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校园开放水体可视化水质监测GIS系统研发

来源:用户上传      作者:周博宇 李以琳 杜要 周昱极 詹凯迪

  摘要:为改善校园环境,保障全体师生的身心健康,设计一种基于GIS校园人工湖水质监测系统。以GIS和物联网技术为基础,实现水质监测、水质分析、实时预警等功能。本系统结合物联网与地理信息技术的优势,能够为校园开放水体水质监测提供技术支持。
  关键词:水质监测;GIS;物联网
  1概述
  为改善校园生态环境,提升校园美观度,人工湖成为校园建设必不可少的一个项目。但由于校园人工湖生态系统较为单一、来水量小、存储水量不大、水体自净能力差、水体置换率低等特点,校园内人工湖经常出现水体污染现象[1]。水体富营养化本是湖泊演化过程中的一种自然现象,这种演化是十分缓慢的,但由于人类活动的影响,大大加速了这一进程,严重影响水环境质量和功能,破坏了生态平衡,造成经济损失[2]。水体污染使人工湖达不到美化校园的目的,甚至会对师生的身心健康造成严重的危害。随着计算机信息技术和网络技术的快速进步,物联网技术已广泛应用于社会生产生活的方方面面,物联网技术与各行业的结合已成为当今时代的重要发展潮流[3]。为消除安全隐患,创建平安校园,本文将GIS与物联网技术相结合,利用GIS的空间特征对人工湖水质进行监测将水质信息可视化,实现水质监测实时预警,建设校园开放水体可视化水质监测平台。
  2系统整体设计
  以地理信息技术、计算机技术、物联网技术为基础,建立校园水质信息数据库及水体水质信息监测系统,实现多种水质参数的自动采集及GIS“一张图”实时水质信息可视化,并在水质参数超标时作出预警,提高校园水质监测管理工作效率。校园开放水体监测系统设置基础地图模块、设备管理模块、水质监测模块、水质分析模块、权限管理模块。
  2.1基础数据采集制作及数据库设计
  2.1.1数据采集及制作
  使用无人机采集校园高分辨率遥感影像,以校园设计线划图、高分辨率遥感影像为基础,制作校园高精度矢量地图。
  物联网系统主要由传感器、模数转换器(ADC)、微控制器、SD存储器和通信系统组成。水质传感器运用5G通信模块与数据中心通信,将数据解码后入库,当网络环境波动时,数据将存储在SD存储器中,待通信恢复后实现断点上传。监控视频则采用视频厂商产品,通过4G或5G通信,以流媒体形式与数据中心交互、存储,并提供接口来展示系统调用集成。物联网技术在设备连接、大数据量承载方面具有独特的优势[4]。辅以数据交换以及远程操作等手段,可进一步提高人与物、物与物的交互效率,实现智能化识别、定位、跟踪、监测校园开放水体水质状况。
  2.1.2数据库设计
  校园开放水体可视化水质监测GIS系统数据库主要目标是实现系统主要功能,既能够储存管理水质监测、传感器、用户等数据的基础属性指标,又能储存其空间数据。数据库模型设计由概念模型设计和逻辑模型设计组成。
  2.1.2.1概念模型设计
  数据经综合、归纳和抽象处理,按照一定的功能需求建立一个脱离硬件环境的数据库概念模型。E-R图是描述概念模式的有力工具,它采用三个基本概念:实体集、联系集和属性[5]。根据定义实体、定义联系、定义属性的顺序设计E-R图作为数据库概念模型。如图2所示。
  2.1.2.2逻辑模型设计
  基础地理信息数据库包括矢量数据和遥感影像,两者分别通过表设计、文件形式存入数据库,在地图样式配置完毕后使用地图服务形式发布,提供给基础地图模块使用;水质监测数据库建立CODcr(化学需氧量)、NH3-N(氨氮)、T-N(总氮)、T-P(总磷)、pH值(酸碱度)、Turb(浊度)、DO(溶解氧)等数据表,用于储存标准范围和实时数据。设备信息数据库包括传感器ID、传感器运行状态、传感器的位置信息(经度、纬度)等数据表;用户信息数据库包括储存用户名、密码、联系方式、在线状态等数据表。
  2.2基础地图模块
  通过实现校园高精度矢量地图和遥感影像等基础地理信息承载,将校园开放水体精确展示在平台上。系统实现多个基础地图接口,可进行缩放、平移、图层控制、距离面积量算、空间点位标注等操作;设计地图鹰眼,当地图缩放达到一定等级的时候,实现地图的大面积漫游[6];设立气象小窗,通过网络获取实时天气情况。地图是图像式的再现,这种再现使人们对事物、概念、状况、过程形成了一种空间上的理解基础[7]。地图模块是可视化的基础,也是用户最直观的体验。
  2.3设备管理模块
  为便于查看设备情况、调整设备部署,因此设立设备管理模块。设备管理模块用于查看监测设备、监控摄像头的运行状态,包括在线状态和连续在线时间等;可添加、修改和删除设备、更改设备IP和端口、设置设备地图交互点位置等;可查看监测点实时的监控视频,获取摄像头视频URL等。设备管理模块为监测数据的稳定性和视频数据的真实性提供保障。
  2.4水质监测模块
  水质监测模块是本系统的数据来源,将监测点布设在地图上,点击即可查看相应的水质监测点的水质信息、视频监控信息等。通过水质监测模块可查看实时数据和监控画面,并且能够查看并下载历史数据和回看监控影像。根据我国《地表水环境质量标准》可知人工湖属于三类及以下水体,水质监测模块将根据实时数据得出监测点的水质级别。在地图上三类及四水体展示为浅蓝色,水质数据出现异常时,相应点位将在地图中变为红色并第一时间发出警报,将情况通报给管理人员,将实时监控画面置顶。水质监测模块能够对水质异常的位置进行精准的确认,进一步缩小水污染的范围,使问题能够得到针对性的处理[8]。
  2.5水质分析模块
  水质分析模块是本系统的核心,通过预设算法可实现统计图绘制、空间插值分析、热力图分析等功能。系统对水质监测历史数据进行处理分析,去除其中的异常值,得出日平均数据,进而得出月平均数据并绘制统计图,能够反映开放水体长期水质变化情况。为获得监测区整体相关水质数据,系统通过对监测点数据进行空间插值,形成测量值表面。空间插值运用克里金法。克里金插值是空间统计学插值的主要方法[9],也是目前应用最广泛的一种空间插值方法。对于估值结果而言,该方法具有一定的低通滤波作用,但其也是最有效的一种小邻域均值估算方法,具体为:

