基于物聯網的北京市水土保持監測信息管理系統升級與優化

摘" 要：隨著智慧水務建設的持續深化，自動化和信息化的水土保持監測正逐漸成為該領域發展的核心內容。該研究基于北京市建設水土保持監測網絡和物聯網應用技術的需求，聚合多源北京市水土保持監測站點設備，實現設備按要素統一采集發送，統一接收、解析和存儲，同時構建北京市水土保持監測信息管理系統，旨在縮短業務人員信息查詢、統計分析、審核和整編數據等工作時間，提高工作效率。未來，結合大數據和AI技術為北京市水土保持監測的自動化、智能化奠定基礎，具有重要的應用前景和推廣價值。

關鍵詞：水土保持監測；物聯網；自動監測；管理系統；大數據

中圖分類號：S157" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）07-0031-04

北京市水土保持工作始于新中國成立初期，改革開放后開展了大規模的水土保持監測實踐[1]。改革開放40年以來，北京市逐步建立了水土保持相關機構，積極制定規劃并展開科學研究工作[2]。在水土保持方面，預防保護、生態治理、監測監管工作也在同步發展。經歷了小流域綜合治理、生態清潔小流域建設、山水林田湖草沙一體化修復等發展階段，水土保持工作在經濟發展和城市建設中的重要性逐步提升[3]。這些工作顯著改善了北京市的生態環境，并構建了完善的調查評價、規劃布局、監測、治理和建設管護等技術體系[4]。2017年，北京市發布《北京城市總體規劃（2016年—2035年）》，提出了“堅持生態空間山清水秀，大幅度提高生態規模與質量”的目標，對水土保持工作提出了更高層次的要求。

2023年，北京市繼續推動水土流失動態監測工作，逐步落實《北京城市總體規劃（2016年—2035年）》要求，繼續對監測站點進行標準化建設和改造。目前，北京市共有15個監測站點（此處的監測站點是指以小流域為基礎劃分的監管單元），其中包括10個坡面徑流場，14個溝道控制站。坡面徑流場的觀測指標有：土壤理化性質、降雨量、降雨強度、徑流量和含沙量等傳統水土流失觀測指標以及部分水質指標如徑流總磷、總氮、COD等[5-6]。而溝道控制站的觀測指標則包括降雨量、降雨強度、水位和流量等。近年來，隨著觀測指標的增多，觀測頻次的加密使得數據量陡增，同時監測管理人員對觀測時效性的要求也日益提高，另外，原有監測設備的陳舊和多源性使得系統運行緩慢。因此，建設新的高效且美觀的觀測站網以及整合多源物聯網設備，重建以物聯網為基礎的北京水土保持監測信息管理系統已迫在眉睫。

1" 聚合多源物聯網設備

1.1" 設備現狀

截至2022年，北京市水生態保護與水土保持中心所管理的自動化監測設備包括15套遙測雨量計、23套徑流自記儀、30套土壤水分傳感器、11套自動徑流泥沙監測設備和14套水位監測設備。這些設備來自不同的制造商，它們在接口標準、通信協議以及數據接收軟件方面存在差異，給監測站點數據的分析與監測信息管理系統的統一分析展示帶來極大的困難。為此，需要更換所有站點的RTU設備，統一分辨率、采集發送頻率、通信協議、數據接口和數據結構。

1.2" 數據采集的功能與應用

數據采集器，亦稱為RTU（遠程終端單元）或遙測終端，是一種集數據采集、存儲與傳輸功能于一體的高效能設備。該設備通常與數據接收軟件協同工作，在監測站點與各類傳感器設備相連，負責收集傳感器數據，并通過GPRS（通用數據協議）或北斗衛星通信技術將這些數據傳輸至中心服務器的接收軟件進行解析和存儲，具體流程詳如圖1所示。

1.3" 多源設備聚合實現

鑒于遙測終端RTU設備具有聚合多廠商、多要素設備的功能，實現多源設備的聚合可分為以下步驟。

1.3.1" 統一更換RTU設備

將原有舊的數采更換為統一廠商的RTU，這邊方便后續采集、發送頻率的配置以及數據的接收、解析。

1.3.2" 統一設備通信協議

相較于RS232協議，RS485協議發送和接收配置靈活、傳輸速度快、傳輸距離遠、抗干擾能力強和連接設備多等優勢。因此，統一將RS232接口通過轉換器轉換為RS485接口，并將其連接至RTU設備。

1.3.3" 統一設備分辨率

一般雨量采用0.5 mm的分辨率即可滿足要求，過高的分辨率會導致數據頻繁發送，RTU電量耗損過快。因此，統一將0.1、0.2 mm分辨率的雨量計換為0.5 mm分辨率[6]。其他監測指標的設備分辨率基本一致，無需調整。

