彭 程,吳華瑞+,繆祎晟
(1.北京農(nóng)業(yè)信息技術研究中心,北京100097;2.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術研究中心,北京100097;
3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術重點實驗室,北京100097)
目前水質(zhì)監(jiān)測[1]包括實驗室監(jiān)測和自動監(jiān)測站監(jiān)測。實驗室監(jiān)測分析精度高,但監(jiān)測周期長,人工勞動強度大,數(shù)據(jù)獲取效率低,難以保證所測數(shù)據(jù)的時效性;自動監(jiān)測站主要由設立在河流、湖泊等流域的水質(zhì)監(jiān)測設備采集現(xiàn)場數(shù)據(jù),由于監(jiān)測站位置固定,監(jiān)測范圍較小,無法實現(xiàn)對流域整體的連續(xù)動態(tài)規(guī)?;谋O(jiān)測,難以全面掌握水資源狀況[2,3]。村鎮(zhèn)地區(qū)河道流域的排污特點是小規(guī)模、隨意性、突發(fā)性,人工或站點監(jiān)測難以準確確定排污的時間、總量和對水體的影響等,監(jiān)測與管理難度大,不能適應新形勢下水環(huán)境管理的工作需要。
本文針對村鎮(zhèn)河道水環(huán)境自動化系統(tǒng)化規(guī)?;谋O(jiān)測需求,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和WebGIS技術,研究設計了全流域自動化的村鎮(zhèn)河道水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),詳細介紹了系統(tǒng)的總體架構(gòu)、水質(zhì)監(jiān)測設備的結(jié)構(gòu)框架、水質(zhì)在線監(jiān)測平臺的功能設計、水質(zhì)監(jiān)測信息的空間可視化方法和異常狀態(tài)的時空關聯(lián)監(jiān)測方法。
物聯(lián)網(wǎng)是新一代的信息技術,融合了無線網(wǎng)絡、電子射頻、人工智能、云計算、嵌入式等技術,目前已廣泛應用在醫(yī)學、工業(yè)、交通、環(huán)保等各種行業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)以感知為基礎,把各種信息傳感設備組成傳感網(wǎng)絡,將所獲取的各種信息經(jīng)由通信網(wǎng)絡的傳輸,送達集中化的信息處理與應用平臺。通過應用物聯(lián)網(wǎng)技術,可以滿足水質(zhì)監(jiān)測信息實時可靠的遠程數(shù)據(jù)傳輸、靈活多樣的網(wǎng)絡接入和隨時隨地地移動應用的需求,從而為水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測提供智能化的解決方案[4,5]。
WebGIS是基于Internet技術標準和通信協(xié)議的網(wǎng)絡化地理信息系統(tǒng),它以Web頁面作為界面,向Internet用戶提供各種GIS服務。其特點包括:①廣泛訪問:采用TCP/IP協(xié)議,利用通用的瀏覽器提供地理信息服務,實現(xiàn)不同國家和地區(qū)的空間信息共享;②降低成本:客戶端無需安裝軟件,大大降低了用戶的使用成本;③操作簡單,用戶可以不具備專業(yè)知識即可獲得地理信息服務,而不用關心空間數(shù)據(jù)庫的管理和維護[6]。WebGIS 在空間框架下實現(xiàn)了圖形、圖像數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的動態(tài)連接,特別是基于富客戶端的WebGIS,既有桌面應用程序的交互性,又具備傳統(tǒng)Web應用程序部署的靈活性,具有人機交互能力強,用戶體驗豐富的特點[7,8],為水質(zhì)監(jiān)測信息的網(wǎng)絡傳輸、地圖可視化、空間分析等提供了技術支撐。
村鎮(zhèn)河道水環(huán)境質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)運用物聯(lián)網(wǎng)的物物相連,通過部署在河道上的數(shù)據(jù)采集傳感設備采集水環(huán)境質(zhì)量信息,然后收集數(shù)據(jù)至在線監(jiān)測平臺進行存儲和分析,WebGIS提供結(jié)合空間位置的圖屬查詢、實時數(shù)據(jù)地圖可視化和專題制圖。系統(tǒng)主要由感知層、網(wǎng)絡層和應用層三大部分組成,系統(tǒng)整體框架如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)整體框架
