基于GIS智能環境監測分析系統的設計與實現

周演匯

（九江職業大學 信息工程學院，江西 九江 332000）

基于GIS智能環境監測分析系統的設計與實現

周演匯

（九江職業大學 信息工程學院，江西 九江 332000）

為解決環境監測在實時性、精準性、空間特征展示和智能響應等方面的不足，采用GIS技術、GPRS技術及智能傳感器技術，設計一種能進行智能環境監測、空間可視化統計分析、屬性數據操縱、異常數據智能預警響應的GIS終端應用平臺。測試結果表明，系統各功能模塊運行穩定，可初步滿足應用需求。

GIS；智能環境監測分析系統；傳感器；空間數據庫；屬性數據庫

Abstract:In order to address the de fi ciency of environment monitoring in real-time response, precision, spatial characteristics display, intelligent response, etc., the paper designs a platform of the GIS terminal application which has the intelligent environment monitoring function, the spatial visualization statistical analysis function, the attribute data manipulation function and the abnormal data intelligence alert response function by using GIS technology, GPRS technology and smart sensor technology. The test result shows that the system functions steadily and can meet the application requirements.

Key words:GIS; Intelligent environment monitoring and analysis system; Sensor; Spatial database; Attribute database

0 引 言

隨著我國工業化、城鎮化的加速推進，國民經濟穩步發展的同時，也產生了一系列不可回避的問題，其中環境污染問題尤為突出。環境監測與保護不僅關系到社會的可持續發展，而且關系到每個人的身心健康。現有的環境監測分析系統研究的側重點主要集中于智能性、實時性、穩定性等方面，很少考慮系統的空間特性，具備空間特征分析能力的應用實例不多。因此，充分整合信息技術、通信技術、傳感技術、GIS技術等，開發設計一種具備空間分析功能的、性價比高的智能型實時在線城區環境監測分析系統，顯得非常必要。

GIS即地理信息系統，是一種特定的空間信息系統，融合多門學科，包括信息技術、通信技術、地理信息技術等[1]。在電腦軟硬件資源的輔助下，GIS將系統工程及信息技術等進行綜合統籌應用，數字化描述、組織、分析具備空間特征的地理數據，其應用領域非常廣泛，深入到各行各業，從自然災害的預防管理、交通事故的分析管理，到各類基礎設施規劃與管理、商業網點規劃布局，再到各類導航圖應用、各類自然資源的保護與管理等。本文以九江市區為研究對象，在智能環境監測分析系統中引入GIS技術，實現對環境監測的空間可視化分析功能，從而為有關管理決策部門提供空間數據服務及屬性數據服務，也為將來構建智慧城市預留接口、提供基礎。

1 系統總體框架設計

首先對系統進行必要的需求分析，在此基礎上，結合應用實際著重分析并給出系統的業務流程，得出系統總體框架。

1.1 系統需求分析

系統設計目標是實現對城區特定區域內環境在線監測分析功能，具備安全、精準、實時、空間展示、智能響應等特點。按照軟件開發的通用方法，主要從以下三個方面分析系統需求：

（1）功能需求。系統實際用戶類別決定其應具備的功能。系統主要包括環保部門管理人員和生態環境愛好人士、環境監督員等兩類用戶。前者要求系統具備設計嚴密、科學高效、操作簡便、數據準確、應用拓展性強、空間分析展示、實時響應等特點；后者要求系統具備安全可靠、數據真實、及時準確、智能高效、自動響應等特點。

（2）數據需求。將環境監測平臺與GIS平臺融合，實現數據互傳共享，從而實現環境監測的實時空間可視化分析功能，所涉及到數據分為空間數據和屬性數據兩大類，如圖1所示。空間數據主要包括空氣數據信息采集設備的坐標信息、區域的地理坐標信息、污染區域的坐標信息等；屬性數據指空間信息以外的數據，主要包括環境數據采集的時間、地點，空氣成分數據、空氣超標預警時相關信息等。

