可以直接在GI

6、S可視化界面上表現；如許補充了水質模子在表達方面的不敷和GIS在闡發(fā)模擬方面的不敷。4嵌入式體系的實現嵌入式體系是以應用為中央，軟件硬件可淘汰的盤算機體系，具有集成度高、本錢低、支持種種及時操縱體系以及網絡成效等長處910。本方案中接納嵌入式體系舉行田野水質數據網羅，并通過TP/TP將網羅數據傳送到監(jiān)測。按照實現成效的差異，體系分別為處置懲罰器模塊、存儲模塊、數據網羅模塊、網絡模塊和其他外設接口。體系模塊分別圖如圖3。每一模塊由硬件和軟件兩部分構成，它們一起完成特定的成效。圖3嵌入式體系框圖處置懲罰器模塊是整個體系的焦點，由低價位、低功耗的32位核AR7TDI和及時操縱體系/S-II構成，重要

7、賣力外部硬件裝備的辦理、外部停頓操縱、使命的調理和各個成效模塊之間的通訊和信息互換。全部別的模塊的軟件都在操縱體系的底子上實現和運行，是具有差異的優(yōu)先級的使命，任一時候處于就寢態(tài)、停當態(tài)、運行態(tài)、等候態(tài)及停頓態(tài)的狀態(tài)之一。操縱體系通過發(fā)送郵箱布局消息來操縱各個模塊狀態(tài)。數據存儲模塊由存儲器和文件體系構成，賣力步伐和網羅數據的存放。存儲器接納2FlashR+16NandFlash+8Sdra，此中2FlashR用來存放體系的引導步伐，16NandFlash賣力存貯步伐以及數據，8Sdra賣力步伐運行和數據存貯等使命。針對NandFlash，方案中實現了Fat16格式的文件體系。文件體系將體系使命

8、與數據分開存儲，如許制止了存儲與讀寫數據時影響體系；而且提供尺度的API接口以及引入高速讀寫緩沖，制止了使命直接對NandFlash讀寫，辦理了PU和Flash存儲器之間讀取數據的速率題目。數據網羅模塊由種種傳感器、數據網羅使命以及數據處置懲罰使命構成，賣力種種數據的網羅和處置懲罰事情。水質監(jiān)測中，傳感器網羅的數據重要是水質綜合指標如溶解氧D、水質污問鼎標如生化需氧量BD、化學需氧量D以及水文參數流速和流量。數據網羅使命重要完成模擬量網羅、模數轉換以及數字量處置懲罰等成效。它通常處于等候狀態(tài)，等候包羅操縱參數的消息。操縱參數重要是接納頻率、通道的選擇以及啟動模數轉換器等。同時為數據網羅使命方案

9、一個4K容量的環(huán)型堆棧，用降臨時保存采樣數據。數據處置懲罰使命大多時間處于空閑狀態(tài)，具有與數據網羅使命同樣巨細的堆棧，當必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TP/IP協(xié)議以及網絡使命構成，重要完成網絡的數據發(fā)送和吸收以及與監(jiān)測中央GIS體系舉行通訊。本體系參照UNIX的TP/IP協(xié)議，實現的TP/IP的全部根本協(xié)議。整個TP/IP分為應用層、傳輸層、網絡層和數據鏈路層；此中網絡層由TP協(xié)媾和IP協(xié)議構成，數據鏈路層由網卡驅動步伐和ARP協(xié)議構成。各個層之間操縱是互相斷絕的，通過調用API接口函數舉行通訊,把必要處置懲罰的數據傳送給上層大概下層協(xié)議。同時，體系保存了

10、一些外設接口，以便以后體系成效的擴展和晉級。5嵌入式體系運行歷程嵌入式體系上電后，啟動FlashR中的BtLader對PU舉行初始化以及網卡等硬件自檢；接著開始將NandFlash中的操縱體系內核以及應用步伐使命拷貝到Sdra中。完畢后操縱體系得到PU操縱權，開始了操縱體系和應用步伐使命的初始化操縱。起首初始化全部數據布局，分派堆棧空間，創(chuàng)立消息行列，創(chuàng)立使命等；接著讀取存儲在文件體系中的體系運行狀態(tài)參數，這些參數包羅各個使命的運行狀態(tài)、數據網羅的采樣頻率、長途主機的IP地點，當地的默認網關和體系的登岸暗碼等體系信息，并對使命舉行參數調解。體系初始化后，各個使命處于就寢狀態(tài)，必需通過消息來激活