感知層:在村鎮(zhèn)的河道進出口、固定排污點、重點監(jiān)控斷面以及部分河道彎度大,水流不暢等區(qū)域部署水質(zhì)自動監(jiān)測設備,完成水溫、pH、濁度、溶解氧、電導率等參數(shù)指標的自動采集,為河道流域的水質(zhì)狀況提供基礎數(shù)據(jù);網(wǎng)絡層:負責將采集到的信息迅速可靠地傳輸?shù)綉脤印?紤]到數(shù)據(jù)實時性、傳輸安全性的要求,水質(zhì)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方式優(yōu)先選用GPRS傳輸方式,具備投資小、安裝靈活、維護方便的優(yōu)點;應用層:在線監(jiān)測平臺負責系統(tǒng)的用戶應用,將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行存儲、處理、統(tǒng)計、分析、匯總及圖形顯示,為用戶提供統(tǒng)一的平臺應用入口[5]。LED 監(jiān)控屏主要以表格的形式顯示水環(huán)境的實時信息,用于戶外的信息發(fā)布和展示。Web頁面用于向管理人員和公眾發(fā)布監(jiān)測信息,實現(xiàn)水質(zhì)信息的查詢和共享。
針對村鎮(zhèn)河道排污規(guī)模小、突發(fā)性高的特點,結(jié)合水污染的流動性、擴散性,為滿足流域較大范圍的實時監(jiān)測要求,水質(zhì)自動監(jiān)測設備應具備低功耗、可靠穩(wěn)定、存儲容量大、運算速度快的特點。
水質(zhì)自動監(jiān)測設備以嵌入式MSP430 處理器為核心,利用其高效的內(nèi)核性能和豐富的外部接口構(gòu)造一個嵌入式平臺[9],集成水質(zhì)參數(shù)感知、網(wǎng)絡通訊、電源適配等多個單元模塊,設備硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。處理與控制單元包含CPU、存儲模塊、時鐘模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等,主要采集各傳感器經(jīng)變送單元輸出的電壓、電流信號,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換得出對應數(shù)字信號,按照各傳感器的感知特性進行轉(zhuǎn)換,得出各感知參數(shù)的測量值,完成數(shù)據(jù)的處理壓縮、指令解析以及各單元模塊的工作調(diào)度控制等。水質(zhì)參數(shù)感知與變送單元由各類水質(zhì)傳感器和超聲波清洗元件組成。水質(zhì)傳感器包括水溫探頭、pH 值探頭、溶解氧探頭、電導率探頭等,負責各種水環(huán)境參數(shù)信息的采集;超聲波清洗元件用于清潔傳感器探頭,避免因水體雜質(zhì)、水生藻類或微生物對探頭的覆蓋或污染造成參數(shù)測量不準;信號變送模塊將各類型傳感器的測量值轉(zhuǎn)化為電信號。網(wǎng)絡通訊單元兼容3G/GPRS/Wifi等多種傳輸方式。GPS 模塊用于監(jiān)測設備的定位。電源適配單元完成不同輸入電壓的轉(zhuǎn)換適配,為監(jiān)測設備各單元提供能量供給。
圖2 水質(zhì)自動監(jiān)測設備硬件結(jié)構(gòu)
水質(zhì)在線監(jiān)測平臺負責將設備實時采集到的水環(huán)境數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫,通過最終的應用系統(tǒng)向管理部門提供水質(zhì)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、異常報警、統(tǒng)計分析等功能,向公眾、企業(yè)等提供實時的水質(zhì)信息服務。平臺利用MyEclipse開發(fā),采用J2EE 中的SSH 框架搭建,數(shù)據(jù)庫采用MySQL,前端采用Flex、Ajax等富客戶端技術,WebGIS功能基于百度地圖API開發(fā)實現(xiàn)。
水質(zhì)在線監(jiān)測平臺包括4個子系統(tǒng):水質(zhì)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測分析子系統(tǒng)、監(jiān)測設備管理子系統(tǒng)和Web-GIS子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)的功能如下:
(1)水質(zhì)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng):負責接收所有水質(zhì)監(jiān)測設備上報的監(jiān)測數(shù)據(jù),進行存儲、檢查和處理,完成整個平臺水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、水環(huán)境基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測指標數(shù)據(jù)、用戶信息等的維護和管理。
