基于GIS的农村乡镇污染企业环境监测系统的设计*

孟 涛,刘文全

(中国海洋大学环境科学与工程学院,山东青岛266100)

近年来,随着国家对环境污染管理的重视,有关环境污染管理的研究也越来越多。不少研究人员在探索应用新技术建立农村乡镇污染企业监测管理系统。熊邦宏等[3]提出了1种基于GPRS网络和Zigbee无线传感器网络的远程环境监控系统,具有监测范围广、成本低、能耗小,高效可靠等特点,能够远程在线实时监测和控制。贾艳秋等[4]运用GIS的交叉定位、逻辑查询、空间分析及空间数据库匹配等技术,建立基于GIS的农村乡镇污染企业监测管理系统,实现对农村水质、大气环境的动态监测。史岚等[5]利用GIS和无线传感器网络建立了实时监测城市汽车尾气的监测系统。张子凡等[6]将环境污染事故应急监测数据库与GIS结合,采用支持面向对象技术的程序语言,开发了南京环境污染事故应急监测地理信息系统。基于此,在对大量基础资料进行整理的基础上,笔者开发了基于GIS组件技术、GPRS/CDMA宽带通讯技术、数据库技术和Visual Studio.Net开发平台为基础的农村乡镇污染企业监测管理系统。充分利用GIS的可视化、SQL Server强大的数据管理功能,以及GPRS/CDM A宽带通讯技术建立了1个能够实时、快速、准确地对农村环境污染源进行在线监测的综合信息服务管线系统,极大的提高了农村环境管理的效率和水平。

1 系统目标和开发平台

1.1 系统目标

目前农村环境污染缺乏有效的监管有段,对可能发生的污染事件缺乏相应的处理措施。事故的发生必将造成农村环境质量下降,并且直接影响着居民的正常生活。针对这些问题,本系统充分利用GIS技术、数据库技术以及GPRS/CDMA宽带通讯技术等,建立了由主要水域水质自动监测系统、农村空气质量监测系统、乡村噪音监测系统、和监测中心等组成的农村乡镇污染企业监测管理系统,极大的提高了环保部门处理农村环境污染问题的能力。

1.2 开发平台

系统采用面向对象(OPP)的设计思想及原型化开发方法,充分考虑系统的完整性、灵活性、可扩展性和安全性[7],A rcGIS Engine是一组跨平台的嵌入式A rcObjects,它是A rcGIS软件产品的底层组件,是用来创建定制的GIS桌面应用程序的开发产品。它拥有强大和完善的GIS服务架构,支持高度的可伸缩性二次开发[8]。A rcGIS Engine开发的最大好处是可以完全脱离A rcGIS环境运行系统,从而降低用户成本,方便了用户的使用[9]。目前,中国联通和中国移动网络覆盖广,各基站设备设施先进,对自然环境的抗风险能力较强,因此,以CDMA、GSM/GPRS网络为基础形成的数据服务,不受地理环境和天气条件的限制。利用CDM A/GPRS无线通信传输系统和中国移动或中国联通的传输网络采用数字扩频通信技术,具有速度快、传输效率高;易开发、可扩充、永远在线;并可提供TCP/IP连接,便于数据传输应用,从而在环境在线监测中有着广泛而大量的使用[10]。

本文采用Net平台的C#语言是微软公司推出的一种新型编程语言,作为.NET平台的第一语言,它几乎集中了所有关于软件开发和软件工程研究的最新成果,且与A rcGIS Engine有很好的兼容性[11-12]。M icrosoft SQL Server是1个全面的、集成的、端到端的数据解决方案,它为用户提供了1个安全、可靠和高效的平台用于数据管理和商业智能应用。基于此本系统选择C#语言和SQL Server 2005作为系统开发主要编程语言和数据库平台。

1.3 A rcGIS Engine与通讯网络结合

监测数据的实时采集传送 数据的实时采集传送由数据采集任务、数据处理任务、网络任务、操作系统任务和文件系统共同完成。通常情况下数据采集任务处于睡眠延时等待状态,延时时间到数据采集任务被激活,进行一次数据采集并将数据保存在自己的堆栈中,完毕后重新进入睡眠等待状态。本设计中延时1次为10 s,即10 s采集1次。可以通过改变采集任务的延时时间来改变整个系统的采样频率。

