基于WebGIS的太湖梅梁灣水環(huán)境監(jiān)測預(yù)警平臺設(shè)計研究

徐亮魏宏農(nóng)陳湘軍

(1.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210093;2.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇南京 210036;3.南京大學(xué),江蘇南京 210093)

基于WebGIS的太湖梅梁灣水環(huán)境監(jiān)測預(yù)警平臺設(shè)計研究

徐亮1,2魏宏農(nóng)2陳湘軍3

(1.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210093;2.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇南京 210036;3.南京大學(xué),江蘇南京 210093)

近來年，太湖流域的生態(tài)環(huán)境問題日益突出，本文基于WebGIS理論，開發(fā)集成化的太湖梅梁灣水環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)綜合分析和服務(wù)系統(tǒng)，為流域水環(huán)境風(fēng)險評估和預(yù)警數(shù)據(jù)庫提供實時更新服務(wù)。監(jiān)測預(yù)警體系的構(gòu)建主要包括系統(tǒng)架構(gòu)研究、平臺設(shè)計研究、平臺日常維護應(yīng)用研究等，重點對監(jiān)測體系平臺的設(shè)計進行了詳細的闡述。太湖梅梁灣水環(huán)境風(fēng)險評估預(yù)警平臺采用分布式計算的設(shè)計結(jié)構(gòu)，具有 “水質(zhì)查詢”、“模型預(yù)報”、“監(jiān)控預(yù)警”和“基礎(chǔ)數(shù)據(jù)”四大類十二項功能，初步具備了梅梁灣域水質(zhì)和藍藻水華實時監(jiān)測預(yù)警能力。

WebGIS 太湖 梅梁灣 水環(huán)境監(jiān)測 預(yù)警平臺

圖1 系統(tǒng)技術(shù)模塊劃分

圖2 系統(tǒng)平臺功能結(jié)構(gòu)圖

自20世紀(jì)60年代以來，太湖流域的經(jīng)濟迅速發(fā)展，給環(huán)境帶來了巨大壓力，造成了生態(tài)平臺的嚴(yán)重破壞和環(huán)境質(zhì)量的下降。按現(xiàn)行的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838-88》，20世紀(jì)90年代中期太湖水質(zhì)平均已達IV類，1/3湖區(qū)為V類，表現(xiàn)為平均每10年水質(zhì)下降一個級別，近10多年下降速度明顯加快。特別是2007、2008年太湖爆發(fā)的藍藻事件，其爆發(fā)時間早、規(guī)模強度大，后果已嚴(yán)重威脅了無錫等市的飲水安全，使經(jīng)濟遭受到巨大的損失。因此，防治湖泊水質(zhì)污染，保持生態(tài)平衡，以保證人類正常的生活環(huán)境，已成為現(xiàn)代社會最重要的問題之一。

WebGIS又稱萬維網(wǎng)地理信息系統(tǒng)，它是建立在Web技術(shù)上分布式環(huán)境下的地理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了在Internet/Intranet環(huán)境下存儲、處理、分析、顯示和應(yīng)用空間信息的功能[1]。目前，WebGIS主要針對工情等靜態(tài)信息的管理應(yīng)用較為廣泛，提供常規(guī)的信息查詢與位置服務(wù)。國外水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)亦被成功應(yīng)用于供水系統(tǒng)監(jiān)控管理和調(diào)水、水質(zhì)監(jiān)控預(yù)警等方面，但多為C/S結(jié)構(gòu)，并未基于GIS開發(fā)。[2-4]本平臺依據(jù)WebGIS理論，以太湖梅梁灣為研究對象，旨在開發(fā)集成化的太湖梅梁灣水環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)綜合分析和服務(wù)系統(tǒng)，為流域水環(huán)境風(fēng)險評估和預(yù)警數(shù)據(jù)庫提供實時更新服務(wù)。實現(xiàn)污染監(jiān)控信息和水環(huán)境質(zhì)量預(yù)警信息的自動采集、快速處理、實時評價、及時報警等功能，供用戶靈活、方便地在線查看和生成各種水環(huán)境質(zhì)量評估和風(fēng)險評估預(yù)警報告。結(jié)合3S系統(tǒng)應(yīng)用，提供WebGIS數(shù)據(jù)融合、專題圖生成等WebGIS數(shù)據(jù)集成功能，形成梅梁灣域監(jiān)控和水環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)的綜合分析能力。

