基于GIS智能环境监测分析系统的设计与实现

周演汇

（九江职业大学 信息工程学院，江西 九江 332000）

基于GIS智能环境监测分析系统的设计与实现

周演汇

（九江职业大学 信息工程学院，江西 九江 332000）

为解决环境监测在实时性、精准性、空间特征展示和智能响应等方面的不足，采用GIS技术、GPRS技术及智能传感器技术，设计一种能进行智能环境监测、空间可视化统计分析、属性数据操纵、异常数据智能预警响应的GIS终端应用平台。测试结果表明，系统各功能模块运行稳定，可初步满足应用需求。

GIS；智能环境监测分析系统；传感器；空间数据库；属性数据库

Abstract:In order to address the de fi ciency of environment monitoring in real-time response, precision, spatial characteristics display, intelligent response, etc., the paper designs a platform of the GIS terminal application which has the intelligent environment monitoring function, the spatial visualization statistical analysis function, the attribute data manipulation function and the abnormal data intelligence alert response function by using GIS technology, GPRS technology and smart sensor technology. The test result shows that the system functions steadily and can meet the application requirements.

Key words:GIS; Intelligent environment monitoring and analysis system; Sensor; Spatial database; Attribute database

0 引 言

随着我国工业化、城镇化的加速推进，国民经济稳步发展的同时，也产生了一系列不可回避的问题，其中环境污染问题尤为突出。环境监测与保护不仅关系到社会的可持续发展，而且关系到每个人的身心健康。现有的环境监测分析系统研究的侧重点主要集中于智能性、实时性、稳定性等方面，很少考虑系统的空间特性，具备空间特征分析能力的应用实例不多。因此，充分整合信息技术、通信技术、传感技术、GIS技术等，开发设计一种具备空间分析功能的、性价比高的智能型实时在线城区环境监测分析系统，显得非常必要。

GIS即地理信息系统，是一种特定的空间信息系统，融合多门学科，包括信息技术、通信技术、地理信息技术等[1]。在电脑软硬件资源的辅助下，GIS将系统工程及信息技术等进行综合统筹应用，数字化描述、组织、分析具备空间特征的地理数据，其应用领域非常广泛，深入到各行各业，从自然灾害的预防管理、交通事故的分析管理，到各类基础设施规划与管理、商业网点规划布局，再到各类导航图应用、各类自然资源的保护与管理等。本文以九江市区为研究对象，在智能环境监测分析系统中引入GIS技术，实现对环境监测的空间可视化分析功能，从而为有关管理决策部门提供空间数据服务及属性数据服务，也为将来构建智慧城市预留接口、提供基础。

1 系统总体框架设计

首先对系统进行必要的需求分析，在此基础上，结合应用实际着重分析并给出系统的业务流程，得出系统总体框架。

1.1 系统需求分析

系统设计目标是实现对城区特定区域内环境在线监测分析功能，具备安全、精准、实时、空间展示、智能响应等特点。按照软件开发的通用方法，主要从以下三个方面分析系统需求：

（1）功能需求。系统实际用户类别决定其应具备的功能。系统主要包括环保部门管理人员和生态环境爱好人士、环境监督员等两类用户。前者要求系统具备设计严密、科学高效、操作简便、数据准确、应用拓展性强、空间分析展示、实时响应等特点；后者要求系统具备安全可靠、数据真实、及时准确、智能高效、自动响应等特点。

（2）数据需求。将环境监测平台与GIS平台融合，实现数据互传共享，从而实现环境监测的实时空间可视化分析功能，所涉及到数据分为空间数据和属性数据两大类，如图1所示。空间数据主要包括空气数据信息采集设备的坐标信息、区域的地理坐标信息、污染区域的坐标信息等；属性数据指空间信息以外的数据，主要包括环境数据采集的时间、地点，空气成分数据、空气超标预警时相关信息等。