1.3.4" 統一采集頻率，發送頻率

①雨量，每增加0.5 mm采集并發送1次數據；②土壤水分，1 h采集并發送1次數據；③水位，有變化5 min采集并發送1次，無變化1 h發送1次數據[7]；④徑流泥沙，有變化1 min采集并發送1次數據，無變化1 h發送1次數據；⑤植被蓋度/覆蓋度，自動在線監測12 h采集發送1張照片。

1.3.5" 統一數據接收、分析、入庫

在中心機房部署一套數據接收軟件，對所有RTU發送的數據進行接收、解析和存儲。

2" 系統實現與應用

2.1" 原有系統現狀

盡管舊系統目前雖然仍可運行，但由于其開發時間較早，采用的技術較為陳舊，功能較為單一，難以滿足當前業務的需求，具體如下。

2.1.1" 功能單一

早期監測主要依賴人工觀測，系統設計主要用于人工填報和計算，缺乏數據可視化、結構化展示和設備狀態預警等功能。

2.1.2" 技術陳舊

舊系統采用Python語言編寫，相較于Java語言，Python運行速度較慢，且動態類型可能導致運行時錯誤。同時，早期前端技術有限，可視化效果一般。

2.2" 系統架構及功能

2.2.1" 系統架構

為解決舊系統問題，新系統采用了分層架構和事件驅動架構，共包括數據采集層、硬件網絡層、數據資源層、數據訪問層、數據應用層和數據表現層6層，如圖2所示。

1）數據采集層。部署在現場監測點的遙測終端RTU設備根據配置的采集規則，定時采集或者條件采集數據。首先將各個監測要素的數據存儲至內存卡中，等待到達發送時間點后把數據發送至中心服務上。

2）硬件網絡層。遙測終端RTU設備通過移動通信、北斗通信或者有線光纜以HTTP協議或者北斗通信協議方式連接至中心機房的網關層，再通過網關層將數據傳遞至服務器的接收軟件中。由于有線光纜造價較高，本系統在實施過程中未作考慮。

3）數據資源層。該層主要是通過數據抽取技術將接收數據庫中數據，進行清洗、整理存儲至業務數據庫庫中，為后續的數據調用提供支撐。系統采用開源關系型數據庫MySQL作為業務庫。

4）數據訪問層。該層負責與數據存儲（如數據庫、文件系統等）進行交互，執行數據的讀取、寫入和修改操作。系統采用MyBatis來進行數據訪問，作為一種持久層框架，內置JDBC省去了很多加載驅動、創建連接等復雜過程。

5）數據應用層。主要負責各系統業務邏輯處理，作為表現層與數據層的中間部分，根據業務邏輯對數據進行相應處理并達到數據層與表現層之間的數據傳遞目的。系統在結合業務需求抽取了8大功能模塊：地圖展示、綜合展示、數據填報、數據計算整編、設備預警、歷史數據、水保公報和系統管理。

6）數據表現層。主要負責用戶交互、界面展示。系統在該層中采用Thymeleaf架構，模板化定制化，減少代碼冗余。UI采用Bootstrap2.0和LayerUI模板，樣式多樣且美觀，同時支持深度定制。地圖模塊采用leaflet庫，開源免費、輕量易用，交互功能豐富。

2.2.2" 主要技術

1）Spring MVC框架。Spring Web MVC是基于Servlet API構建的原始Web框架，它提供了靈活可擴展的MVC架構，方便開發者構建高性能的Web應用程序，并與Spring生態系統無縫集成。其中，M代表模型（Model）是應用程序的數據和業務邏輯的表示；V代表視圖（View），是用戶界面的呈現部分，負責展示數據給用戶，并接收用戶的輸入；C代表控制器（Controller），是模型和視圖之間的協調者，負責接收用戶的輸入并根據輸入調用相應的模型邏輯。

2）ETL技術。ETL（Extract， Transform， Load）是指將數據從一個數據源提取出來，經過一系列的轉換處理，最終加載到另一個目標數據源的過程。數據采集過程中，往往存在格式不統一、缺失值、重復值等相關問題，這些數據需要經過清洗和轉換后才能使用，因此需要ETL來實現數據的清洗、整合和傳輸。

3）WebGIS。WebGIS（Web地理信息系統）是一種基于網絡的地理信息系統，它將地理信息與網絡技術相結合，為用戶提供空間數據的可視化和分析功能。

4）工作流（WorkFlow）。工作流（WorkFlow）就是一系列有序的任務、活動或流程，它們按照特定的規則和條件依次進行，以實現特定的目標或結果。工作流通常包括流程建模、任務分配、流程執行、監控和優化等功能模塊，可以根據具體的業務需求和流程特點進行定制和配置。

