校园开放水体可视化水质监测GIS系统研发

周博宇 李以琳 杜要 周昱极 詹凯迪

1.浙江水利水电学院 浙江杭州 310018；2.浙江数智交院科技股份有限公司 浙江杭州 310030

1 概述

为改善校园生态环境，提升校园美观度，人工湖成为校园建设必不可少的一个项目。但由于校园人工湖生态系统较为单一、来水量小、存储水量不大、水体自净能力差、水体置换率低等特点，校园内人工湖经常出现水体污染现象[1]。水体富营养化本是湖泊演化过程中的一种自然现象，这种演化是十分缓慢的，但由于人类活动的影响，大大加速了这一进程，严重影响水环境质量和功能，破坏了生态平衡，造成经济损失[2]。水体污染使人工湖不仅达不到美化校园的目的，甚至会对师生的身心健康造成严重的危害。随着计算机信息技术和网络技术的快速进步，物联网技术已广泛应用于社会生产生活的方方面面，物联网技术与各行业的结合已成为当今时代的重要发展潮流[3]。为消除安全隐患，创建平安校园，本文将GIS与物联网技术相结合，利用GIS的空间特征对人工湖水质进行监测，将水质信息可视化，实现水质监测实时预警，建设校园开放水体可视化水质监测平台。

2 系统整体设计

以地理信息技术、计算机技术、物联网技术为基础，建立校园水质信息数据库及水体水质信息监测系统，实现多种水质参数的自动采集及GIS“一张图”实时水质信息可视化，并在水质参数超标时做出预警，提高校园水质监测管理工作效率。校园开放水体监测系统设置基础地图模块、设备管理模块、水质监测模块、水质分析模块、权限管理模块。

图1 系统总体设计图

2.1 基础数据采集制作及数据库设计

2.1.1 数据采集及制作

使用无人机采集校园高分辨率遥感影像，以校园设计线划图、高分辨率遥感影像为基础，制作校园高精度矢量地图。

物联网系统主要由传感器、模数转换器(ADC)、微控制器、SD存储器和通信系统组成。水质传感器运用5G通信模块与数据中心通信，将数据解码后入库，当网络环境波动时，数据将存储在SD存储器中，待通信恢复后实现断点上传。监控视频则采用视频厂商产品，通过4G或5G通信，以流媒体形式与数据中心交互、存储，并提供接口来展示系统调用集成。物联网技术在设备连接、大数据量承载方面具有独特的优势[4]。辅以数据交换以及远程操作等手段，可进一步提高人与物、物与物的交互效率，实现智能化识别、定位、跟踪、监测校园开放水体水质状况。

2.1.2 数据库设计

校园开放水体可视化水质监测GIS系统数据库主要目标是实现系统主要功能，既能够储存管理水质监测、传感器、用户等数据的基础属性指标，又能储存其空间数据。数据库模型设计由概念模型设计和逻辑模型设计组成。

2.1.2.1 概念模型设计

数据经综合、归纳和抽象处理，按照一定的功能需求建立一个脱离硬件环境的数据库概念模型。E-R图是描述概念模式的有力工具，它采用三个基本概念：实体集、联系集和属性[5]。根据定义实体、定义联系、定义属性的顺序设计E-R图作为数据库概念模型，如图2所示。

图2 总E-R图

2.1.2.2 逻辑模型设计

基础地理信息数据库包括矢量数据和遥感影像，两者分别通过表设计、文件形式存入数据库，在地图样式配置完毕后使用地图服务形式发布，提供给基础地图模块使用；水质监测数据库建立CODcr(化学需氧量)、NH3-N(氨氮)、T-N(总氮)、T-P(总磷)、pH值(酸碱度)、Turb(浊度)、DO(溶解氧)等数据表，用于储存标准范围和实时数据。设备信息数据库包括传感器ID、传感器运行状态、传感器的位置信息(经度、纬度)等数据表；用户信息数据库包括储存用户名、密码、联系方式、在线状态等数据表。

