基于GIS的地下水观测系统的设计与实现

摘 要:利用GPRS网络作为远程无线采集传输的服务平台,开发以Gis服务为主体,集成地下水水位、水温的自动采集和处理的地下水观测系统,为地下水资源的可持续开发、利用提供数据服务。本系统采用C/S体系结构,以硬件系统作为采集支撑,利用C#.Net语言和Winform技术开发客户端。

关键词:地下水观测;Gis;C/S模式;Winform

中图分类号:TP315 文献标识码:A 文章编号:1007-9599 (2012) 13-0000-03

一、引言

近年来,我国部分地区地下水超采严重,水位持续下降,很多地区已出现地面塌陷、河流水位持续降低等状况。如何合理开采、利用和保护地下水资源,已经成为一项关系到国计民生的大事。通过建立长期有效的水文监测站,利用自动化采集和远程无线传输技术,使实时采集的水文资料能够及时的上报给中心站,为地下水位观测提供统一的自动采集和信息管理平台,可以有效的分析和应对当今地下水位开发和利用过程中遇到的矛盾,为地下水可持续开发利用提供数据保证。

二、系统总体结构

(一)硬件系统结构

地下水观测系统是数据来源主要来自于现场传感器的数据采集,下图1为整个硬件系统的原理图:

如图,上半部分为现场数据采集设备称作采集端,而下半部分则为中心存储部分成为中心端。

整个系统数据采集采用主动上传模式:在采集端,为每个RS485采集器设置一个采样间隔,这样,每隔一定时间,采集器便将采集到的模拟量数据传送给DTU,经GPRS通过INTERNET将数据发送至具有固定IP的中心端计算机,并通过特定端口被数据采集软件捕捉并存入到数据库,从而实现地下水水位、水温、气温和电池电量的远程采集。

中心端接有短信猫,用户可通过发送手机短消息查询数据,也可以接收来自中心端的报警信息等。

(二)软件系统结构

三、软件系统设计

(一)中心端数据采集模块设计

中心端数据采集模块完成功能如下:

? 按照水位、水温等不同类型数据,按照类型存储到数据库;

? 实时的对采集的数据进行统计,并将统计结果存储到数据库统计结果表;

? 判断远程设备的通讯情况和异常状况,并主动向管理员发送报警信息,并同时将报警信息存储入库;

? 实现用户对实时水位、水温信息的短信查询。

(二)站网管理模块设计

1.站网地图模块设计

该模块主要以Gis地图模式展现了站点的地理位置、类型区和等信息。系统应加载shp数据绘制矢量地图,以支持缩放和颜色填充等功能。系统设计类型区的数据结构,并用不同类型的曲线和颜色加以区分。为了展示各站点的类型信息和实时数据,系统为各监测站设计标识,当鼠标悬停时在控件的MouseMove事件显示实时数据。

2.站网实时监控模块设计

站网实时监控模块,以表格形式显示各监测站的实时数据,考虑到人性化设计,系统添加了图表显示功能,当点击任一监测站表格信息时,便会出现该监测站的实时水位、水温和电压图表,考虑到不同监测站监测频次的具体特征,图表内显示数据的时间段是不同的:

3.站网实时信息配置模块设计

站网实时信息对应StationNetInfo表结构,其信息的修改直接更新该表内的数据。默认行政区划决定报表的表头的信息,应当与当前系统的行政区划相对应。设备通讯报警信息的设置决定手机短消息报警的方式,系统设计时考虑到最小报警次数和最大报警次数。

4.监测站基本信息配置模块设计

监测站基本信息涉及到系统展示信息、报表出具等多个方面,使用了GW_STINFO_B数据表,系统使用PropertyGrid控件配置各子站的基本信息。需要注意的是,监测站的添加、删除和更新操作都会影响到该监测站的子设备表和与该站相关的水位、水温等数据。

(三)水位监测管理模块设计

1.实时水位监测

实时水位监测要显示各监测站的实时水位数据,为了更直观的显示各监测站的实时数据,系统设计以柱状图形式进行对比显示。由于水位数据一般是小于0而埋深一般大于0,故实时水位显示部分应可选显示水位和埋深两种数据。

2.水位埋深查询

水位埋深查询是查询各监测站历史水位埋深数据的模块。查询要素主要包括“站点名称”、“查询开始时间”和“查询截止时间”。为了方便用使用,鼠标悬停监测站名称时,系统应提示监测站的“站点类别”、“监测方式”、“监测项目”和“监测频次”。系统应具备数据筛选功能,即应可筛选正常数据和不正常数据,对应自动监测站。

3.水位埋深预测

系统采用正交多项式最小二乘法,对历史水位、埋深数据进行拟合,该预测使用某一监测站最近三个月的历史水位作为原始数据,时间作为自变量x,水位或埋深作为因变量y,利用拟合得出曲线方程。然后再将需要预测的时间点带进去,计算出该时间点对应的水位、埋深值,以达到水位预测的目的。为防止计算时其病态系数矩阵的出现,可采取如下公式计算:

系统应以图表方式显示预测结果。预测水位只能作为水位变化趋势的参考,实际上决定地下水水位的因素有很多,包括当前的降水量,平均气温、地下水的年平均使用量等多种因素。

4.多年水位对比

通过对多年平均、最大、最小等水位对比的情况进行比较,有助于分析引起水位变化的原因。系统针对不同类型的监测站点设计了不同的对比情况,比如说,自动监测站和人工监测站的逐日监测、汛期逐日、五日监测站点可以对比多年的年平均、年最大、年最小、某月平均、某月最大、某月最小,但采取人工监测的统测站且监测方式为“其它”时,只能对比汛前、汛后和年末水位(埋深)。系统设计时应提示用户要对比站点的监测频次和监测方式。

5.水位手动输入

水位手动输入的目的是为了增强系统的可用性和兼容性。我们不可能要求地下水的监测全部使用自动监测,尤其是对于统测站和试验站来说,每年只监测几次的频率,不适宜用自动监测。根据规范说明,只有国家级监测站才被强制要求进行自动监测,对于那些仍需人工监测的站点,我们需要将监测到的输入录入系统,以便出具统计报表和进行数据分析。