基于WebGIS的太湖梅梁灣水環境監測預警平臺設計研究

徐亮++魏宏農++陳湘軍

【摘 要】 近來年，太湖流域的生態環境問題日益突出，本文基于WebGIS理論，開發集成化的太湖梅梁灣水環境監控數據綜合分析和服務系統，為流域水環境風險評估和預警數據庫提供實時更新服務。監測預警體系的構建主要包括系統架構研究、平臺設計研究、平臺日常維護應用研究等，重點對監測體系平臺的設計進行了詳細的闡述。太湖梅梁灣水環境風險評估預警平臺采用分布式計算的設計結構，具有 “水質查詢”、“模型預報”、“監控預警”和“基礎數據”四大類十二項功能，初步具備了梅梁灣域水質和藍藻水華實時監測預警能力。

【關鍵詞】 WebGIS 太湖 梅梁灣 水環境監測 預警平臺

【Abstract】 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.

【Key words】 WebGIS Lake Taihu Meiliang Bay Water Environment Monitoring Early Warning Platform

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

WebGIS又稱萬維網地理信息系統，它是建立在Web技術上分布式環境下的地理信息系統，實現了在Internet/Intranet環境下存儲、處理、分析、顯示和應用空間信息的功能[1]。目前，WebGIS主要針對工情等靜態信息的管理應用較為廣泛，提供常規的信息查詢與位置服務。國外水資源實時監控管理系統亦被成功應用于供水系統監控管理和調水、水質監控預警等方面，但多為C/S結構，并未基于GIS開發。[2-4]本平臺依據WebGIS理論，以太湖梅梁灣為研究對象，旨在開發集成化的太湖梅梁灣水環境監控數據綜合分析和服務系統，為流域水環境風險評估和預警數據庫提供實時更新服務。實現污染監控信息和水環境質量預警信息的自動采集、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境質量評估和風險評估預警報告。結合3S系統應用，提供WebGIS數據融合、專題圖生成等WebGIS數據集成功能，形成梅梁灣域監控和水環境監控數據的綜合分析能力。

1 系統架構

1.1 系統硬件架構

作為太湖梅梁灣水環境風險評估預警平臺系統，從總體方面考慮構架一個覆蓋數據存儲、分析服務與系統集成的成套系統。硬件系統構架包括：負責數據存儲的數據庫服務器，負責提供功能服務的GIS服務器、應用服務器。該硬件系統通過TCP/IP為在線監測工作站提供實時數據監測、為分析工程師工作站提供數據分析、為維護工程師工作站提供系統維護并且便于公網接入。

1.2 系統技術模塊結構

太湖梅梁灣水環境風險評估預警平臺系統建立以空間數據為基礎，以WebGIS形式向用戶提供污染監控信息和水環境質量預警信息的自動采集、快速處理、實時評價、及時報警等功能（如圖1）。

1.3 平臺技術功能的實現

（1）采用分布式計算的設計結構。太湖梅梁灣水環境風險評估預警平臺系統采用分布式計算的設計結構，將不同功能模塊預定義的接口與平臺或者其他功能模塊聯系起來，并通過模塊化的技術提高平臺的可伸縮性，采用松耦合的方式，區別與緊耦合的方式，具有較高的靈活性。將大量基于各自功能模塊的異構數據進行相應數據格式轉換，交換到平臺中心數據庫中進行統一管理調度，通過預定義的接口格式（基于XML的語言）實現對共享資源進行設計、開發、部署、運行應用。（2）建立梅梁灣域水環境監控數據庫。預警平臺數據庫使用MircoSoft的商業數據庫MS SQL Server 2008。在SQL Server數據庫中建立各類型數據表結構以及模型數據交換表結構，為各類環境標準、評價方法、計算模型等應用分析提供基礎。（3）建立水環境監測數據綜合分析WebService服務。WebService服務代理數據庫訪問、ArcGIS服務器訪問的所有操作，前端的應用程序都是基于WebService開發。（4）實現水環境質量評價和風險評估預警報告自動生成。風險評估預警報告通過用戶界面設計和數據綁定的方式，先定制出報表的樣式，再通過給元素設置自定義屬性的方式將各種數據源與之綁定，實現數據動態顯示，報告中顯示的數據包含實測數據、預測數據及風險評估等級劃分。（5）GIS空間數據融合。平臺采用ArcGIS作為空間數據服務器，使用微軟的Silverlight技術進行開發，借助于Silverlight良好的圖形處理能力，提供WebGIS數據融合、專題圖生成等WebGIS數據集成功能，形成梅梁灣域監控和水環境監控數據的綜合分析能力。endprint

