校園開放水體可視化水質監測GIS系統研發

周博宇 李以琳 杜要 周昱極 詹凱迪

1.浙江水利水電學院 浙江杭州 310018；2.浙江數智交院科技股份有限公司 浙江杭州 310030

1 概述

為改善校園生態環境，提升校園美觀度，人工湖成為校園建設必不可少的一個項目。但由于校園人工湖生態系統較為單一、來水量小、存儲水量不大、水體自凈能力差、水體置換率低等特點，校園內人工湖經常出現水體污染現象[1]。水體富營養化本是湖泊演化過程中的一種自然現象，這種演化是十分緩慢的，但由于人類活動的影響，大大加速了這一進程，嚴重影響水環境質量和功能，破壞了生態平衡，造成經濟損失[2]。水體污染使人工湖不僅達不到美化校園的目的，甚至會對師生的身心健康造成嚴重的危害。隨著計算機信息技術和網絡技術的快速進步，物聯網技術已廣泛應用于社會生產生活的方方面面，物聯網技術與各行業的結合已成為當今時代的重要發展潮流[3]。為消除安全隱患，創建平安校園，本文將GIS與物聯網技術相結合，利用GIS的空間特征對人工湖水質進行監測，將水質信息可視化，實現水質監測實時預警，建設校園開放水體可視化水質監測平臺。

2 系統整體設計

以地理信息技術、計算機技術、物聯網技術為基礎，建立校園水質信息數據庫及水體水質信息監測系統，實現多種水質參數的自動采集及GIS“一張圖”實時水質信息可視化，并在水質參數超標時做出預警，提高校園水質監測管理工作效率。校園開放水體監測系統設置基礎地圖模塊、設備管理模塊、水質監測模塊、水質分析模塊、權限管理模塊。

圖1 系統總體設計圖

2.1 基礎數據采集制作及數據庫設計

2.1.1 數據采集及制作

使用無人機采集校園高分辨率遙感影像，以校園設計線劃圖、高分辨率遙感影像為基礎，制作校園高精度矢量地圖。

物聯網系統主要由傳感器、模數轉換器(ADC)、微控制器、SD存儲器和通信系統組成。水質傳感器運用5G通信模塊與數據中心通信，將數據解碼后入庫，當網絡環境波動時，數據將存儲在SD存儲器中，待通信恢復后實現斷點上傳。監控視頻則采用視頻廠商產品，通過4G或5G通信，以流媒體形式與數據中心交互、存儲，并提供接口來展示系統調用集成。物聯網技術在設備連接、大數據量承載方面具有獨特的優勢[4]。輔以數據交換以及遠程操作等手段，可進一步提高人與物、物與物的交互效率，實現智能化識別、定位、跟蹤、監測校園開放水體水質狀況。

2.1.2 數據庫設計

校園開放水體可視化水質監測GIS系統數據庫主要目標是實現系統主要功能，既能夠儲存管理水質監測、傳感器、用戶等數據的基礎屬性指標，又能儲存其空間數據。數據庫模型設計由概念模型設計和邏輯模型設計組成。

2.1.2.1 概念模型設計

數據經綜合、歸納和抽象處理，按照一定的功能需求建立一個脫離硬件環境的數據庫概念模型。E-R圖是描述概念模式的有力工具，它采用三個基本概念：實體集、聯系集和屬性[5]。根據定義實體、定義聯系、定義屬性的順序設計E-R圖作為數據庫概念模型，如圖2所示。

圖2 總E-R圖

2.1.2.2 邏輯模型設計

基礎地理信息數據庫包括矢量數據和遙感影像，兩者分別通過表設計、文件形式存入數據庫，在地圖樣式配置完畢后使用地圖服務形式發布，提供給基礎地圖模塊使用；水質監測數據庫建立CODcr(化學需氧量)、NH3-N(氨氮)、T-N(總氮)、T-P(總磷)、pH值(酸堿度)、Turb(濁度)、DO(溶解氧)等數據表，用于儲存標準范圍和實時數據。設備信息數據庫包括傳感器ID、傳感器運行狀態、傳感器的位置信息(經度、緯度)等數據表；用戶信息數據庫包括儲存用戶名、密碼、聯系方式、在線狀態等數據表。