圖3 平臺界面布局

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

作為太湖梅梁灣水環(huán)境風(fēng)險評估預(yù)警平臺系統(tǒng)，從總體方面考慮構(gòu)架一個覆蓋數(shù)據(jù)存儲、分析服務(wù)與系統(tǒng)集成的成套系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)構(gòu)架包括：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，負(fù)責(zé)提供功能服務(wù)的GIS服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器。該硬件系統(tǒng)通過TCP/IP為在線監(jiān)測工作站提供實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、為分析工程師工作站提供數(shù)據(jù)分析、為維護工程師工作站提供系統(tǒng)維護并且便于公網(wǎng)接入。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)模塊結(jié)構(gòu)

太湖梅梁灣水環(huán)境風(fēng)險評估預(yù)警平臺系統(tǒng)建立以空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以WebGIS形式向用戶提供污染監(jiān)控信息和水環(huán)境質(zhì)量預(yù)警信息的自動采集、快速處理、實時評價、及時報警等功能(如圖1)。

1.3 平臺技術(shù)功能的實現(xiàn)

(1)采用分布式計算的設(shè)計結(jié)構(gòu)。太湖梅梁灣水環(huán)境風(fēng)險評估預(yù)警平臺系統(tǒng)采用分布式計算的設(shè)計結(jié)構(gòu)，將不同功能模塊預(yù)定義的接口與平臺或者其他功能模塊聯(lián)系起來，并通過模塊化的技術(shù)提高平臺的可伸縮性，采用松耦合的方式，區(qū)別與緊耦合的方式，具有較高的靈活性。將大量基于各自功能模塊的異構(gòu)數(shù)據(jù)進行相應(yīng)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，交換到平臺中心數(shù)據(jù)庫中進行統(tǒng)一管理調(diào)度，通過預(yù)定義的接口格式(基于XML的語言)實現(xiàn)對共享資源進行設(shè)計、開發(fā)、部署、運行應(yīng)用。(2)建立梅梁灣域水環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)庫。預(yù)警平臺數(shù)據(jù)庫使用MircoSoft的商業(yè)數(shù)據(jù)庫MS SQL Server 2008。在SQL Server數(shù)據(jù)庫中建立各類型數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)以及模型數(shù)據(jù)交換表結(jié)構(gòu)，為各類環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、評價方法、計算模型等應(yīng)用分析提供基礎(chǔ)。(3)建立水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析WebService服務(wù)。WebService服務(wù)代理數(shù)據(jù)庫訪問、ArcGIS服務(wù)器訪問的所有操作，前端的應(yīng)用程序都是基于WebService開發(fā)。(4)實現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量評價和風(fēng)險評估預(yù)警報告自動生成。風(fēng)險評估預(yù)警報告通過用戶界面設(shè)計和數(shù)據(jù)綁定的方式，先定制出報表的樣式，再通過給元素設(shè)置自定義屬性的方式將各種數(shù)據(jù)源與之綁定，實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)顯示，報告中顯示的數(shù)據(jù)包含實測數(shù)據(jù)、預(yù)測數(shù)據(jù)及風(fēng)險評估等級劃分。(5)GIS空間數(shù)據(jù)融合。平臺采用ArcGIS作為空間數(shù)據(jù)服務(wù)器，使用微軟的Silverlight技術(shù)進行開發(fā)，借助于Silverlight良好的圖形處理能力，提供WebGIS數(shù)據(jù)融合、專題圖生成等WebGIS數(shù)據(jù)集成功能，形成梅梁灣域監(jiān)控和水環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)的綜合分析能力。

2 平臺設(shè)計

2.1 分布式計算的設(shè)計結(jié)構(gòu)

太湖梅梁灣水環(huán)境風(fēng)險評估預(yù)警平臺采用分布式計算的設(shè)計結(jié)構(gòu)，滿足數(shù)據(jù)采集上傳、WebGIS數(shù)據(jù)集成、水質(zhì)模型和藍藻生消模型預(yù)報分析、監(jiān)控預(yù)警等級劃分和報告生成等多項功能，平臺既可以與各功能模塊統(tǒng)一運行，同時又能保證其各功能模塊獨立開發(fā)和穩(wěn)定運行。