2 平臺設計

2.1 分布式計算的設計結構

太湖梅梁灣水環境風險評估預警平臺采用分布式計算的設計結構，滿足數據采集上傳、WebGIS數據集成、水質模型和藍藻生消模型預報分析、監控預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一運行，同時又能保證其各功能模塊獨立開發和穩定運行。

2.2 監控數據庫建立

（1）數據庫服務器。在數據存儲結構上，采用以數據字典為導向的二次索引方式進行建模。將自動監測、手工監測、遙感監測等不同方式所獲得的各類數據納入到數據庫的統一管理之中，為監測分析提供數據基礎。太湖梅梁灣水環境監測除了考慮水溫、pH、懸浮物、總硬度、透明度、總磷、總氮、溶解氧、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、揮發酚、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、電導率、溶解性總固體、大腸菌群等數據表結構。（2）數據庫表建立。基本信息表中存儲的統計信息系指監測站基本特征值數據。實時信息表中所存儲的數據是來自各水質監測站的資料，包括各類水文要素的瞬時數據、日值、旬月及年統計值，該類表的大小隨數據庫的運用不斷增長。

2.3 WebServices技術架構服務

傳統軟件接口實現形式是封閉式的，用戶必須進入平臺內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這種新的軟件開發理念，程序員能把系統的一些通用功能以接口的形式發布到網絡中，供其下應用程序直接調用。這種結構符合軟件開發的高內聚松耦合理念，底層操作對上層是透明。WebService發布在網絡中，不僅為上層應用提供服務接口，這些服務也能被其他應用程序引用，為以后水專項系統向多平臺、多終端應用擴展提供可行的解決方案。

2.4 WebGIS數據集成

針對水環境監控的特征，使用GIS服務器用于作為空間數據庫服務器。在此空間數據庫中主要包含以下數據：（1）基礎空間信息數據：包括太湖所在區域的行政區劃圖、水系圖、地形圖等；（2）專題空間信息數據：主要包括監測斷面信息、水質動態監測數據、水質綜合評價數據、環境標準數據等及預警預報數據等；（3）圖像數據：包括數字高程模型DEM、數字正射影像DOM等。

2.5 平臺功能結構及作用

太湖梅梁灣水環境風險評估預警平臺具有 “水質查詢”、“模型預報”、“監控預警”和“基礎數據”四大類十二項功能（如圖2）。

3 平臺界面布局

系統主界面主要由三個部分組成，上側為系統標題區，主要用于顯示系統相關信息，左側為系統導航菜單，主要包括水質查詢，模型預報，監控預警和基礎數據四個部分。右側為太湖梅梁灣WebGIS地圖界面，主要用于顯示地圖以及相關的數據信息（如圖3）。

4 平臺日常運行和維護管理

（1）一般要求。平臺服務器現場應保持各設備干凈清潔，內部線路清晰通暢，保持環境溫度穩定，避免設備振動。日常應經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。平臺服務器現場配備必要的操作手冊、管理規章和現場記錄本等。（2）定期遠程測試。技術人員每兩天一次通過平臺遠程測試系統功能，測試內容包括：自動數據功能和考核指標檢查；遙感數據功能和考核指標檢查；手工數據功能和考核指標檢查；綜合查詢功能和考核指標檢查；水質模型功能和考核指標檢查；藍藻模型功能和考核指標檢查；預警閥值功能和考核指標檢查；預警等級功能和考核指標檢查；監控報告功能和考核指標檢查；預警報告功能和考核指標檢查；質量標準功能和考核指標檢查；相關成果功能和考核指標檢查；（3）定期檢查平臺可靠性考核指標。每周定期檢查平臺可靠性考核指標1次，可根據實際情況增加，主要作業內容包括：檢查平臺是否24小時穩定運行；實現平臺可重新啟動服務器或操作系統，數據不會丟失；提供對服務器運行狀態監測及遠程應用的調試；（4）停機維護。①短時間停機（停機時間小于24小時）：一般關機即可，再次運行時服務器需重新校準。②長時間停機（連續停機時間超過24小時）：如果服務器需要停機24小時或更長時間，一般需關閉關閉電源。