11、。6水質動態(tài)監(jiān)測的實現水質動態(tài)監(jiān)測的實現是通過TP/IP將田野網羅的水質數據及時傳送到監(jiān)測中央，監(jiān)測中央將吸收到的水質數據顛末必然的闡發(fā)處置懲罰后在GIS上表現，以到達動態(tài)監(jiān)測的作用。整個水質動態(tài)監(jiān)測分為兩個部分：水質數據的及時網羅傳送和水質數據的動態(tài)表現。6.1水質數據的及時網羅傳送水質數據的及時網羅傳送由數據網羅使命、數據處置懲罰使命、網絡使命、操縱體系使命和文件體系配合完成。通常環(huán)境下數據網羅使命處于就寢延時等候狀態(tài)，延不時間到數據網羅使命被激活，舉行一次數據網羅并將數據保存在本身的堆棧中，完畢后重新進入就寢等候狀態(tài)。本方案中延時一次為10s，即10s網羅一次?？梢酝ㄟ^改變網羅使命的延不

12、時間來改變整個體系的采樣頻率。一次數據網羅完畢后，對堆棧中的數據有兩種處置懲罰方法，一種是立即傳送方法，另一種是正常處置懲罰方法。立即傳送方法重要監(jiān)測污染變亂對河道水質的影響。當出現嚴峻污染變亂時，必要及時快速的相識水質狀態(tài)，監(jiān)測中央通過網絡向嵌入式網羅終端發(fā)送一個立即傳送下令，操縱體系使命對下令舉行處置懲罰斷定后發(fā)消息激活數據處置懲罰使命，數據處置懲罰使命將網羅使命堆棧中的數據讀到本身的堆棧中，讀完后清空網羅使命堆棧并進入就寢狀態(tài)。接著操縱體系使命發(fā)消息激活網絡使命，網絡使命將數據處置懲罰使命堆棧中的數據讀到網卡緩沖區(qū)，讀完后清空數據處置懲罰使命堆棧，TP/IP開始發(fā)送數據。這種方法網羅一次

13、數據就傳送一次，及時性好，但是占用太多的體系資源和網絡資源。正常處置懲罰方法即按方案好的方法舉行數據傳送。一次采樣完畢后，假設采樣使命堆棧未滿那么繼承下次采樣，直到堆棧滿。滿后調用文件體系，將堆棧中的數據以文件情勢存儲在Flash中。且網絡使命每隔2小時被擊激活，將Flash中的數據讀到網卡緩沖區(qū)，接著發(fā)送數據。這種方法制止了因過多的數據讀寫以及數據傳送而占用體系資源。數據網羅傳送歷程流程圖如圖4。圖4數據網羅傳送歷程流程圖6.2水質數據的動態(tài)表現水質數據的動態(tài)表現就是對水質數據舉行闡發(fā)和處置懲罰后，在GIS可視化界面上動態(tài)表現。監(jiān)測中央吸收到水質數據后，GIS按必然的規(guī)矩對數據舉行驗證，切合

14、規(guī)矩的有用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，舉行匯總等處置懲罰；然后調用水質模子舉行闡發(fā)和模擬，并將闡發(fā)模擬的效果以差異顏色動態(tài)表如今GIS可視化界面上。如圖5是通過水容量模子對湘江長沙段某一時間段水質模擬效果的表現，可以直接斷定出各個監(jiān)測段的污染狀態(tài)。圖5水質模擬效果的表現6總結本文提出了一種基于GIS的河道水質動態(tài)監(jiān)測體系，它實現了在無人職守的環(huán)境下舉行田野河道水質數據的主動網羅和傳送；而且通過將水質模子集成在GIS中，充實使用了GIS的表達本領和水質模子的模擬闡發(fā)能，可以或許及時反響水質的狀態(tài)，到達對河道水質的動態(tài)監(jiān)測。參考文獻1李怡庭.天下水質監(jiān)測方案概述J.中國水利，2022.7.2羅云啟，曾琨等.數字化地理信息體系建立與apinf高級應用.北京：清華大學出書社，2022.3莊重.開放的面向工具地理信息體系內核的數據模子及實現技能武漢大學博士論文D.2002.5曹志月，劉岳.一種面向工具的時空數據模子J.測繪學報.2002-1.8郭勁松