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基于GIS的河流水质动态监测系统
摘要针对目前水质监测手段的缺陷，本文将嵌入式系统、TCP/IP、水质模型和GIS技术结合起来，提出一种基于GIS的河流水质动态监测系统，并详细描述了系统的实现及动态监测的过程。关键词GIS嵌入式系统TCP/IP水质模型动态监测1引言目前环保部门主要通过监测站点来采集数据，然后在监测中心通过水质模型对这些数据进行处理分析以达到对河流水质状况的监测。而这些站点分散度较大，所采集的河流水质数据比较片面，不能反映整个河流的水质状况；加上传送分析手段落后，监测的结果总是滞后于水质变化，不能及时反映河流水质的动态状况[1]。因此研制一种能够实时反映河流水质的系统非常必要。随着计算机技术、通信技术和GIS技术的发展，使得研制这种系统成为可能。本文就是基于这些技术，提出一种基于GIS的河流水质动态的监测系统，这个系统能够及时反映水质的状况。2系统的总体设计系统总体框图如图1。整个系统由监测中心和数据采集终端两部分组成。监测中心是整个系统的服务器，运行GIS系统；数据采集终端即嵌入式系统，进行河流水质数据的实地采集。由于河流水质监测覆盖的范围广，GIS系统与数据采集终端之间通过TCP/IP进行互联通讯。数据采集终端通过TCP/IP来实现数据远距离的可靠传输，监测中心GIS接收所有终端采集的河流水质数据，对水质数据进行存储、分析、管理、查询和显示以及管理所有采集终端。图1系统总体框图3GIS系统的实现GIS即地理信息系统，是集地理学、几何学、计算机学等科学于一体，利用图形技术和数据库技术，对空间信息及其属性信息进行采集、存储、分析管理和显示的系统。它主要的特点是管理空间对象，能够将各种空间位置、空间分布以及空间关系通过数字地图显示出来。本设计中，利用GIS对河流水质数据进行存储、分析、模拟和显示，实现对河流水质的监测。整个系统由数据库、GIS可视化界面以及水质模型组成。系统框图如图2。图2GIS系统框图GIS可视化界面直接管理空间对象，显示空间对象的空间位置、空间分布等空间属性，并通过关联空间属性来显示空间对象的非空间属性数据。这些空间属性和非空间属性分别以空间数据库和非空间数据库进行管理。空间数据库管理GIS的各种空间数据，包括地形图、各种专题地图，流域、嵌入式系统终端、污染源等对象的地理位置坐标、形状等。非空间属性数据库通过SQL数据库来实现，管理各种非空间属性数据，包括水质监测数据、统计数据、社会属性数据等。GIS可视化界面通过数据库提供的各种标准数据库接口，读取数据库中的空间数据和非空间数据，并通过空间数据与非空间数据之间的关联作用，在GIS界面进行共同分析和显示等处理。同时，通过与数据库的相互作用，GIS实现了查询、定位、分析、模拟和预警等功能。水质模型是污染物在水环境中的变化规律及影响因素之间相互关系的数学描述，是水质监测的重要手段之一。今年来各种多变量综合水质模型得到研究和应用，如美国国家环保局开发的QUAL模型系列，丹麦水动力研究所开发的MIKE模型系列。这些水质模型非常细致地描述了污染物在水体中的迁移和转化过程，但参数众多，结构复杂。设计中根据实际的需要对综合水质模型进行一定的简化，实现了零维、多维水质模型和水环境容量模型。实际上水质模型处理的对象是流域，是空间对象，因此设计中将水质模型完全集成在GIS中，成为GIS的一部分功能。GIS能够直接利用水质模型对水质数据进行分析模拟，而模拟的结果可以直接在GIS可视化界面上显示；这样弥补了水质模型在表达方面的不足和GIS在分析模拟方面的不足。4嵌入式系统的实现嵌入式系统是以应用为中心，软件硬件可裁减的计算机系统，具有集成度高、成本低、支持各种实时操作系统以及网络功能等优点[10]。本设计中采用嵌入式系统进行野外水质数据采集，并通过TCP/TP将采集数据传送到监测。根据实现功能的不同，系统划分为处理器模块、存储模块、数据采集模块、网络模块和其他外设接口。系统模块划分图如图3。每一模块由硬件和软件两部分组成，它们一起完成特定的功能。图3嵌入式系统框图处理器模块是整个系统的核心，由低价位、低功耗的32位核ARM7TDMI和实时操作系统μC/OS-II构成，主要负责外部硬件设备的管理、外部中断控制、任务的调度和各个功能模块之间的通讯和信息交换。所有其它模块的软件都在操作系统的基础上实现和运行，是具有不同的优先级的任务，任一时刻处于睡眠态、就绪态、运行态、等待态及中断态的状态之一。操作系统通过发送邮箱结构消息来控制各个模块状态。数据存储模块由存储器和文件系统构成，负责程序和采集数据的存放。存储器采用2MFlashRom+16MNandFlash+8MSdram，其中2MFlashRom用来存放系统的引导程序，16MNandFlash负责存贮程序以及数据，8MS