5 結語

隨著水體污染的加重，環境監理部門對區域水環境監測管理系統的需求日益增加，基于WebGIS建立可視化的環境管理工具是推動科學決策的需要。數據存儲的電子化可減少人工的失誤，確保信息的完整性，有利于數據的保存和信息的統計[5-7]。在數據統計的基礎上，進一步分析和模擬，科學計算水體的相關數據，圖表結合，直觀的展示統計分析結果。

本平臺依據WebGIS理論，以太湖梅梁灣為研究對象，開發集成化的太湖梅梁灣水環境監控數據綜合分析和服務系統，為流域水環境的改善及綜合管理提供了技術支撐與決策依據。

參考文獻：

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

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

[3]王浩，沈宏.GIS技術在淮河流域片水資源綜合規劃中的應用研究[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開發及應用[J].水力發電，2007，33（7）：13-15.

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

[6]陳述彭，周成虎，魯學軍，等.地理信息系統導論[M].北京：科學出版社，2002.

[7]黃明，彭蘇萍，張麗娟.GIS、SMS/GPRS的環境監測系統設計與實現[J].哈爾濱工程大學學報，2008，（7）：749-754.endprint

2 平臺設計

2.1 分布式計算的設計結構

太湖梅梁灣水環境風險評估預警平臺采用分布式計算的設計結構，滿足數據采集上傳、WebGIS數據集成、水質模型和藍藻生消模型預報分析、監控預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一運行，同時又能保證其各功能模塊獨立開發和穩定運行。

2.2 監控數據庫建立

（1）數據庫服務器。在數據存儲結構上，采用以數據字典為導向的二次索引方式進行建模。將自動監測、手工監測、遙感監測等不同方式所獲得的各類數據納入到數據庫的統一管理之中，為監測分析提供數據基礎。太湖梅梁灣水環境監測除了考慮水溫、pH、懸浮物、總硬度、透明度、總磷、總氮、溶解氧、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、揮發酚、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、電導率、溶解性總固體、大腸菌群等數據表結構。（2）數據庫表建立。基本信息表中存儲的統計信息系指監測站基本特征值數據。實時信息表中所存儲的數據是來自各水質監測站的資料，包括各類水文要素的瞬時數據、日值、旬月及年統計值，該類表的大小隨數據庫的運用不斷增長。

2.3 WebServices技術架構服務

傳統軟件接口實現形式是封閉式的，用戶必須進入平臺內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這種新的軟件開發理念，程序員能把系統的一些通用功能以接口的形式發布到網絡中，供其下應用程序直接調用。這種結構符合軟件開發的高內聚松耦合理念，底層操作對上層是透明。WebService發布在網絡中，不僅為上層應用提供服務接口，這些服務也能被其他應用程序引用，為以后水專項系統向多平臺、多終端應用擴展提供可行的解決方案。

2.4 WebGIS數據集成

針對水環境監控的特征，使用GIS服務器用于作為空間數據庫服務器。在此空間數據庫中主要包含以下數據：（1）基礎空間信息數據：包括太湖所在區域的行政區劃圖、水系圖、地形圖等；（2）專題空間信息數據：主要包括監測斷面信息、水質動態監測數據、水質綜合評價數據、環境標準數據等及預警預報數據等；（3）圖像數據：包括數字高程模型DEM、數字正射影像DOM等。