圖1 系統數據需求分析

（3）性能需求。系統的成敗與好壞最終要靠性能去檢驗，因而要從不同用戶角度分析系統應具備的性能。一是具備實現對多種異構數據源，包括關系數據、格網圖像數據、矢量數據、柵格圖像數據等的綜合處理能力。二是具備實現對數據的安全存儲、安全操作的處理能力，如數據加密、設置用戶分類分級操控等。三是滿足用戶的響應要求，數據傳輸及時、穩定可靠。四是具備空間特征分析功能，滿足空間操作的能力[2]，即GIS平臺能展示異常數據信息的位置、分析計算異常數據區域等。五是具備開放互聯的功能，即程序和數據提供接口，能作為一個子功能模塊融入智慧園區、智慧城市中。

1.2 系統總體框架

系統主要分為環境數據信息智能采集硬件設備、無線通信模塊、數據分析處理終端系統和GIS系統四個部分，主要對環境中的溫度、濕度、煙霧成分、灰粉塵等數據信息進行監測。溫度、濕度是基本的環境參數；煙霧成分即監測環境中的有害氣體類別、濃度等，主要包括CO、甲烷、醇類、氫氣、二氧化硫等；灰粉塵主要是探測空氣中的細小顆粒物，可通過粒子計數原理實現。

（1）通過單片機控制不同種類的智能采集硬件設備—智能傳感器，并對周圍環境中包括溫度、濕度、煙霧成分、灰粉塵等數據信息進行采樣、分析、量化，提供具體的數字化環境參數。

（2）無線通信模塊將環境參數傳輸給數據分析處理終端。無線通信技術可采用GPRS技術[3]，該技術具備安全、精準、實時、穩定可靠等特點，并能實現全天候傳送。

（3）數據分析終端在接收到具體的環境數據信息后進行分析處理，并通過數據連接與GIS平臺實現數據互聯，即屬性數據與空間數據實現連接。通過GIS平臺可查詢采集終端的數據信息，如果數據超過上限，及時觸發預警響應功能；通過GIS平臺亦可實現相關區域的空間特征分析功能。

系統總體框架如圖2所示。

圖2 系統總體框架

2 系統功能分析與實現

依據需求分析結果，分析系統各功能模塊，并對系統實現環節中的關鍵技術進行分析，實現系統功能。

2.1 系統功能模塊

（1）溫度智能監測模塊。對環境中的溫度進行實時監測，就需要選擇一款高精度、高可靠性、響應速度快、低能耗的智能傳感器作為數據采集設備。可供選擇的傳感器有DS18B20, PT100, SHT15等。

（2）濕度智能監測模塊。對環境中的濕度進行實時監測，通過對濕度實現監測，從而得出空氣中的含水量，得出環境的舒適度。可供選擇的濕度傳感器有SHT15, DHT11等。

（3）煙霧成分智能監測模塊。對環境中的煙霧成分進行實時監測，對有害氣體通過采樣、數字化分析從而實現監測分析功能，以便用戶掌握大氣中的有害成分，作出相應的判斷決策，為環境預警、治理提供依據。可供選擇的傳感器有MQ-3, 3SF CiTicel等。

（4）灰粉塵智能監測模塊。環境中的灰粉塵含量是影響空氣質量優劣的因素之一，是造成霧霾天氣的重要元兇。對環境中灰粉塵進行實時監測，可精確掌握有害物質的組成成分，對各類用戶至關重要。可供選擇的傳感器有DSM501, GP2Y1010AU0F等。

（5）單片機控制模塊。該模塊是數據采集系統的核心部件，是實現對各智能采集設備的硬件和軟件控制，控制各采集端口的正常工作，對采集的樣本數據做出分析處理，并控制、啟動無線通信模塊，將數據傳輸給數據分析處理終端。單片機的選取要考慮高可靠性、抗干擾能力強、處理速度快、耗電量低等因素。可供選擇的單片機有STM32F107，ATmega128等。

（6）無線通信模塊。目前，比較成熟的無線通信技術有GSM, GPRS, 3G等，其中GPRS具有經濟性、穩定性、可靠性等特點，可實現無線傳輸功能。與數據分析處理終端建立信道的辦法是采用完全固定專有IP地址的方法，數據分析處理終端要向Internet服務供應商申請購買固定專有IP地址，GPRS模塊即可向該IP地址發送數據信息。

