基于WebGIS的太湖梅梁湾水环境监测预警平台设计研究

徐亮魏宏农陈湘军

(1.南京大学环境学院,江苏南京 210093;2.江苏省环境监测中心,江苏南京 210036;3.南京大学,江苏南京 210093)

基于WebGIS的太湖梅梁湾水环境监测预警平台设计研究

徐亮1,2魏宏农2陈湘军3

(1.南京大学环境学院,江苏南京 210093;2.江苏省环境监测中心,江苏南京 210036;3.南京大学,江苏南京 210093)

近来年，太湖流域的生态环境问题日益突出，本文基于WebGIS理论，开发集成化的太湖梅梁湾水环境监控数据综合分析和服务系统，为流域水环境风险评估和预警数据库提供实时更新服务。监测预警体系的构建主要包括系统架构研究、平台设计研究、平台日常维护应用研究等，重点对监测体系平台的设计进行了详细的阐述。太湖梅梁湾水环境风险评估预警平台采用分布式计算的设计结构，具有 “水质查询”、“模型预报”、“监控预警”和“基础数据”四大类十二项功能，初步具备了梅梁湾域水质和蓝藻水华实时监测预警能力。

WebGIS 太湖 梅梁湾 水环境监测 预警平台

图1 系统技术模块划分

图2 系统平台功能结构图

自20世纪60年代以来，太湖流域的经济迅速发展，给环境带来了巨大压力，造成了生态平台的严重破坏和环境质量的下降。按现行的《地表水环境质量标准GB3838-88》，20世纪90年代中期太湖水质平均已达IV类，1/3湖区为V类，表现为平均每10年水质下降一个级别，近10多年下降速度明显加快。特别是2007、2008年太湖爆发的蓝藻事件，其爆发时间早、规模强度大，后果已严重威胁了无锡等市的饮水安全，使经济遭受到巨大的损失。因此，防治湖泊水质污染，保持生态平衡，以保证人类正常的生活环境，已成为现代社会最重要的问题之一。

WebGIS又称万维网地理信息系统，它是建立在Web技术上分布式环境下的地理信息系统，实现了在Internet/Intranet环境下存储、处理、分析、显示和应用空间信息的功能[1]。目前，WebGIS主要针对工情等静态信息的管理应用较为广泛，提供常规的信息查询与位置服务。国外水资源实时监控管理系统亦被成功应用于供水系统监控管理和调水、水质监控预警等方面，但多为C/S结构，并未基于GIS开发。[2-4]本平台依据WebGIS理论，以太湖梅梁湾为研究对象，旨在开发集成化的太湖梅梁湾水环境监控数据综合分析和服务系统，为流域水环境风险评估和预警数据库提供实时更新服务。实现污染监控信息和水环境质量预警信息的自动采集、快速处理、实时评价、及时报警等功能，供用户灵活、方便地在线查看和生成各种水环境质量评估和风险评估预警报告。结合3S系统应用，提供WebGIS数据融合、专题图生成等WebGIS数据集成功能，形成梅梁湾域监控和水环境监控数据的综合分析能力。

图3 平台界面布局

1 系统架构

1.1 系统硬件架构

作为太湖梅梁湾水环境风险评估预警平台系统，从总体方面考虑构架一个覆盖数据存储、分析服务与系统集成的成套系统。硬件系统构架包括：负责数据存储的数据库服务器，负责提供功能服务的GIS服务器、应用服务器。该硬件系统通过TCP/IP为在线监测工作站提供实时数据监测、为分析工程师工作站提供数据分析、为维护工程师工作站提供系统维护并且便于公网接入。

1.2 系统技术模块结构

太湖梅梁湾水环境风险评估预警平台系统建立以空间数据为基础，以WebGIS形式向用户提供污染监控信息和水环境质量预警信息的自动采集、快速处理、实时评价、及时报警等功能(如图1)。

1.3 平台技术功能的实现

(1)采用分布式计算的设计结构。太湖梅梁湾水环境风险评估预警平台系统采用分布式计算的设计结构，将不同功能模块预定义的接口与平台或者其他功能模块联系起来，并通过模块化的技术提高平台的可伸缩性，采用松耦合的方式，区别与紧耦合的方式，具有较高的灵活性。将大量基于各自功能模块的异构数据进行相应数据格式转换，交换到平台中心数据库中进行统一管理调度，通过预定义的接口格式(基于XML的语言)实现对共享资源进行设计、开发、部署、运行应用。(2)建立梅梁湾域水环境监控数据库。预警平台数据库使用MircoSoft的商业数据库MS SQL Server 2008。在SQL Server数据库中建立各类型数据表结构以及模型数据交换表结构，为各类环境标准、评价方法、计算模型等应用分析提供基础。(3)建立水环境监测数据综合分析WebService服务。WebService服务代理数据库访问、ArcGIS服务器访问的所有操作，前端的应用程序都是基于WebService开发。(4)实现水环境质量评价和风险评估预警报告自动生成。风险评估预警报告通过用户界面设计和数据绑定的方式，先定制出报表的样式，再通过给元素设置自定义属性的方式将各种数据源与之绑定，实现数据动态显示，报告中显示的数据包含实测数据、预测数据及风险评估等级划分。(5)GIS空间数据融合。平台采用ArcGIS作为空间数据服务器，使用微软的Silverlight技术进行开发，借助于Silverlight良好的图形处理能力，提供WebGIS数据融合、专题图生成等WebGIS数据集成功能，形成梅梁湾域监控和水环境监控数据的综合分析能力。