图1 系统数据需求分析

（3）性能需求。系统的成败与好坏最终要靠性能去检验，因而要从不同用户角度分析系统应具备的性能。一是具备实现对多种异构数据源，包括关系数据、格网图像数据、矢量数据、栅格图像数据等的综合处理能力。二是具备实现对数据的安全存储、安全操作的处理能力，如数据加密、设置用户分类分级操控等。三是满足用户的响应要求，数据传输及时、稳定可靠。四是具备空间特征分析功能，满足空间操作的能力[2]，即GIS平台能展示异常数据信息的位置、分析计算异常数据区域等。五是具备开放互联的功能，即程序和数据提供接口，能作为一个子功能模块融入智慧园区、智慧城市中。

1.2 系统总体框架

系统主要分为环境数据信息智能采集硬件设备、无线通信模块、数据分析处理终端系统和GIS系统四个部分，主要对环境中的温度、湿度、烟雾成分、灰粉尘等数据信息进行监测。温度、湿度是基本的环境参数；烟雾成分即监测环境中的有害气体类别、浓度等，主要包括CO、甲烷、醇类、氢气、二氧化硫等；灰粉尘主要是探测空气中的细小颗粒物，可通过粒子计数原理实现。

（1）通过单片机控制不同种类的智能采集硬件设备—智能传感器，并对周围环境中包括温度、湿度、烟雾成分、灰粉尘等数据信息进行采样、分析、量化，提供具体的数字化环境参数。

（2）无线通信模块将环境参数传输给数据分析处理终端。无线通信技术可采用GPRS技术[3]，该技术具备安全、精准、实时、稳定可靠等特点，并能实现全天候传送。

（3）数据分析终端在接收到具体的环境数据信息后进行分析处理，并通过数据连接与GIS平台实现数据互联，即属性数据与空间数据实现连接。通过GIS平台可查询采集终端的数据信息，如果数据超过上限，及时触发预警响应功能；通过GIS平台亦可实现相关区域的空间特征分析功能。

系统总体框架如图2所示。

图2 系统总体框架

2 系统功能分析与实现

依据需求分析结果，分析系统各功能模块，并对系统实现环节中的关键技术进行分析，实现系统功能。

2.1 系统功能模块

（1）温度智能监测模块。对环境中的温度进行实时监测，就需要选择一款高精度、高可靠性、响应速度快、低能耗的智能传感器作为数据采集设备。可供选择的传感器有DS18B20, PT100, SHT15等。

（2）湿度智能监测模块。对环境中的湿度进行实时监测，通过对湿度实现监测，从而得出空气中的含水量，得出环境的舒适度。可供选择的湿度传感器有SHT15, DHT11等。

（3）烟雾成分智能监测模块。对环境中的烟雾成分进行实时监测，对有害气体通过采样、数字化分析从而实现监测分析功能，以便用户掌握大气中的有害成分，作出相应的判断决策，为环境预警、治理提供依据。可供选择的传感器有MQ-3, 3SF CiTicel等。

（4）灰粉尘智能监测模块。环境中的灰粉尘含量是影响空气质量优劣的因素之一，是造成雾霾天气的重要元凶。对环境中灰粉尘进行实时监测，可精确掌握有害物质的组成成分，对各类用户至关重要。可供选择的传感器有DSM501, GP2Y1010AU0F等。

（5）单片机控制模块。该模块是数据采集系统的核心部件，是实现对各智能采集设备的硬件和软件控制，控制各采集端口的正常工作，对采集的样本数据做出分析处理，并控制、启动无线通信模块，将数据传输给数据分析处理终端。单片机的选取要考虑高可靠性、抗干扰能力强、处理速度快、耗电量低等因素。可供选择的单片机有STM32F107，ATmega128等。