(2)水質(zhì)監(jiān)測分析子系統(tǒng):提供實時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析、異常報警等功能。實時監(jiān)測將水質(zhì)監(jiān)測設備采集的各類水質(zhì)數(shù)據(jù) (pH、溫度、溶氧、電導率、濁度等)實時在網(wǎng)頁端和LED 屏實時展示,為用戶提供24 小時不間斷的水質(zhì)信息。統(tǒng)計分析提供所有監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)的瀏覽查詢,以統(tǒng)計圖表的方式提供各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)匯總分析、數(shù)據(jù)指標差異對比等。通過橫向和縱向的比較,橫向指不同監(jiān)測點同一時間段的匯總信息,縱向指同一監(jiān)測點在不同時期的比較,直觀地反映監(jiān)測點的水質(zhì)變化趨勢[10-12]。異常報警在當任意監(jiān)測設備出現(xiàn)參數(shù)超閾值情況時,通過網(wǎng)頁報警和短信報警的方式向管理人員發(fā)布報警提示,管理人員可以立刻判斷出是哪個或哪些監(jiān)測點出現(xiàn)了何種水質(zhì)異常,并據(jù)此迅速采取相應的應急方案。
(3)監(jiān)測設備管理子系統(tǒng):設置監(jiān)測設備的基本信息、監(jiān)測周期、報警閾值等參數(shù),在發(fā)生水質(zhì)異常時,對設備的空間位置和采集監(jiān)測時間進行總體計算與調(diào)度,控制完成各監(jiān)測設備的時空關聯(lián)采集感知。
(4)WebGIS子系統(tǒng):基于百度地圖API,采用電子地圖方式顯示各水質(zhì)自動監(jiān)測設備的地理位置和實時數(shù)據(jù),實現(xiàn)GIS的基本功能如放大、縮小、漫游等,實現(xiàn)空間位置與屬性數(shù)據(jù)的雙向查詢,提供水質(zhì)指標數(shù)據(jù)的專題制圖,并支持水質(zhì)異常狀態(tài)的報警提示。
百度地圖JavaScript API是一套基于JavaScript/Ajax等技術的公共地圖服務應用程序接口,開發(fā)者利用HTML和Javascript,可以構(gòu)建功能豐富、交互性強的地圖應用[13],使用者無需安裝任何軟件,地圖功能請求均由百度服務器運算后返回客戶端?;诎俣鹊貓DAPI的水質(zhì)監(jiān)測信息地圖可視化步驟如下:
(1)首先注冊獲取百度地圖API的密鑰,在<script>標簽中加入密鑰的使用代碼;
(2)初始化地圖要素,在百度地圖容器中創(chuàng)建一個地圖實例,并設置地圖中心點的坐標和地圖級別,代碼如下:
其中,longCenter,latCenter分別為中心點經(jīng)緯度坐標,17為地圖級別;
(3)加載地圖操作基本控件:包括平移縮放、比例尺、縮略地圖、滾輪、地圖類型等控件,完成地理信息系統(tǒng)的基本功能操作;
(4)加載水質(zhì)監(jiān)測信息:百度地圖將標注、矢量圖形元素、信息窗口等所有疊加或覆蓋到地圖的內(nèi)容,稱為地圖覆蓋物[14]。首先添加水質(zhì)監(jiān)測設備的標注圖層,應用覆蓋物類Icon定義標注的圖片大小、位置等相關屬性,然后用Marker類創(chuàng)建一個設備標注實例,語句如下:
設備的經(jīng)緯度坐標通過GPS定位模塊獲得。由于根據(jù)相關規(guī)定,百度地圖對地理位置進行了加密措施,所以其坐標值與實際的GPS坐標點存在偏移[13,14],需要通過坐標轉(zhuǎn)換接口進行轉(zhuǎn)換,將設備獲取的真實經(jīng)緯度轉(zhuǎn)成百度坐標。在此基礎上,從后臺數(shù)據(jù)庫查詢該設備采集到的水質(zhì)指標數(shù)據(jù),通過代碼動態(tài)輸出在InfoWindow 信息窗口。
(5)水質(zhì)指標專題制圖:專題地圖通過餅圖、柱狀圖等表達形式,形象直觀地反映地圖的主題要素,是一種有效的地圖可視化方式。根據(jù)所選的水質(zhì)指標,如濁度,查詢數(shù)據(jù)庫獲得各個監(jiān)測設備在某時間點的濁度數(shù)據(jù),進行等級劃分,根據(jù)指標數(shù)值設置成不同大小的餅圖或柱狀圖進行標注,最后疊加顯示在底圖上。
現(xiàn)有的水質(zhì)監(jiān)測設備大多為獨立管理,設備按各自時間間隔定時進行感知監(jiān)測,對于流動性、擴散性強的水污染不能有效的監(jiān)測污染峰值、擴散情況,本文提出一種異常狀態(tài)下監(jiān)測點時空關聯(lián)采集感知方法。
水質(zhì)自動監(jiān)測設備的工作狀態(tài)分為正常監(jiān)測模式和特殊監(jiān)測模式。在正常監(jiān)測模式下,設備按預設的周期間隔進行水質(zhì)參數(shù)的采集監(jiān)測與數(shù)據(jù)回傳上報。當某監(jiān)測設備監(jiān)測指標超出閾值時,設備轉(zhuǎn)入特殊監(jiān)測模式,監(jiān)測平臺通過密集采樣的數(shù)據(jù)判斷當前監(jiān)測點污染物的狀態(tài),用以決定其它鄰近監(jiān)測點的監(jiān)測策略以及報警級別。