图3 逻辑模型设计图

2.2 基础地图模块

通过实现校园高精度矢量地图和遥感影像等基础地理信息承载，将校园开放水体精确展示在平台上。系统实现多个基础地图接口，可进行缩放、平移、图层控制、距离面积量算、空间点位标注等操作；设计地图鹰眼，当地图缩放达到一定等级的时候，实现地图的大面积漫游[6]；设立气象小窗，通过网络获取实时天气情况。地图是图像式的再现，这种再现使人们对事物、概念、状况、过程形成了一种空间上的理解基础[7]。地图模块是可视化的基础，也是用户最直观的体验。

2.3 设备管理模块

为了便于查看设备情况、调整设备部署，设立了设备管理模块。设备管理模块用于查看监测设备、监控摄像头的运行状态，包括在线状态和连续在线时间等；可添加、修改和删除设备、更改设备IP和端口、设置设备地图交互点位置等；可查看监测点实时的监控视频，获取摄像头视频URL等。设备管理模块为监测数据的稳定性和视频数据的真实性提供保障。

2.4 水质监测模块

水质监测模块是本系统的数据来源，将监测点布设在地图上，点击即可查看相应的水质监测点的水质信息、视频监控信息等。通过水质监测模块可查看实时数据和监控画面，并且能够查看并下载历史数据和回看监控影像。根据我国《地表水环境质量标准》可知，人工湖属于三类及以下水体，水质监测模块将根据实时数据得出监测点的水质级别。在地图上三类及四类水体展示为浅蓝色，水质数据出现异常时，相应点位将在地图中变为红色并第一时间发出警报，将情况通报给管理人员，将实时监控画面置顶。水质监测模块能够对水质异常的位置进行精准的确认，进一步缩小水污染的范围，使问题能够得到针对性的处理[8]。

2.5 水质分析模块

水质分析模块是本系统的核心，通过预设算法可实现统计图绘制、空间插值分析、热力图分析等功能。系统对水质监测历史数据进行处理分析，去除其中的异常值，得出日平均数据，进而得出月平均数据并绘制统计图，能够反映开放水体长期水质变化情况。为获得监测区整体相关水质数据，系统通过对监测点数据进行空间插值，形成测量值表面。空间插值运用克里金法，克里金插值是空间统计学插值的主要方法[9]，也是目前应用最广泛的一种空间插值方法。对于估值结果而言，该方法具有一定的低通滤波作用，但其也是最有效的一种小邻域均值估算方法，具体为：

式中Z(Si)为第i个位置处的测量值，λi为第i个位置处的测量值的未知权重，S0为预测位置，N为测量值数[10]。污染发生后，系统将进行热力图分析，将受污染的区域按照受影响的程度进行划分，便于工作人员进行处理，将负面影响降到最小。

2.6 权限管理模块

为保证校园开放水体可视化水质监测GIS系统的稳定和水质数据的安全，本系统对用户权限进行分级处理，分为高、中、低三种权限，各级用户的基础信息表、权限表和关联表组成用户管理表(如图4所示)。高级权限可使用空间分析、调用下载历史数据、设备管理、权限管理等功能；中级权限可使用调用下载历史数据、设备管理等功能；低级权限仅可查看实时数据。

图4 用户权限模型图

结语

校园开放水体可视化水质监测GIS系统将物联网与GIS技术相结合，实现对开放水体水质进行实时监测，使水质监测的准确性、时效性得到显著提高。使用本系统对校园开放水体进行水质监测可及时发现水质污染问题，便于第一时间采取措施解决问题，减少水污染带来的负面影响，能够解决校园水质自动监测预警的痛点问题，具有重要的科研与社会意义，且在提升校园环境的美观度，保障全校师生的身体健康等方面有着至关重要的作用。本系统将水质监测数据可视化在一张图上，可覆盖整个校园水质环境，运行稳定、功能可靠、误报率低，水质监测精度达到行业领先水平。将该项目推广应用具有很强的社会效益和经济效益。