童為民，李建峰，鄧會(huì)凱

（1. 貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550002）

水是生命的源泉，更是人類賴以生存和發(fā)展不可或缺的物質(zhì)資源[1]。近年來，工業(yè)化的飛速發(fā)展，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了災(zāi)難性的損害，導(dǎo)致資源短缺、環(huán)境污染、生態(tài)破壞等全球性的重大危機(jī)[2]。面臨嚴(yán)重的水危機(jī)已是不爭的事實(shí)，全球化解水資源危機(jī)已刻不容緩[3-5]。因此，如何加強(qiáng)飲用水水源地的管控力度已引起相關(guān)部門的重視。為保障人民身體健康和經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展，保證飲用水水源保護(hù)區(qū)的環(huán)境質(zhì)量，我國于1989年7月頒布了《飲用水水源保護(hù)區(qū)污染防治管理規(guī)定》，將飲用水水源保護(hù)區(qū)分為一級(jí)和二級(jí)保護(hù)區(qū)，必要時(shí)還可在飲用水水源保護(hù)區(qū)外圍劃定一定的區(qū)域作為準(zhǔn)保護(hù)區(qū)。各地區(qū)根據(jù)實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r，制定了相應(yīng)的法律法規(guī)和規(guī)章制度，成立了相關(guān)水源地保護(hù)機(jī)構(gòu)，預(yù)防飲用水水源保護(hù)區(qū)污染。同時(shí)，各相關(guān)機(jī)構(gòu)、單位等也研究并構(gòu)建了水質(zhì)預(yù)警指標(biāo)體系，從而增強(qiáng)水資源的保護(hù)力度[6-9]。然而，在實(shí)際工作中，各部門存在意見不統(tǒng)一、互相推諉、監(jiān)管不到位等現(xiàn)象，導(dǎo)致水質(zhì)預(yù)警指標(biāo)體系多樣復(fù)雜，給飲用水水源地的監(jiān)管造成了諸多問題。本文針對(duì)集中式飲用水水源地的監(jiān)管現(xiàn)狀，結(jié)合移動(dòng)GIS 關(guān)鍵技術(shù)，利用信息化手段加強(qiáng)水源地的常態(tài)化監(jiān)管。

1 飲用水水源地監(jiān)管現(xiàn)狀

從長期監(jiān)管的角度出發(fā)，飲用水水源地監(jiān)管的主要技術(shù)手段包括不定期獲取高分辨率影像、水質(zhì)檢測設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測、巡查人員定期巡查等。詳細(xì)監(jiān)管方案與特點(diǎn)如表1所示[10-14]。

表1 飲用水水源地監(jiān)管方案與特點(diǎn)

盡管當(dāng)前的飲用水水源地監(jiān)管技術(shù)手段豐富多樣，但仍存在一些問題：①影像解譯結(jié)果查看不方便；②水質(zhì)檢測設(shè)備預(yù)警信息使用簡單；③現(xiàn)場巡查人員難以監(jiān)管；④突發(fā)事件處理不及時(shí)，且難以追蹤溯源等。為了進(jìn)一步通過信息化手段加強(qiáng)集中式飲用水水源地的常態(tài)化監(jiān)管，本文基于移動(dòng)終端、無線通信、地圖服務(wù)、空間定位、空間數(shù)據(jù)庫等移動(dòng)GIS 關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遙感影像、無人機(jī)影像、水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備、巡查人員的綜合化管理，支持及時(shí)展示高分辨率影像解譯結(jié)果、實(shí)時(shí)掌握水質(zhì)趨勢情況、精準(zhǔn)掌握巡查人員的工作狀況以及動(dòng)態(tài)跟蹤事件處理流程。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 移動(dòng)GIS技術(shù)

隨著移動(dòng)終端、移動(dòng)通信、GIS 等技術(shù)的高速發(fā)展，移動(dòng)GIS 已成為熱門研究領(lǐng)域，應(yīng)用于國土、環(huán)保、筑建、農(nóng)業(yè)等行業(yè)[15]。移動(dòng)GIS將移動(dòng)通信、GIS與空間定位等技術(shù)完美融合，實(shí)現(xiàn)了基于移動(dòng)終端的地理信息采集、傳輸、處理與分析。人們?nèi)粘Ｊ褂玫囊苿?dòng)終端集成了諸多空間定位設(shè)備，能精確測定三維坐標(biāo)、移動(dòng)速度、時(shí)間等空間信息，且抗干擾性好、隱蔽性強(qiáng)、能適應(yīng)野外復(fù)雜的地理環(huán)境，具有實(shí)時(shí)性、全球性、連續(xù)性等監(jiān)測特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種大型工程項(xiàng)目中，為水源保護(hù)區(qū)巡查提供了強(qiáng)有力的空間數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。同時(shí)，其強(qiáng)大的二次開發(fā)功能，還為飲用水水源地常態(tài)化監(jiān)管系統(tǒng)提供了良好的基礎(chǔ)平臺(tái)。