2.2 監(jiān)控數(shù)據(jù)庫建立

(1)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。在數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)上，采用以數(shù)據(jù)字典為導(dǎo)向的二次索引方式進行建模。將自動監(jiān)測、手工監(jiān)測、遙感監(jiān)測等不同方式所獲得的各類數(shù)據(jù)納入到數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一管理之中，為監(jiān)測分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。太湖梅梁灣水環(huán)境監(jiān)測除了考慮水溫、pH、懸浮物、總硬度、透明度、總磷、總氮、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、揮發(fā)酚、氰化物、氟化物、六價鉻、總汞、總砷、鎘、鉛、銅、葉綠素a等，還進一步考慮了鉀、鈉、鋅、硫酸鹽、氯化物、電導(dǎo)率、溶解性總固體、大腸菌群等數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)。(2)數(shù)據(jù)庫表建立?；拘畔⒈碇写鎯Φ慕y(tǒng)計信息系指監(jiān)測站基本特征值數(shù)據(jù)。實時信息表中所存儲的數(shù)據(jù)是來自各水質(zhì)監(jiān)測站的資料，包括各類水文要素的瞬時數(shù)據(jù)、日值、旬月及年統(tǒng)計值，該類表的大小隨數(shù)據(jù)庫的運用不斷增長。

2.3 WebServices技術(shù)架構(gòu)服務(wù)

傳統(tǒng)軟件接口實現(xiàn)形式是封閉式的，用戶必須進入平臺內(nèi)部才能使用其功能和資源，外部程序無法使用這種封閉式平臺的資源，而通過WebServices這種新的軟件開發(fā)理念，程序員能把系統(tǒng)的一些通用功能以接口的形式發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中，供其下應(yīng)用程序直接調(diào)用。這種結(jié)構(gòu)符合軟件開發(fā)的高內(nèi)聚松耦合理念，底層操作對上層是透明。WebService發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)中，不僅為上層應(yīng)用提供服務(wù)接口，這些服務(wù)也能被其他應(yīng)用程序引用，為以后水專項系統(tǒng)向多平臺、多終端應(yīng)用擴展提供可行的解決方案。

2.4 WebGIS數(shù)據(jù)集成

針對水環(huán)境監(jiān)控的特征，使用GIS服務(wù)器用于作為空間數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。在此空間數(shù)據(jù)庫中主要包含以下數(shù)據(jù)：(1)基礎(chǔ)空間信息數(shù)據(jù)：包括太湖所在區(qū)域的行政區(qū)劃圖、水系圖、地形圖等；(2)專題空間信息數(shù)據(jù)：主要包括監(jiān)測斷面信息、水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、水質(zhì)綜合評價數(shù)據(jù)、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)等及預(yù)警預(yù)報數(shù)據(jù)等；(3)圖像數(shù)據(jù)：包括數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字正射影像DOM等。

2.5 平臺功能結(jié)構(gòu)及作用

太湖梅梁灣水環(huán)境風(fēng)險評估預(yù)警平臺具有 “水質(zhì)查詢”、“模型預(yù)報”、“監(jiān)控預(yù)警”和“基礎(chǔ)數(shù)據(jù)”四大類十二項功能(如圖2)。

3 平臺界面布局

系統(tǒng)主界面主要由三個部分組成，上側(cè)為系統(tǒng)標(biāo)題區(qū)，主要用于顯示系統(tǒng)相關(guān)信息，左側(cè)為系統(tǒng)導(dǎo)航菜單，主要包括水質(zhì)查詢，模型預(yù)報，監(jiān)控預(yù)警和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)四個部分。右側(cè)為太湖梅梁灣WebGIS地圖界面，主要用于顯示地圖以及相關(guān)的數(shù)據(jù)信息(如圖3)。