（7）數據分析處理終端模塊。該模塊是系統設計實現的關鍵模塊、核心模塊，采用GIS二次開發技術可實現客戶端操作平臺的開發設計。一是采用GIS二次開發平臺工具進行九江市區電子地圖的開發，完成地圖數字化工作，即進行系統數據平臺的開發[4]。二是采用C/S開發工具開發終端人機交互界面，利用VB和具備嵌入功能的GIS控件來完成技術開發[5]，實現電子地圖的操控管理，即實現空間數據特征的展示、分析功能。三是對于異常環境數據的處理，設計制作一個報警信息對話框，設定環境參數限值范圍，超過此范圍立即觸發彈出報警對話框，并在地圖平臺上顯示異常數據來源的具體位置、異常區域等。

2.2 系統關鍵技術

（1）硬件設計。在系統功能模塊分析的基礎上，確定系統的硬件組成，即具體硬件設備的型號，進而完成硬件系統模塊之間的連接。實現連接的電路設計是關鍵，包括各監測采集終端模塊的電路設計、單片機控制模塊的電路設計、無線傳輸模塊的電路設計。

（2）軟件設計。軟件設計主要包括系統單片機的主控程序設計及數據分析處理終端的程序設計，其中單片機的主控程序主要控制各監測模塊的數據傳輸、無線通信模塊的數據傳輸。

（3）GIS系統的開發。一是確定數據平臺設計工具采用MapInfo，完成空間數據庫設計，并選取MapX作為GIS控件開發工具嵌入到VB系統中。二是確定屬性數據庫的開發工具，即選取具體關系數據庫軟件。三是調用MSComm控件實現傳感器端到終端的數據通信。四是完成系統的各種功能設計，包括電子地圖平臺的基本操控功能、屬性數據操縱、空間數據操縱、異常數據區域空間特征展示、分析等。GIS系統功能結構如圖3所示。

2.3 系統實現

通過對系統功能模塊和關鍵技術進行深入分析后，實現了基于GIS智能環境監測分析的原型系統設計，即初步實現了基于GIS數據分析處理終端平臺的構建，主要包括電子地圖的基本操作，環境監測數據管理、數據分析，屬性信息查詢、空間信息查詢及空間特征展示、分析等。系統主界面如圖4所示。

圖3 GIS系統功能結構

3 結束語

本文以實用為導向，以實現功能任務為目標，在深入分析系統的功能、數據、性能需求之后，給出了系統總體框架，并對系統各功能模塊和關鍵技術進行分析。經測試，系統各功能模塊運行穩定，具備可靠性高、安全、智能等特點，可初步滿足應用需求。GIS智能環境監測分析系統為下一步研究提供了基礎。

圖4 系統主界面

[1] 陳述彭，魯學軍，周成虎.地理信息系統導論[M].北京：科學出版社，2000：10.

[2] 周演匯，何立富.基于GIS的城區道路交通事故管理系統的需求分析與功能設計[J].晉城職業技術學院學報，2012（6）：64-67.

[3] 王慧林.基于無線傳輸的室內環境監測系統的設計[D].蘭州：西北師范大學物理與電子工程學院，2015.

[4] 周演匯，何立富.基于GIS交通事故管理系統的數據平臺設計與實現[J].溫州職業技術學院學報，2013（3）：54-57.

[5] 周演匯，何立富.基于Map X交通事故管理系統的功能模塊分析與實現[J].順德職業技術學院學報，2014（1）：28-32.

[責任編輯：王志梅]

A GIS-based Design and Realization of Intelligent Environment Monitoring and Analysis System

ZHOU Yanhui
(School of Information Engineering, Jiujiang Vocational University, Jiujiang, 332000, China)

X87

A

1671-4326 (2017) 03-0058-04

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2017.057

2017-04-18

周演匯（1982—），男，江西九江人，九江職業大學信息工程學院副教授，碩士.