水土保持監測點信息化坡面徑流場管理系統設計

【摘要】水土保持監測點坡面徑流場的監測數據，從月報整編、年報匯編，到監測信息發布，建立信息化管理系統，實現監測數據存儲自動化和監測信息查詢智能化。系統后臺開發使用SQL Server 2008，在業務需求分析的基礎上，按照監測中心、監測總站和監測點三層數據模型規劃設計；系統前臺開發為Access2010平臺，通過監測技術法方法總結及數據處理業務流程歸納，完成包括監測數據存儲及監測信息查詢功能等模塊設計。實現監測數據阿里云ECS數據庫保存方案，定制客戶端應用可滿足監測點個性化監測數據管理業務，適合普遍性推廣運用。

【關鍵詞】監測數據；監測信息；SQL Server；Access；數據庫；應用程序

前言

廣德縣水土保持試驗站（下文簡稱廣德站）為全國水土保持監測網絡和信息系統建設二期工程項目的坡面徑流場監測點（水蝕），目前有監測項目包括氣象站、徑流場等，監測數據主要包括現場紙質原始記錄、自動或遙測儀器設備數字記錄等，在Excel工作平臺下，監測數據通過月報整編、年報匯編形成監測信息。

整編月報為手工或電子表格方式，易發生數據丟失和計算錯誤；整理計算的結果，并不包括全部原始觀測數據，實際存在監測數據保存不完整性；監測數據經過月報整編到年報匯編，實際存在監測信息發布不及時性；整編過程復制粘貼數據情況多，匯編審查時引用數據源可能無法核對。

廣德站監測點資料整編匯編使用Access數據庫始于97年，依據監測點信息化網絡化管理發展方向，廣德站監測點數據庫管理系統按照SQL+Access方案改造升級，引入面向對象設計概念，對象的數據模型不僅應該提供數據，還對應數據操作的類型和方法。

面象對象數據庫建設。采用SQL Server 2008開發平臺，存放于阿里云ECS服務器。依據《水土保持監測點代碼（報批稿）》SL-452-2009（下文簡稱報批稿），歸納規范基本數據內容建立對象表，包括水土保持監測中心管理權限第一層數據模型和水土保持監測總站管理權限對應的第二層數據模型；廣德站監測點數據庫管理系統當前為Access2010數據庫，遷移數據到阿里云ECS服務器，建立第三層數據模型。

面象對象編程設計。本次實踐重點為水土保持監測點數據庫管理系統客戶端設計，包括徑流場對象和氣象站對象的數據模型對應的功能模塊設計，使用開發平臺VS2010開發中。當前可用應程序為數據分離后的Access2010客戶端，以及按照水土保持資料整編規范要求設計查詢模塊。

1、基本信息

1.1 監測中心層數據模型

監測中心管理權限固態數據信息，依據或引用報批稿，數據結構設計包括監測網絡級別對象表、監測點類型對象表、流域分布對象對、河流頒布對象表、土壤侵蝕類一級分區對象表、土壤侵蝕類型二級分區對象表，行政區劃對象表、水土保持監測總站對象表等8個數據模型。

1.2 監測總站層數據模型

監測總站管理權限固態數據信息，依據或引用報批稿，數據結構設計包括水蝕監測點對象表、氣象站對象表、徑流場對象表、徑流小區對象表、監測單位對象表等。

1.3 監測點層數據模型

監測點管理權限固態數據信息，對應監測設施設備參數，不同監測點存在差異，當前廣德縣監測點數據結構設計包括設施量水池對象表、渾水濁度率定對象表、泥砂比重率定表對象表、器皿桶盒對象表（泥砂測量）、器皿烘杯對象表（渾水測量）等主要數據模型5個。

2、氣象站對象表

人工氣象站日記對象表，時段干濕球對象；自動氣象站包括氣象要素平均值對象表、氣象要素最大值對象表、氣象要素最小值對象表等5個數據模型。

2.1 人工氣象

（1）監測設備

SM1型雨量器、蒸發Φ20、百頁箱、臺稱

（2）方法

降水蒸發記錄日分界為8時，包括降水量、蒸發原量、蒸發余量；氣象要素記錄2時（無觀測值）、8時、14時、20時觀測，日分界為2時。其中2時為前日20時和當日8時平值，絕對相對濕度按公式計算，分三時段記錄干球溫度、濕球溫度、最高溫度、最低溫度。

（3）數據模型

主要包括日記記錄對象、氣象要素時段記錄對象表。

（4）監測信息查詢表

按符合安徽省匯編標準設計包括廣德水保試驗站坡面徑流觀測場逐日降水量表整編資料、廣德水保試驗站坡面徑流觀測場逐日水面蒸發量表整編資料、廣德水保試驗站坡面徑流觀測場逐日氣溫表整編資料，廣德水保試驗站坡面徑流觀測場逐日相對濕度表整編資料，以及日絕對濕度報表、日相對濕度報表、日最低溫度報表、日最高溫度報表等8個查詢報表。