2.2 地圖服務(wù)技術(shù)

地圖服務(wù)技術(shù)是為實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)共享而提供的數(shù)據(jù)發(fā)布或空間分析接口，主要包括地圖引擎、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)庫、權(quán)限控制等功能。目前，國外的Google Map、MapBox 等以及國內(nèi)的百度地圖、騰訊地圖、高德地圖和天地圖等已廣泛服務(wù)于各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，國內(nèi)外企業(yè)或單位提供了ArcGIS Server、GeoServer、超圖等諸多地圖服務(wù)發(fā)布功能，能為飲用水水源保護(hù)區(qū)解譯后的影像發(fā)布提供地圖服務(wù)平臺(tái)。

2.3 空間數(shù)據(jù)管理

飲用水水源保護(hù)區(qū)常態(tài)化監(jiān)管產(chǎn)生的數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、類型繁雜的特點(diǎn)，一般的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫難以滿足系統(tǒng)需求。相對(duì)于傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，空間數(shù)據(jù)庫能有效支持具有一定空間要素特征的復(fù)雜對(duì)象存儲(chǔ)，具有數(shù)據(jù)量龐大、可訪問性高、數(shù)據(jù)模型復(fù)雜、屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)聯(lián)合管理等特點(diǎn)。通過空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)相結(jié)合，可高效準(zhǔn)確地對(duì)污染源數(shù)據(jù)進(jìn)行定位、篩選、空間統(tǒng)計(jì)和空間分析，從而提升水源保護(hù)區(qū)常態(tài)化監(jiān)管工作的效率和準(zhǔn)確性。

3 系統(tǒng)組成

基于Android、ArcGIS、SQL Server 空間數(shù)據(jù)庫等平臺(tái)，本文研發(fā)了飲用水水源保護(hù)區(qū)常態(tài)化監(jiān)管系統(tǒng)。該系統(tǒng)由移動(dòng)端App、Web 端和服務(wù)器端3 個(gè)部分組成，如圖1 所示，其中移動(dòng)端App 包括影像數(shù)據(jù)管理、水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警、水源保護(hù)區(qū)巡查、事件上報(bào)與處理、工作統(tǒng)計(jì)等模塊；Web 端包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、業(yè)務(wù)管理、預(yù)警分析、監(jiān)管App、水質(zhì)監(jiān)測等功能；服務(wù)器端由代理服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、GIS服務(wù)器以及文件服務(wù)器組成。

圖1 系統(tǒng)組成架構(gòu)

4 在飲用水水源地中的應(yīng)用

系統(tǒng)已成功應(yīng)用于貴州省黔中水利樞紐一期工程集中式飲用水水源保護(hù)區(qū)中，保護(hù)區(qū)位于長江和珠江兩大流域分水嶺地帶，是貴州省首個(gè)大型跨地區(qū)跨流域長距離水利調(diào)水工程，用以解決黔中地區(qū)十多個(gè)縣（市）的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、城市等用水，覆蓋面積達(dá)4 711 km2。保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)包括水質(zhì)監(jiān)測站點(diǎn)30 多個(gè)、巡查人員100多人以及突發(fā)事件處理責(zé)任人30多人。

4.1 水源保護(hù)區(qū)巡查

水源保護(hù)區(qū)的定期巡查，是及時(shí)發(fā)現(xiàn)、制止、處理和報(bào)告保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生的各種破壞水環(huán)境違法行為的重要手段；但一些管理人員難免存在流于形式、不負(fù)責(zé)、不作為等行為問題。為解決上述問題，需要明確每個(gè)巡查人員在水源保護(hù)區(qū)的巡查范圍，管理人員在巡查時(shí)需要啟動(dòng)開始巡查功能，實(shí)時(shí)采集巡查人員的軌跡數(shù)據(jù)。巡查地圖上標(biāo)記了界樁、界牌、保護(hù)區(qū)范圍線等信息，并支持導(dǎo)航功能，確保巡查人員能夠準(zhǔn)確快速地在保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)履行職責(zé)。在工作統(tǒng)計(jì)中，能實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)每位巡查人員的巡查次數(shù)、巡查距離和巡查時(shí)間，一鍵生成考核表，支持管理員隨時(shí)掌握巡查人員的實(shí)際情況，有效解決了現(xiàn)場巡查人員難以管理的問題，如圖2所示。