2 平台设计

2.1 分布式计算的设计结构

太湖梅梁湾水环境风险评估预警平台采用分布式计算的设计结构，满足数据采集上传、WebGIS数据集成、水质模型和蓝藻生消模型预报分析、监控预警等级划分和报告生成等多项功能，平台既可以与各功能模块统一运行，同时又能保证其各功能模块独立开发和稳定运行。

2.2 监控数据库建立

(1)数据库服务器。在数据存储结构上，采用以数据字典为导向的二次索引方式进行建模。将自动监测、手工监测、遥感监测等不同方式所获得的各类数据纳入到数据库的统一管理之中，为监测分析提供数据基础。太湖梅梁湾水环境监测除了考虑水温、pH、悬浮物、总硬度、透明度、总磷、总氮、溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、挥发酚、氰化物、氟化物、六价铬、总汞、总砷、镉、铅、铜、叶绿素a等，还进一步考虑了钾、钠、锌、硫酸盐、氯化物、电导率、溶解性总固体、大肠菌群等数据表结构。(2)数据库表建立。基本信息表中存储的统计信息系指监测站基本特征值数据。实时信息表中所存储的数据是来自各水质监测站的资料，包括各类水文要素的瞬时数据、日值、旬月及年统计值，该类表的大小随数据库的运用不断增长。

2.3 WebServices技术架构服务

传统软件接口实现形式是封闭式的，用户必须进入平台内部才能使用其功能和资源，外部程序无法使用这种封闭式平台的资源，而通过WebServices这种新的软件开发理念，程序员能把系统的一些通用功能以接口的形式发布到网络中，供其下应用程序直接调用。这种结构符合软件开发的高内聚松耦合理念，底层操作对上层是透明。WebService发布在网络中，不仅为上层应用提供服务接口，这些服务也能被其他应用程序引用，为以后水专项系统向多平台、多终端应用扩展提供可行的解决方案。

2.4 WebGIS数据集成

针对水环境监控的特征，使用GIS服务器用于作为空间数据库服务器。在此空间数据库中主要包含以下数据：(1)基础空间信息数据：包括太湖所在区域的行政区划图、水系图、地形图等；(2)专题空间信息数据：主要包括监测断面信息、水质动态监测数据、水质综合评价数据、环境标准数据等及预警预报数据等；(3)图像数据：包括数字高程模型DEM、数字正射影像DOM等。

2.5 平台功能结构及作用

太湖梅梁湾水环境风险评估预警平台具有 “水质查询”、“模型预报”、“监控预警”和“基础数据”四大类十二项功能(如图2)。

3 平台界面布局

系统主界面主要由三个部分组成，上侧为系统标题区，主要用于显示系统相关信息，左侧为系统导航菜单，主要包括水质查询，模型预报，监控预警和基础数据四个部分。右侧为太湖梅梁湾WebGIS地图界面，主要用于显示地图以及相关的数据信息(如图3)。

4 平台日常运行和维护管理

(1)一般要求。平台服务器现场应保持各设备干净清洁，内部线路清晰通畅，保持环境温度稳定，避免设备振动。日常应经常检查其供电是否正常、过程温度是否正常、工作时序是否正常、是否需要更换备件。平台服务器现场配备必要的操作手册、管理规章和现场记录本等。(2)定期远程测试。技术人员每两天一次通过平台远程测试系统功能，测试内容包括：自动数据功能和考核指标检查；遥感数据功能和考核指标检查；手工数据功能和考核指标检查；综合查询功能和考核指标检查；水质模型功能和考核指标检查；蓝藻模型功能和考核指标检查；预警阀值功能和考核指标检查；预警等级功能和考核指标检查；监控报告功能和考核指标检查；预警报告功能和考核指标检查；质量标准功能和考核指标检查；相关成果功能和考核指标检查；(3)定期检查平台可靠性考核指标。每周定期检查平台可靠性考核指标1次，可根据实际情况增加，主要作业内容包括：检查平台是否24小时稳定运行；实现平台可重新启动服务器或操作系统，数据不会丢失；提供对服务器运行状态监测及远程应用的调试；(4)停机维护。①短时间停机(停机时间小于24小时)：一般关机即可，再次运行时服务器需重新校准。②长时间停机(连续停机时间超过24小时)：如果服务器需要停机24小时或更长时间，一般需关闭关闭电源。

5 结语

随着水体污染的加重，环境监理部门对区域水环境监测管理系统的需求日益增加，基于WebGIS建立可视化的环境管理工具是推动科学决策的需要。数据存储的电子化可减少人工的失误，确保信息的完整性，有利于数据的保存和信息的统计[5-7]。在数据统计的基础上，进一步分析和模拟，科学计算水体的相关数据，图表结合，直观的展示统计分析结果。

本平台依据WebGIS理论，以太湖梅梁湾为研究对象，开发集成化的太湖梅梁湾水环境监控数据综合分析和服务系统，为流域水环境的改善及综合管理提供了技术支撑与决策依据。

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[4]张文明,董增川,王德智,等.基于WebService的城市水资源决策支持系统开发及应用[J].水力发电,2007,33(7):13-15.

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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.

WebGIS Lake Taihu Meiliang Bay Water Environment Monitoring Early Warning Platform