圖3 邏輯模型設計圖

2.2 基礎地圖模塊

通過實現校園高精度矢量地圖和遙感影像等基礎地理信息承載，將校園開放水體精確展示在平臺上。系統實現多個基礎地圖接口，可進行縮放、平移、圖層控制、距離面積量算、空間點位標注等操作；設計地圖鷹眼，當地圖縮放達到一定等級的時候，實現地圖的大面積漫游[6]；設立氣象小窗，通過網絡獲取實時天氣情況。地圖是圖像式的再現，這種再現使人們對事物、概念、狀況、過程形成了一種空間上的理解基礎[7]。地圖模塊是可視化的基礎，也是用戶最直觀的體驗。

2.3 設備管理模塊

為了便于查看設備情況、調整設備部署，設立了設備管理模塊。設備管理模塊用于查看監測設備、監控攝像頭的運行狀態，包括在線狀態和連續在線時間等；可添加、修改和刪除設備、更改設備IP和端口、設置設備地圖交互點位置等；可查看監測點實時的監控視頻，獲取攝像頭視頻URL等。設備管理模塊為監測數據的穩定性和視頻數據的真實性提供保障。

2.4 水質監測模塊

水質監測模塊是本系統的數據來源，將監測點布設在地圖上，點擊即可查看相應的水質監測點的水質信息、視頻監控信息等。通過水質監測模塊可查看實時數據和監控畫面，并且能夠查看并下載歷史數據和回看監控影像。根據我國《地表水環境質量標準》可知，人工湖屬于三類及以下水體，水質監測模塊將根據實時數據得出監測點的水質級別。在地圖上三類及四類水體展示為淺藍色，水質數據出現異常時，相應點位將在地圖中變為紅色并第一時間發出警報，將情況通報給管理人員，將實時監控畫面置頂。水質監測模塊能夠對水質異常的位置進行精準的確認，進一步縮小水污染的范圍，使問題能夠得到針對性的處理[8]。

2.5 水質分析模塊

水質分析模塊是本系統的核心，通過預設算法可實現統計圖繪制、空間插值分析、熱力圖分析等功能。系統對水質監測歷史數據進行處理分析，去除其中的異常值，得出日平均數據，進而得出月平均數據并繪制統計圖，能夠反映開放水體長期水質變化情況。為獲得監測區整體相關水質數據，系統通過對監測點數據進行空間插值，形成測量值表面。空間插值運用克里金法，克里金插值是空間統計學插值的主要方法[9]，也是目前應用最廣泛的一種空間插值方法。對于估值結果而言，該方法具有一定的低通濾波作用，但其也是最有效的一種小鄰域均值估算方法，具體為：

式中Z(Si)為第i個位置處的測量值，λi為第i個位置處的測量值的未知權重，S0為預測位置，N為測量值數[10]。污染發生后，系統將進行熱力圖分析，將受污染的區域按照受影響的程度進行劃分，便于工作人員進行處理，將負面影響降到最小。

2.6 權限管理模塊

為保證校園開放水體可視化水質監測GIS系統的穩定和水質數據的安全，本系統對用戶權限進行分級處理，分為高、中、低三種權限，各級用戶的基礎信息表、權限表和關聯表組成用戶管理表(如圖4所示)。高級權限可使用空間分析、調用下載歷史數據、設備管理、權限管理等功能；中級權限可使用調用下載歷史數據、設備管理等功能；低級權限僅可查看實時數據。

圖4 用戶權限模型圖

結語

校園開放水體可視化水質監測GIS系統將物聯網與GIS技術相結合，實現對開放水體水質進行實時監測，使水質監測的準確性、時效性得到顯著提高。使用本系統對校園開放水體進行水質監測可及時發現水質污染問題，便于第一時間采取措施解決問題，減少水污染帶來的負面影響，能夠解決校園水質自動監測預警的痛點問題，具有重要的科研與社會意義，且在提升校園環境的美觀度，保障全校師生的身體健康等方面有著至關重要的作用。本系統將水質監測數據可視化在一張圖上，可覆蓋整個校園水質環境，運行穩定、功能可靠、誤報率低，水質監測精度達到行業領先水平。將該項目推廣應用具有很強的社會效益和經濟效益。