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  式中Z(Si)为第i个位置处的测量值,λi为第i个位置处的测量值的未知权重,S0为预测位置,N为测量值数[10]。污染发生后,系统将进行热力图分析,将受污染的区域按照受影响的程度进行划分,便于工作人员进行处理,将负面影响降到最小。
  2.6权限管理模块
  为保证校园开放水体可视化水质监测GIS系统的稳定和水质数据的安全,本系统对用户权限进行分级处理,分为高、中、低三种权限,各级用户的基础信息表、权限表和关联表组成用户管理表(如图4所示)。高级权限可使用空间分析、调用下载历史数据、设备管理、权限管理等功能;中级权限可使用调用下载历史数据、设备管理等功能;低级权限仅可查看实时数据。
  结语
  校园开放水体可视化水质监测GIS系统将物联网与GIS技术相结合,实现对开放水体水质进行实时监测,使水质监测的准确性、时效性得到显著提高。使用本系统对校园开放水体进行水质监测可及时发现水质污染问题,便于第一时间采取措施解决问题,减少水污染带来的负面影响,能够解决校园水质自动监测预警的痛点问题,具有重要的科研与社会意义,且在提升校园环境的美观度,保障全校师生的身体健康等方面有着至关重要的作用。本系统将水质监测数据可视化在一张图上,可覆盖整个校园水质环境,运行稳定、功能可靠、误报率低、水质监测精度达到行业领先水平。将该项目推广应用具有很强的社会效益和经济效益。
  参考文献:
  [1]於孟元,赵忠伟.城市人工湖泊水环境保护研究概述[J].水利水电报,2020,41(06):25-32.
  [2]洪钰婷,王尉铭,谢童,等.校园人工湖水质监测及富营养化状况评价[J].科技风,2020(30):97-98.
  [3]白雪杰,郭雷岗,姜鸽.物联网技术在智能电网中的应用研究[J].物联网技术,2022,12(3):83-85.
  [4]梁仕贤,羊保品.物联网技术在综合管廊智慧化中的应用研究[J].智能建筑与智慧城市,2022(02):168-170.
  [5]牛荣,陈纪龙,杜义君.数据库设计中ER模型设计的一些基本问题探讨[J].信息技术与信息化,2019(07):189-192.
  [6]李俊,张晓晓.轻量级WebGIS系统中鹰眼技术的设计与实现[J].福建电脑,2020,36(09):109-110.
  [7]HarleyJB.TheHistoryofCartography[M],Chica-go:UniversityofChicagoPress,1987.
  [8]汪洁晶,王丹志,郭连峰,等.GIS技术在水文水资源领域中的应用及发展趋势[J].工程技术研究,2020,5(21):241-242.
  [9]王靖波,潘懋,张绪定,基于Kriging方法的空间散乱点插值[J].计算机辅助设计与图形学学报,1999,11(6):525-529.
  [10]鲁晨阳,李雪聪,田凌云,等.插值方法对河道数字水深模型精度的影响[J].四川水利发电,2021,40(04):33-36.
  作者简介:周博宇(2002―),男,汉族,浙江温州人,浙江水利水电学院本科在读,研究方向:地理信息科学。
  *通讯作者:杜要(1990―),男,汉族,山东枣庄人,硕士研究生,中级工程师,浙江数智交院科技股份有限公司研发经理,研究方向:cim、智慧孪生等。

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