首先設備管理子系統(tǒng)根據(jù)當前各設備的空間位置分布和河道流速情況,對污染物流向和擴散的時間、位置進行估算,控制各監(jiān)測設備在污染物預計到達各監(jiān)測點的時間前后進行密集采集監(jiān)測。按河道水流方向,污染物每到達一個監(jiān)測點,便由監(jiān)管設備管理子系統(tǒng)根據(jù)最新的數(shù)據(jù)重新估算下游設備的關聯(lián)采集時間。污染物已到達區(qū)域的自動監(jiān)測設備在監(jiān)測設備管理子系統(tǒng)的調(diào)度下維持在特殊監(jiān)測模式,根據(jù)最近三次監(jiān)測指標判定污染物濃度是否上升。如上升,則維持密集采集,如未上升,則逐步延長采集監(jiān)測時間間隔,直至設備恢復正常監(jiān)測模式。
正常情況下的水質(zhì)監(jiān)測時間頻度較低,對于村鎮(zhèn)河道小規(guī)模、零散性生活污水容易造成漏檢,該方法在出現(xiàn)污染源后,對污染物擴散情況進行計算估計,并進行針對性的密集采集監(jiān)測,使監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠完整體現(xiàn)水質(zhì)的變化情況。
異常狀態(tài)下監(jiān)測點時空關聯(lián)采集感知方法如圖3所示。
圖3 異常狀態(tài)下監(jiān)測點時空關聯(lián)采集感知方法
根據(jù)上述的設計思路,研發(fā)了村鎮(zhèn)河道水環(huán)境質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)在浙江奉化運行,使用效果良好。感知層水質(zhì)自動監(jiān)測設備實時自動采集河道的水質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù),克服了以往人工和監(jiān)測站采集的數(shù)據(jù)效率低、無法連續(xù)動態(tài)地采集的缺陷。水質(zhì)在線監(jiān)測平臺通過查詢統(tǒng)計、地圖可視化等手段,方便實時地反映村鎮(zhèn)河道整體的水環(huán)境狀況。WebGIS 功能基于百度地圖API開發(fā),克服了傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)搭建復雜、建設維護成本高、數(shù)據(jù)獲取困難的缺點,具備客戶端表現(xiàn)豐富、交互性好的優(yōu)點。在出現(xiàn)水質(zhì)異常時,平臺根據(jù)設備的分布位置和當前流速,對污染物到達各監(jiān)測點進行預估,通過指令遠程控制各監(jiān)測點,在預估時間前、中、后進行密集采集,最大程度上體現(xiàn)污染物的流動、擴散狀態(tài),還原水質(zhì)真實情況。圖4 (a)為LED 屏截圖,圖4 (b)為監(jiān)測指標數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析截圖,圖4 (c)為水質(zhì)監(jiān)測信息的WebGIS截圖。
圖4 村鎮(zhèn)河道水環(huán)境質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)界面
村鎮(zhèn)河道水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎,綜合運用現(xiàn)代傳感器技術、自動控制技術、無線網(wǎng)絡、計算機應用等多種手段,形成的全流域自動化網(wǎng)絡化智能化的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng),具備多點實時在線監(jiān)測、異常狀況自動報警、時空關聯(lián)監(jiān)測感知、空間可視化等特點,實現(xiàn)了對流域整體的連續(xù)動態(tài)規(guī)?;谋O(jiān)測。系統(tǒng)的建立擴大了水質(zhì)監(jiān)測區(qū)域,提高了水質(zhì)監(jiān)測的準確度、實效性和異常報警的及時性,有效實現(xiàn)了水環(huán)境信息的實時監(jiān)測和遠程共享,為管理部門的科學管理和宏觀決策提供技術支撐。
本文提出的異常狀態(tài)下監(jiān)測點時空關聯(lián)采集感知方法,針對村鎮(zhèn)地區(qū)河道流域的小規(guī)模、突發(fā)的排污特點,在水質(zhì)異常時,根據(jù)流速和監(jiān)測點位置進行污染物擴散估算,通過指令遠程控制各監(jiān)測點,進行針對性的密集采集,克服了傳統(tǒng)監(jiān)測方法水質(zhì)信息采集在連續(xù)性動態(tài)性方面的局限性,能夠最大程度地反應水質(zhì)真實情況。
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