2.5 平臺功能結構及作用

太湖梅梁灣水環境風險評估預警平臺具有 “水質查詢”、“模型預報”、“監控預警”和“基礎數據”四大類十二項功能（如圖2）。

3 平臺界面布局

系統主界面主要由三個部分組成，上側為系統標題區，主要用于顯示系統相關信息，左側為系統導航菜單，主要包括水質查詢，模型預報，監控預警和基礎數據四個部分。右側為太湖梅梁灣WebGIS地圖界面，主要用于顯示地圖以及相關的數據信息（如圖3）。

4 平臺日常運行和維護管理

（1）一般要求。平臺服務器現場應保持各設備干凈清潔，內部線路清晰通暢，保持環境溫度穩定，避免設備振動。日常應經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。平臺服務器現場配備必要的操作手冊、管理規章和現場記錄本等。（2）定期遠程測試。技術人員每兩天一次通過平臺遠程測試系統功能，測試內容包括：自動數據功能和考核指標檢查；遙感數據功能和考核指標檢查；手工數據功能和考核指標檢查；綜合查詢功能和考核指標檢查；水質模型功能和考核指標檢查；藍藻模型功能和考核指標檢查；預警閥值功能和考核指標檢查；預警等級功能和考核指標檢查；監控報告功能和考核指標檢查；預警報告功能和考核指標檢查；質量標準功能和考核指標檢查；相關成果功能和考核指標檢查；（3）定期檢查平臺可靠性考核指標。每周定期檢查平臺可靠性考核指標1次，可根據實際情況增加，主要作業內容包括：檢查平臺是否24小時穩定運行；實現平臺可重新啟動服務器或操作系統，數據不會丟失；提供對服務器運行狀態監測及遠程應用的調試；（4）停機維護。①短時間停機（停機時間小于24小時）：一般關機即可，再次運行時服務器需重新校準。②長時間停機（連續停機時間超過24小時）：如果服務器需要停機24小時或更長時間，一般需關閉關閉電源。

5 結語

隨著水體污染的加重，環境監理部門對區域水環境監測管理系統的需求日益增加，基于WebGIS建立可視化的環境管理工具是推動科學決策的需要。數據存儲的電子化可減少人工的失誤，確保信息的完整性，有利于數據的保存和信息的統計[5-7]。在數據統計的基礎上，進一步分析和模擬，科學計算水體的相關數據，圖表結合，直觀的展示統計分析結果。

本平臺依據WebGIS理論，以太湖梅梁灣為研究對象，開發集成化的太湖梅梁灣水環境監控數據綜合分析和服務系統，為流域水環境的改善及綜合管理提供了技術支撐與決策依據。

參考文獻：

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

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

[3]王浩，沈宏.GIS技術在淮河流域片水資源綜合規劃中的應用研究[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開發及應用[J].水力發電，2007，33（7）：13-15.

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

[6]陳述彭，周成虎，魯學軍，等.地理信息系統導論[M].北京：科學出版社，2002.

[7]黃明，彭蘇萍，張麗娟.GIS、SMS/GPRS的環境監測系統設計與實現[J].哈爾濱工程大學學報，2008，（7）：749-754.endprint

2 平臺設計

2.1 分布式計算的設計結構

太湖梅梁灣水環境風險評估預警平臺采用分布式計算的設計結構，滿足數據采集上傳、WebGIS數據集成、水質模型和藍藻生消模型預報分析、監控預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一運行，同時又能保證其各功能模塊獨立開發和穩定運行。

2.2 監控數據庫建立

（1）數據庫服務器。在數據存儲結構上，采用以數據字典為導向的二次索引方式進行建模。將自動監測、手工監測、遙感監測等不同方式所獲得的各類數據納入到數據庫的統一管理之中，為監測分析提供數據基礎。太湖梅梁灣水環境監測除了考慮水溫、pH、懸浮物、總硬度、透明度、總磷、總氮、溶解氧、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、揮發酚、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、電導率、溶解性總固體、大腸菌群等數據表結構。（2）數據庫表建立。基本信息表中存儲的統計信息系指監測站基本特征值數據。實時信息表中所存儲的數據是來自各水質監測站的資料，包括各類水文要素的瞬時數據、日值、旬月及年統計值，該類表的大小隨數據庫的運用不斷增長。