1次数据采集完毕后,对堆栈中的数据有2种处理方式,1种是立即传送方式,另1种是正常处理方式。立即传送方式主要监测污染事故对水质、大气的影响。当出现严重污染事故时,需要及时快速的了解水质状况,监测中心通过网络向嵌入式采集终端发送1个立即传送命令,操作系统任务对命令进行处理判断后发消息激活数据处理任务,数据处理任务将采集任务堆栈中的数据读到自己的堆栈中,读完后清空采集任务堆栈并进入睡眠状态。接着操作系统任务发消息激活网络任务,网络任务将数据处理任务堆栈中的数据读到网卡缓冲区,读完后清空数据处理任务堆栈,TCP/IP开始发送数据。这种方式采集1次数据就传送1次,实时性好,但是占用太多的系统资源和网络资源。

正常处理方式即按设计好的方式进行数据传送。1次采样完毕后,如果采样任务堆栈未满则继续下次采样,直到堆栈满。满后调用文件系统,将堆栈中的数据以文件形式存储在Flash中。且网络任务每隔2 h被击激活,将Flash中的数据读到网卡缓冲区,接着发送数据。这种方式避免了因过多的数据读写以及数据传送而占用系统资源。

监测数据的动态显示 监测数据的动态显示就是通过A rcGIS Engine与通讯网络结合,对监测数据进行分析和处理后,在GIS可视化界面上动态显示。监测中心接收到监测数据后,GIS按一定的规则对数据进行验证,符合规则的有效数据存储到数据库中。可视化界面通过数据库API接口将存储的数据读出,进行汇总等处理;然后调用数据模型进行分析和模拟,并将分析模拟的结果以不同颜色动态显示在GIS可视化界面上。

沥青面层摊铺前必须对下承层清扫或冲洗，表面要保证干净、清洁。然后均匀喷洒粘层油，粘层油喷洒量一定要准确，否则会对面层的油石比造成影响。

2 系统体系结构和系统功能设计

2.1 系统体系结构

由于农村乡镇污染企业在线监测是1项较复杂的工程,涉及的污染源较多。因此该系统的设计要本着使用起来尽量简单易用、成本尽可能低廉、维护尽可能方便等特点,同时还要保障监测过程的真实、有效、稳定、可控。因此本文选择了远程无线数据采集方案,对主要污染源进行布点监控。监测中心可以分级设在环保部门的中心机房内,主服务器采用Window s Server2003操作系统,数据库采用SQL Server 2005。各个监测中心与各个监控点采用GPRS/CDMA通讯系统建立通讯,各个监测中心采用专用光纤同电信的Internet连接,并具有公网IP。在具有Internet连接的各个监控中心,可以用的GPRS/CDMA无线通讯系统进行点对点、一点对多点的通讯,以备在Internet网络不畅的情况下做应急通讯备份。所有来自遥测站的数据包经过网络(CDMA/GPRS和Internet)首先进入具有固定的IP地址的硬件防火墙,硬件防火墙通过端口映射功能将数据包转发到主服务器上,再由数据中心程序(软件)将数据读出并进行分析,最后写入数据库。图1为农村乡镇污染企业监测系统框架。

图1 农村乡镇污染企业监测系统框架图ig.1 Frame of countryside environmental monitoring system

2.2 系统功能设计

结合农村乡镇企业环境污染的现状,详细分析了污染源的类别,在此基础上进行了监测系统功能模块的设计。农村环境监测系统设计分为7个模块来实现,具体分为:地理信息、监控源管理、综合查询、分析统计、数据保护、实时数据和系统管理。系统中使用了PLC设备和智能模块的采集设备。在力控中支持大量的PLC等采集设备的驱动,能与化学需氧量COD在线自动监测仪、总有机碳TOC水质自动分析仪、紫外(UV)吸收水质自动在线监测仪、氨氮水质自动分析仪、总磷水质自动分析仪、p H水质自动分析仪、超声波明渠污水流量计、电磁流量计等多种监测仪器和分析仪器进行通信,采集和转发通信方式完全实现了《污染源在线自动监控(监测)系统数据传输标准》。其系统功能结构如图2所示。

图2 系统功能模块结构Fig.2 Structure of system module

农村乡镇污染企业监控系统各模块实现的功能:

(1)地理信息模块:包括相关地区的地图资料以及M xd格式、Shape格式和CAD格式等图层文件资料,图层文件可以通过JPEG格式进行保存以及打印输出。

(2)监控源管理模块:在线监测和远程控制可以在线查看、查询、获取各种监测设备和开关的最新数据、状况,实现TOC,COD,PH,流量计等仪表的定时监测和数据采集。中心控制室可以实时显示水污染点源的污水瞬时流量、累积流量,COD或氨氮的浓度和排放总量等数据,能够对监测现场设备进行远程启动、设定工作时间、调整工作周期、数据2次查询等远程操作。同时,中心控制室可以实时显示大气污染点源的烟气流量和排放总量,烟气、烟尘、CO,SO2,NOx的浓度和排放总量等数据。最后将所有分析结果和设备运行日志记录于环保局中心数据中。报警限值设有4种包括断线报警(包括设备故障报警)、超标报警、开关设备报警和异常情况报警。可以灵活设定报警条件,并和人员的手机、短信绑定,在满足报警条件时,自动发送报警信息。

(3)综合查询模块:实现对历史监测数据的查询和打印,数据查询可以包括时间范围、监测点、监测因子和报警类型等限制条件。报警记录查询主要是对各监测点和监测因子达到报警限值的历史资料查询。操作日志查询是对某一段时间内对各种监测设备等进行操作的历史记录。

(4)分析统计模块:实现查询结果的分类、分项排序、统计最大值、最小值、平均值、汇总值等分析处理功能。能对各类监测数据进行统计,包括COD、氨氮浓度分析;COD、氨氮排放总量统计;烟气流量统计;烟气、烟尘、CO,SO2,NOx浓度分析;烟气、烟尘、CO,SO2,NOx排放总量统计等。实现对各种统计分析结构图进行打印。

(5)实时数据模块:主要实现了对各种监测因子的监测数据进行在线显示。同时可以实现对现场进行视频监控,实现现场影像的高清晰同步实时传输,在监控中心电视墙等终端上显示,并通过监控中心网络来实现图像的传输、显示、存储、回放等功能。

(6)数据备份模块:主要是把相关监测数据导入SQL Server 2005数据库进行保存,同时对非法操作而造成丢失的数据进行恢复。

(7)系统管理模块:主要是系统管理员对系统参数的管理,包括权限管理、常量管理、设备管理、在线列表和监控源类型设置等。对空间数据和非空间数据的添加、删除和更新,数据库的备份操作等。

3 系统的实现

本系统结合农村乡镇污染企业监测的实际需求,通过对系统目标的确立,系统结构和系统功能模块的设计,采用目前先进的NET开发平台、A rcGIS Engine技术、数据库技术和GPRS/CDMA宽带通讯技术建立了系统的总体框架。使用流行的编程语言C#通过加载A rcGIS Engine组件库中的控件以及自定义功能按钮等,简化程序的代码编写,提高开发效率,系统运行主界面如图3所示。

图3 系统运行主界面(济宁地区)Fig.3 Main interface of system operation

4 结论

从全国的农村乡镇污染企业监测数据来看,我国的农村乡镇污染企业污染恶化的趋势已得到基本控制,农村环境质量有所改善,但是污染仍处于相当高的水平。因此迫切需要大量的现代化的环境监测仪器,特别需要优质的自动监测系统和污染源在线连续监测系统。基于此本文对农村乡镇污染企业在线监测系统进行了深入研究,开发完成农村乡镇污染企业监测系统。

(1)系统实现了对农村乡镇污染企业监测区域的地图矢量化,利用GIS与数据库的接口功能,在电子地图上直观地生成可视化的计算结果图表。建立了空间数据库和非空间数据库,并能根据需要进行数据查询、显示和定位,实现了图形与数据的结合,揭示出数据之间的关联和隐藏在数据背后的信息。

(2)系统实现了对基础资料的上传入库和显示,与农村乡镇污染企业影响因子相关的文档及环境事件的总结都可即时的上传到数据库,并显示在查询界面,使用方便快捷,具有灵活性。

(3)实时监视重点污染源瞬时流量、累积流量、污染物浓度、污染物排放总量等数据,实时控制现场设备的运行状态;整合GPRS/CDM A宽带通讯技术,传输大气和水质等相关监测数据到环保局中心控制室。

(4)实现各类监测数据的接收、显示、统计、自动综合分析、存储、应用、发布等。系统同时实现了对地图的平移、缩放、漫游等基本操作。实现对系统参数的管理,包括权限管理、常量管理、设备管理、在线列表和监控源类型设置等,对空间数据和非空间数据的添加、删除和更新,数据库的备份操作等,体现了系统的完整性和可扩展性。

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