2.2 遙測氣象要素

（1）監測設備：風向風速EL15-1C/2C、溫度濕度氣壓PT100/DHC3（百頁箱）、地面溫度型號PT-100、地表淺層溫度PT-100，數據文件類型csv（逗號分隔）。

（2）監測方法：自動生成記錄包括：時間、分鐘內最大瞬時風速的風向、分鐘內最大瞬時風速、氣溫（百葉箱）、相對濕度（百葉箱）、水汽壓（百葉箱）、露點溫度、地表溫度（鉑電阻）、地溫5cm、地溫10cm、地溫15cm、地溫20cm等。

月報：每月下載首記錄1日2：00始，至次月1日2：00止，首記錄2時為前日值不參與計算，第二個記錄開始計算，到2日2：00對應為1日值。日均值：為2＼8＼14＼20四段值中提取；日極值：最小值和最大值在全部采樣中提取。

（3）數據模型

自動氣象要素均值對象表、自動氣象要素最大值對象表、自動氣象要素最小值對象表等3個數據模型。

（4）監測信息查詢表

按符合安徽省匯編標準設計包括廣德水保試驗站坡面徑流觀測場逐日降水量表整編資料、廣德水保試驗站坡面徑流觀測場逐日水面蒸發量表整編資料、廣德水保試驗站坡面徑流觀測場逐日氣溫表整編資料，廣德水保試驗站坡面徑流觀測場逐日相對濕度表整編資料，廣德水保試驗站坡面徑流觀測場逐日平均風速表整編資料、廣德水保試驗站坡面徑流觀測場逐日平均地面地溫表整編資料，以及日最大相對濕度報表、日最低溫度報表、日最高溫度報表等9個查詢報表。

3、徑流場對象表

（1）數據模型

徑流場包括徑流場日記對象表、遙測降雨對象表、坡面日記對象表、渾水測量對象表、泥砂測量對象表，以及渾水取樣對象表和泥砂取樣等7個數據模型。

（2）監測信息查詢表

A6徑流小區田間管理表、A7徑流小區逐次徑流泥沙表、A8徑流小區逐年徑流泥沙表、表A9徑流小區土壤含水量和植被蓋度表。

3.1 遙測降雨

（1）監測設備：型號JDZ系列遙測雨量計，自動生成數據文件類型csv（逗號分隔）。

（2）監測方法：遙測記錄雨量累計值，初值為0，計滿5000復位0，無降雨整點小時產生記錄，有降雨每秒產生1個記錄。遙測記錄包括站號、時間、原始雨量等；每月下載首記錄必須為1日8：00始，至次月1日8：00止，首記錄為前日值不參與計算，第二個記錄開始計算，到2日8：00對應為1日值。段累計降雨量以5分鐘或10分鐘整分界為單位；時段雨量大于2mm，生成記錄；時段雨量大于0.1mm后延時段雨量為0，生成記錄；時段雨量大于0.1mm，后延時段雨量大于0.1mm，持續執行時段合并，但合并不跨小時整點。小時累計降雨量以小時整點分界為單位，時段雨量大于2.5mm，對應生成記錄；小時降雨量大于0.1mm后延小時降雨量為0，對應生成記錄；小時降雨量大于0.1mm，后延小時降雨量大于0.1mm，持續執行時段合并，但合并不跨8：00點整時。日累計降雨量以8：00點分界為單位，雨量大于0.1mm，生成記錄。次累計降雨量以時段雨量連續大于0.1mm，間歇時間小于6小時，持續執行時段雨量合并和歷時累計，累計次雨量大于12mm，或發生15分鐘雨量大于6毫米生成記錄。

（3）數據模型

遙測降雨對象表1個數據模型。

（4）監測信息查詢表

按符規范設計包括A4逐日降水量表整編資料、A5雨量站降水過程摘錄表。以及可查詢1日最大，3日最大，7日最大，15日最大，30日最大、1小時，3小時，6小時，12小時，24小時最大、10分、15分、30分鐘，60分鐘，120分鐘雨強等。