圖2 保護(hù)區(qū)巡查

4.2 水質(zhì)檢測預(yù)警

采用水質(zhì)檢測設(shè)備是直接反映水質(zhì)健康狀況的必要手段。通過水源保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)安裝的水質(zhì)檢測設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取設(shè)備檢測到的氨氮、總磷、PH 值、電導(dǎo)率、溶解率等各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果（圖3），將水質(zhì)檢測超標(biāo)、設(shè)備采集異常等信息迅速推送至移動(dòng)終端；管理人員在接收異常值預(yù)警后，結(jié)合不同時(shí)間段的水質(zhì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、各項(xiàng)監(jiān)測值指標(biāo)趨勢信息、監(jiān)測站點(diǎn)位置、采集時(shí)間等信息，進(jìn)行管理決策。

圖3 水質(zhì)檢測預(yù)警

4.3 影像數(shù)據(jù)管理

經(jīng)過自動(dòng)解譯與人工解譯相結(jié)合的方式，對(duì)采集的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)或無人機(jī)航飛影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，并通過ArcGIS地圖服務(wù)接口，以地圖服務(wù)的形式發(fā)布解譯結(jié)果，支持移動(dòng)終端隨時(shí)查詢解譯結(jié)果。系統(tǒng)可疊加顯示多期相同飲用水水源地解譯影像，分別設(shè)置不同期的影像透明度，如圖4 所示，直觀顯示水源地不同時(shí)期的實(shí)地變化情況；再結(jié)合影像解譯報(bào)告，可從大范圍上對(duì)水源保護(hù)區(qū)進(jìn)行監(jiān)管。

圖4 航飛遙感影像管理

4.4 突發(fā)事件上報(bào)與處理

在巡查過程中，需要及時(shí)報(bào)告突發(fā)事件，可通過飲用水水源地常態(tài)化監(jiān)管系統(tǒng)的事件上報(bào)功能，選擇處理人、事件類型、發(fā)生時(shí)間、發(fā)生庫區(qū)、發(fā)生地址、文字描述、語音描述、拍攝照片、拍攝視頻等快速上報(bào)事件。相關(guān)處理人將會(huì)收到待辦事件，且必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)及時(shí)提交處理結(jié)果，否則相關(guān)部門將進(jìn)行追責(zé)。結(jié)合系統(tǒng)的工作統(tǒng)計(jì)功能，可對(duì)巡查人員的上報(bào)次數(shù)、處理次數(shù)、事件處理率、上報(bào)類型等進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，不僅記錄了事件處理的整個(gè)流程，而且對(duì)處理事件的人員進(jìn)行了監(jiān)督管理，確保突發(fā)事件能被快速、準(zhǔn)確、有跡可循的高效處理。

5 結(jié) 語

為加強(qiáng)飲用水水源保護(hù)區(qū)的常態(tài)化監(jiān)管，進(jìn)一步防止水環(huán)境污染、破壞等行為，本文提出了一種基于移動(dòng)GIS 技術(shù)的飲用水水源保護(hù)區(qū)常態(tài)化監(jiān)管方案，實(shí)現(xiàn)了影像數(shù)據(jù)、解譯報(bào)告、水質(zhì)檢測信息、巡查人員以及突發(fā)事件處理的綜合化管理，有效解決了影像解譯結(jié)果查看不直觀、水質(zhì)檢測信息應(yīng)用簡單、現(xiàn)場巡查人員難以監(jiān)管、突發(fā)事件處理不及時(shí)、事件無法追蹤溯源等水源保護(hù)監(jiān)管問題，為飲用水水源保護(hù)區(qū)常態(tài)化監(jiān)管提供了一種更加全面、精細(xì)、實(shí)時(shí)、科學(xué)的決策參考。保護(hù)區(qū)監(jiān)管平臺(tái)產(chǎn)生了海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文尚未充分綜合運(yùn)用平臺(tái)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的挖掘分析、可視化分析等有待進(jìn)一步深入研究。