2.3 WebServices技術架構服務

傳統軟件接口實現形式是封閉式的，用戶必須進入平臺內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這種新的軟件開發理念，程序員能把系統的一些通用功能以接口的形式發布到網絡中，供其下應用程序直接調用。這種結構符合軟件開發的高內聚松耦合理念，底層操作對上層是透明。WebService發布在網絡中，不僅為上層應用提供服務接口，這些服務也能被其他應用程序引用，為以后水專項系統向多平臺、多終端應用擴展提供可行的解決方案。

2.4 WebGIS數據集成

針對水環境監控的特征，使用GIS服務器用于作為空間數據庫服務器。在此空間數據庫中主要包含以下數據：（1）基礎空間信息數據：包括太湖所在區域的行政區劃圖、水系圖、地形圖等；（2）專題空間信息數據：主要包括監測斷面信息、水質動態監測數據、水質綜合評價數據、環境標準數據等及預警預報數據等；（3）圖像數據：包括數字高程模型DEM、數字正射影像DOM等。

2.5 平臺功能結構及作用

太湖梅梁灣水環境風險評估預警平臺具有 “水質查詢”、“模型預報”、“監控預警”和“基礎數據”四大類十二項功能（如圖2）。

3 平臺界面布局

系統主界面主要由三個部分組成，上側為系統標題區，主要用于顯示系統相關信息，左側為系統導航菜單，主要包括水質查詢，模型預報，監控預警和基礎數據四個部分。右側為太湖梅梁灣WebGIS地圖界面，主要用于顯示地圖以及相關的數據信息（如圖3）。

4 平臺日常運行和維護管理

（1）一般要求。平臺服務器現場應保持各設備干凈清潔，內部線路清晰通暢，保持環境溫度穩定，避免設備振動。日常應經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。平臺服務器現場配備必要的操作手冊、管理規章和現場記錄本等。（2）定期遠程測試。技術人員每兩天一次通過平臺遠程測試系統功能，測試內容包括：自動數據功能和考核指標檢查；遙感數據功能和考核指標檢查；手工數據功能和考核指標檢查；綜合查詢功能和考核指標檢查；水質模型功能和考核指標檢查；藍藻模型功能和考核指標檢查；預警閥值功能和考核指標檢查；預警等級功能和考核指標檢查；監控報告功能和考核指標檢查；預警報告功能和考核指標檢查；質量標準功能和考核指標檢查；相關成果功能和考核指標檢查；（3）定期檢查平臺可靠性考核指標。每周定期檢查平臺可靠性考核指標1次，可根據實際情況增加，主要作業內容包括：檢查平臺是否24小時穩定運行；實現平臺可重新啟動服務器或操作系統，數據不會丟失；提供對服務器運行狀態監測及遠程應用的調試；（4）停機維護。①短時間停機（停機時間小于24小時）：一般關機即可，再次運行時服務器需重新校準。②長時間停機（連續停機時間超過24小時）：如果服務器需要停機24小時或更長時間，一般需關閉關閉電源。

5 結語

隨著水體污染的加重，環境監理部門對區域水環境監測管理系統的需求日益增加，基于WebGIS建立可視化的環境管理工具是推動科學決策的需要。數據存儲的電子化可減少人工的失誤，確保信息的完整性，有利于數據的保存和信息的統計[5-7]。在數據統計的基礎上，進一步分析和模擬，科學計算水體的相關數據，圖表結合，直觀的展示統計分析結果。

本平臺依據WebGIS理論，以太湖梅梁灣為研究對象，開發集成化的太湖梅梁灣水環境監控數據綜合分析和服務系統，為流域水環境的改善及綜合管理提供了技術支撐與決策依據。

參考文獻：

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

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

[3]王浩，沈宏.GIS技術在淮河流域片水資源綜合規劃中的應用研究[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開發及應用[J].水力發電，2007，33（7）：13-15.

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

[6]陳述彭，周成虎，魯學軍，等.地理信息系統導論[M].北京：科學出版社，2002.

[7]黃明，彭蘇萍，張麗娟.GIS、SMS/GPRS的環境監測系統設計與實現[J].哈爾濱工程大學學報，2008，（7）：749-754.endprint