4 平臺日常運行和維護管理

(1)一般要求。平臺服務(wù)器現(xiàn)場應(yīng)保持各設(shè)備干凈清潔，內(nèi)部線路清晰通暢，保持環(huán)境溫度穩(wěn)定，避免設(shè)備振動。日常應(yīng)經(jīng)常檢查其供電是否正常、過程溫度是否正常、工作時序是否正常、是否需要更換備件。平臺服務(wù)器現(xiàn)場配備必要的操作手冊、管理規(guī)章和現(xiàn)場記錄本等。(2)定期遠程測試。技術(shù)人員每兩天一次通過平臺遠程測試系統(tǒng)功能，測試內(nèi)容包括：自動數(shù)據(jù)功能和考核指標(biāo)檢查；遙感數(shù)據(jù)功能和考核指標(biāo)檢查；手工數(shù)據(jù)功能和考核指標(biāo)檢查；綜合查詢功能和考核指標(biāo)檢查；水質(zhì)模型功能和考核指標(biāo)檢查；藍藻模型功能和考核指標(biāo)檢查；預(yù)警閥值功能和考核指標(biāo)檢查；預(yù)警等級功能和考核指標(biāo)檢查；監(jiān)控報告功能和考核指標(biāo)檢查；預(yù)警報告功能和考核指標(biāo)檢查；質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)功能和考核指標(biāo)檢查；相關(guān)成果功能和考核指標(biāo)檢查；(3)定期檢查平臺可靠性考核指標(biāo)。每周定期檢查平臺可靠性考核指標(biāo)1次，可根據(jù)實際情況增加，主要作業(yè)內(nèi)容包括：檢查平臺是否24小時穩(wěn)定運行；實現(xiàn)平臺可重新啟動服務(wù)器或操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)不會丟失；提供對服務(wù)器運行狀態(tài)監(jiān)測及遠程應(yīng)用的調(diào)試；(4)停機維護。①短時間停機(停機時間小于24小時)：一般關(guān)機即可，再次運行時服務(wù)器需重新校準(zhǔn)。②長時間停機(連續(xù)停機時間超過24小時)：如果服務(wù)器需要停機24小時或更長時間，一般需關(guān)閉關(guān)閉電源。

5 結(jié)語

隨著水體污染的加重，環(huán)境監(jiān)理部門對區(qū)域水環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)的需求日益增加，基于WebGIS建立可視化的環(huán)境管理工具是推動科學(xué)決策的需要。數(shù)據(jù)存儲的電子化可減少人工的失誤，確保信息的完整性，有利于數(shù)據(jù)的保存和信息的統(tǒng)計[5-7]。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，進一步分析和模擬，科學(xué)計算水體的相關(guān)數(shù)據(jù)，圖表結(jié)合，直觀的展示統(tǒng)計分析結(jié)果。

本平臺依據(jù)WebGIS理論，以太湖梅梁灣為研究對象，開發(fā)集成化的太湖梅梁灣水環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)綜合分析和服務(wù)系統(tǒng)，為流域水環(huán)境的改善及綜合管理提供了技術(shù)支撐與決策依據(jù)。

[1]康玲,傅俊鋒,王懷清,等.基于ArcGIS Server的WebGIS應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)[J].水電能源科學(xué),2007,25(1):26-29.

[2]雷明,姜于.基于WebGIS的水資源和節(jié)約用水信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].吉林水利,2009(8)：14-16,21.

[3]王浩,沈宏.GIS技術(shù)在淮河流域片水資源綜合規(guī)劃中的應(yīng)用研究[J].水文,2005,25(1):42-45.

[4]張文明,董增川,王德智,等.基于WebService的城市水資源決策支持系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用[J].水力發(fā)電,2007,33(7):13-15.

[5]孫永旺,朱建軍,王蕾,等.基于GIS的水環(huán)境管理信息系統(tǒng)的研究[J].測繪科學(xué),2007,32(5):165-167.

[6]陳述彭,周成虎,魯學(xué)軍,等.地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[7]黃明,彭蘇萍,張麗娟.GIS、SMS/GPRS的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2008,(7):749-754.

The ecological environment of Lake Taihu has been a outstanding issue in recent years, integrated water environment monitoring data comprehensive analysis and service system in Meiliang Bay,Lake Taihu, based on WebGIS, are developed in order to supply real-time updates services for risk assessment and early warning database of the lake. The construction of monitoring and early warning system includes architecture study, platform design and platform routine maintenance, among which the platform design is the focus of our study. Distributed computing is adopted in the design structure of the risk assessment and early warning system for Meiliang Bay,Lake Taihu. The system, implementing 4 kinds of functions including water quality information inquiry, monitor and early warning, model prediction and basic data offering, has the capacity of monitoring and early warning in Meiliang Bay,Lake Taihu.

WebGIS Lake Taihu Meiliang Bay Water Environment Monitoring Early Warning Platform