（6）无线通信模块。目前，比较成熟的无线通信技术有GSM, GPRS, 3G等，其中GPRS具有经济性、稳定性、可靠性等特点，可实现无线传输功能。与数据分析处理终端建立信道的办法是采用完全固定专有IP地址的方法，数据分析处理终端要向Internet服务供应商申请购买固定专有IP地址，GPRS模块即可向该IP地址发送数据信息。

（7）数据分析处理终端模块。该模块是系统设计实现的关键模块、核心模块，采用GIS二次开发技术可实现客户端操作平台的开发设计。一是采用GIS二次开发平台工具进行九江市区电子地图的开发，完成地图数字化工作，即进行系统数据平台的开发[4]。二是采用C/S开发工具开发终端人机交互界面，利用VB和具备嵌入功能的GIS控件来完成技术开发[5]，实现电子地图的操控管理，即实现空间数据特征的展示、分析功能。三是对于异常环境数据的处理，设计制作一个报警信息对话框，设定环境参数限值范围，超过此范围立即触发弹出报警对话框，并在地图平台上显示异常数据来源的具体位置、异常区域等。

2.2 系统关键技术

（1）硬件设计。在系统功能模块分析的基础上，确定系统的硬件组成，即具体硬件设备的型号，进而完成硬件系统模块之间的连接。实现连接的电路设计是关键，包括各监测采集终端模块的电路设计、单片机控制模块的电路设计、无线传输模块的电路设计。

（2）软件设计。软件设计主要包括系统单片机的主控程序设计及数据分析处理终端的程序设计，其中单片机的主控程序主要控制各监测模块的数据传输、无线通信模块的数据传输。

（3）GIS系统的开发。一是确定数据平台设计工具采用MapInfo，完成空间数据库设计，并选取MapX作为GIS控件开发工具嵌入到VB系统中。二是确定属性数据库的开发工具，即选取具体关系数据库软件。三是调用MSComm控件实现传感器端到终端的数据通信。四是完成系统的各种功能设计，包括电子地图平台的基本操控功能、属性数据操纵、空间数据操纵、异常数据区域空间特征展示、分析等。GIS系统功能结构如图3所示。

2.3 系统实现

通过对系统功能模块和关键技术进行深入分析后，实现了基于GIS智能环境监测分析的原型系统设计，即初步实现了基于GIS数据分析处理终端平台的构建，主要包括电子地图的基本操作，环境监测数据管理、数据分析，属性信息查询、空间信息查询及空间特征展示、分析等。系统主界面如图4所示。

图3 GIS系统功能结构

3 结束语

本文以实用为导向，以实现功能任务为目标，在深入分析系统的功能、数据、性能需求之后，给出了系统总体框架，并对系统各功能模块和关键技术进行分析。经测试，系统各功能模块运行稳定，具备可靠性高、安全、智能等特点，可初步满足应用需求。GIS智能环境监测分析系统为下一步研究提供了基础。

图4 系统主界面

[1] 陈述彭，鲁学军，周成虎.地理信息系统导论[M].北京：科学出版社，2000：10.

[2] 周演汇，何立富.基于GIS的城区道路交通事故管理系统的需求分析与功能设计[J].晋城职业技术学院学报，2012（6）：64-67.

[3] 王慧林.基于无线传输的室内环境监测系统的设计[D].兰州：西北师范大学物理与电子工程学院，2015.

[4] 周演汇，何立富.基于GIS交通事故管理系统的数据平台设计与实现[J].温州职业技术学院学报，2013（3）：54-57.

[5] 周演汇，何立富.基于Map X交通事故管理系统的功能模块分析与实现[J].顺德职业技术学院学报，2014（1）：28-32.

[责任编辑：王志梅]

A GIS-based Design and Realization of Intelligent Environment Monitoring and Analysis System

ZHOU Yanhui
(School of Information Engineering, Jiujiang Vocational University, Jiujiang, 332000, China)

X87

A

1671-4326 (2017) 03-0058-04

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2017.057

2017-04-18

周演汇（1982—），男，江西九江人，九江职业大学信息工程学院副教授，硕士.