3.2 坡面觀測

（1）操作項目：包括中耕、鋤草、手工扯草、噴灑除草劑以及種植、收獲等。

（2）監測方法：拍照記錄，按規定角度，每個小區每月一次拍照，拍照時間按排在每月的1 -5日；按計劃落實坡面處理日期、操作內容等人工記錄。

（3）數據模型：坡面日記對象表1個數據模型。

3.3 渾水測量

（1）監測設施：包括量水池1級、2級、3級（桶）、水尺。

（2）監測設備：濁度儀、烘干箱、水尺、分析天平、烘杯、濾紙。

（3）監測方法：現場水深測量、濁度測量、渾水取樣。

（4）數據模型：渾水測量對象表（主）、渾水取樣對象表（子）等2個數據模型。

3.4 泥砂測量

（1）監測設施：包括集流槽、量水池1級、臺稱。

（2）監測設備：桶盒、烘干箱、臺稱。

（3）監測方法：現場泥砂稱重，泥砂取樣。

（4）數據模型：泥砂測量對象表、泥砂取樣對象表（子）等級2個數據模型。

結論

（1）本次實踐重點內容為數據庫結構設計，采用《水土保持數據庫表結構及標識符》和符合SQL Server的命名規則。

（2）水土保持監測點對象編碼。《水土保持監測點代碼（報批稿）》SL-452-2009規范中，采用所屬省區劃代碼2位+水土保持監測點編碼3位的5位代碼，在下載資料中代碼為61253對應綏德縣橋溝小流域控制站和綏德縣辛店小流域控制站兩個監測點，這里更正綏德縣辛店小流域控制站編碼為61254后，符合索引唯一性；

（3）水土保持監測中心對象與水土保持監測總站對象的編碼。對象實例數量確定為有限數量，并且編碼設計為全數字時，對象表的編號與編碼合并表達對象實例的數量概念，首位編碼應該從1開始，符合一般記數習慣。《水土保持監測點代碼（報批稿）》SL-452-2009規范中，水土保持監測點編號（編碼），由 3 位數字組成，其中編碼001—100修改為001—99，可提供99個實例編碼，首1位編碼“0”表示為監測點所屬國家水土保持監測網絡級別為水土保持監測中心；其中編碼101—200 修改為101-199，可提供99個實例編碼；首1位代碼“1”表示為監測點所屬水土保持監測中心站；現行規范全國水土保持監測中心站，除新疆建設兵團使用編碼“9”，其他首1位全部使用“2”編碼；當前首位1位編碼“3、4、5、6、7、8”等目前規范沒有規定實例，當修改后首1位直接表示為監測網絡級別。流域代碼+“1”可考慮為水土保持監測中心站對象實例編碼（等查證唯一性），區劃代碼+“2”（或“9”）可考慮為水土保持監測總站對象編碼（查證符合唯一性），符合唯一性原則，其中新疆維吾爾自治區652和新疆建設兵團區劃代碼659，安徽省為342。

（4）關于監測數據和監測信息描述。監測數據對應計算機存儲設備，占用物理存儲空間，因此要求存儲有效數據，少占空間，人機對話是數據庫的數據存儲，監測數據存儲以數據庫文件形式保存，計算機停止運行，不影響數據文件的存在，數據文件可以存放到計算機以外的物理空間或云端，并且屬于《水土保持數據庫表結構及標識符》規范內容；監測信息對應計算機內存設備，人機對話是數據庫的數據查詢過程，監測信息查詢受計算機運行速度影響，但計算機運行速度不影響查詢結果，并且監測信息查詢結果取決于監測數據的完整性，并且屬于“水土保持監測資料整編規范（初稿）”需要標準化的內容。

（4）遙測降雨模塊設計中監測數據對原始記錄保持繼承性，按可逆向還原或可校對性要求。當監測數據來源于設備時，因為自動化信息化水平差異，自動或遙測為串行數據，須摒除空記錄和重復記錄，轉化為有效表達監測指標屬性的并行數據，并實現數據壓縮。

（5）前臺客戶端與后臺數據庫的有效隔離和安全保障。當前功能模塊與數據庫之間大部分采用ODBC方式連接，本地為使用信任連接，客戶端啟動后自動連接后臺數據庫；遠程為不受信任的域，每次重啟客戶端，都需要數據庫登錄，要求輸入用戶名和密碼，因此連接信息和登錄信息存在安全性問題；在遙測降雨功能模塊設計中，采用ADO活動數據訪問接口方式，（下轉第頁）

（上接第頁）

通過VBA中引用對象庫 “Microsoft ActiveX Data Objects 2.8 Li-brary”，連接信息固化在VBA代碼中，臨時建立功能模塊與數據庫間消息訪問，可能是解決問題的有效途徑，下一步工作是全部ADO連接方式更新設計，并經過Access2010打包后更具有安全性。

結束語：

后臺采用SQL Server 2008開發建立面向對象數據庫，依托T-SQL集合編程語言支持，可以提供數據訪問高性能，在協議的發送者和接收者之間不要求有嚴格的相互協調，可以支持分布式網絡化管理。前臺采用Access2010為面向對象初級開發平臺，可以快速開發定制客戶端，可滿足水土保持監測點個性化業務需求，適合普遍性推廣運用。目前在已購買阿里云服務器中，完成定制客戶端與遠程SQL Server 2008服務器兩個實例一對一運行測試。

參考文獻：

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[4]明日科技.《SQL Server從入門到精通》 [ISBN工978-7-302-28486-4]. 出版地：清化大學出版社，出版年：2012.9