2.2.3" 系統主要功能

功能主要有：地圖展示、綜合展示模塊、數據填報模塊、數據計算整編、設備預警、歷史數據、水保公報及系統管理功能模塊，如圖3所示。

①地圖展示標注了監測點的空間分布情況、降雨侵蝕力分析等；②綜合展示模塊主要包括控制站、徑流場的基礎及可視化信息、數據分析等功能；③數據填報主要是各站點、縣級、市級數據的填報和審核功能；④數據計算整編模塊主要是以國家規范的格式整編上報的數據，為相關部門提交整編報告提供技術支持[8]；⑤設備預警功能包括電池電壓預警、數據傳輸預警；⑥歷史數據功能為用戶展示歷史相關數據，并提供下載功能；⑦水保公報功能展示歷年北京市及區縣水土保持公報，并提供下載；⑧系統管理模塊主要是設置各級用戶的基礎信息和權限等。

2.3" 系統應用

新系統自部署運行以來，緊密結合北京水土保持監測業務，取得了顯著成效。截止到2023年底，已接收全市15個站點的各類數據35萬余條，協助各區填報數據396場次，自動編制整編表105張，設備預警20次。業務人員在系統協助下，縮短了信息查詢、統計分析、審核和整編數據等時間，極大地提高了工作效率[9]。具體如下。

1）實現了多源設備聚合工作，統一了監測要素的數據采集發送頻率，有效提高了數據通暢率、正常率，方便了設備維護和檢修。

2）根據監測業務需求設計了8大功能模塊，采用Java語言和前后端眾多框架，有效解決了舊系統的功能單一、技術陳舊、美觀性一般等問題。

3）實現了監測業務數據全面數字化與規范化，將原有的2014年至今的監測數據表格、公報等異構數據整理入庫，實現時序查詢、下載等功能。

4）采用業務工作流技術，實現了數據的實時審核和校驗。提高了準確性和審核效率。

5）自動計算整編功能，解決了原來人工Excel錄入、計算、排版復雜、費時費力的問題。系統將人工觀測數據和自動數據分場次自動進行計算，并按照國家規范進行整編排版，使原來手工計算、整編的時間由一周縮短至幾分鐘，極大地提高了工作效率。

3" 結束語

通過實施RTU更換、統一數據采集發送規則等關鍵舉措，成功地匯聚了多元化的物聯網設備資源，實現了跨廠商、跨要素的設備數據的整合與標準化處理。這一成果不僅為構建物聯網驅動的北京市水土保持監測系統奠定了堅實的數據基石，更在推動系統升級與優化的過程中，顯著提升了業務效率與用戶體驗。新系統架構的設計，不僅解決了舊系統存在的痛點，還進一步豐富了系統功能，優化了數據處理流程，顯著縮短了業務人員在信息查詢、統計分析、審核及數據整編等環節所需的時間，從而極大地釋放了生產力，提升了工作效率。

展望未來，將積極探索大數據和AI等前沿技術的應用，以進一步賦能信息系統在水土保持監測業務領域的發展。這些技術的融合將有望推動監測流程的自動化與智能化，從而為提升整個業務領域的響應速度、決策效率和精準度提供強有力的支撐和保障。

參考文獻：

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[2] 李世榮，周嶸，袁愛萍，等.北京市水土保持規劃布局與內容分析[J].中國水土保持，2016（1）：34-37.

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[5] 路炳軍，袁愛萍，段淑懷.北京市水土保持監測網絡建設與成效[J].中國水土保持，2010（6）：9-11.

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[7] 衣強，劉瑛娜，吳東輝，等.基于物聯網的河南省水土流失監測數據整編和可視化系統構建[J].中國水土保持，2020（12）：63-66.

[8] 水利部水土保持監測中心.徑流小區和小流域水土保持監測手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2015.

[9] 王利君，石國偉，何濤，等.新疆油田水土保持管理信息系統研究與應用[J].中國水土保持，2021（5）：61-63.

Abstract： As the construction of smart water continues to deepen， automated and information-based water and soil conservation monitoring is gradually becoming the core content of development in this field. Based on the needs of Beijing City to build a soil and water conservation monitoring network and Internet of Things application technology， this research aggregates multi-source equipment from Beijing City Soil and Water Conservation Monitoring Station to achieve unified collection and transmission， unified reception， analysis and storage of equipment according to elements. At the same time， it builds a water and water conservation monitoring information management system for Beijing City， aiming to shorten the working time of business personnel information query， statistical analysis， review， and compilation of data， and improve work efficiency. In the future， the combination of big data and AI technology will lay the foundation for the automation and intelligence of soil and water conservation monitoring in Beijing City， thereby has important application prospects and promotion value.

第一作者簡介：忻龍玉（1977-），男，工程師。研究方向為土壤侵蝕與水利、水利信息化系統建設與產品研發。

*通信作者：吳東輝（1988-），男，碩士，工程師。研究方向為土壤侵蝕與水利、水土保持監測信息系統建設與產品應用推廣。