湖库水质监测与水华预警信息系统

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基金项目：国家自然科学基金资助项目(51179002)；北京市科技新星计划基金资助项目(2010B007)；北京教委人才强教计划基金资助项目(PHR 201007123, PHR201008238)；北京工商大学研究生科研创新基金资助项目

作者简介：郝启文(1986－)，男，硕士，主研方向：地理信息系统，控制理论与控制工程；王小艺、许继平，副教授、博士；刘载文，教授、博士；盛 璐、何多多，硕士研究生

收稿日期：2012-01-19 修回日期：2012-04-12 E-mail ：sdwangxy@

湖库水质监测与水华预警信息系统

郝启文，王小艺，许继平，刘载文，盛 璐，何多多

(北京工商大学计算机与信息工程学院，北京 100048)

摘 要：针对当前湖库水质监测及水华预测预警信息化发展相对落后的现状，开发一套集水质监测、水华预测预警功能于一体的智能化信息系统。采用Visual Studio 2010中的C++语言进行系统平台搭建，将网络通信、地理信息系统、SQL2005数据库等技术相结合，对湖库水质信息进行实时监测，并通过灰色-BP 神经网络模型实现对湖库藻类水华较高精度的中长期预测预警的功能，为环保部门进行湖库水华防治提供有效的信息化决策平台。

关键词：实时监测；地理信息系统；结构化查询语言；BP 神经网络；水华预测预警；通用分组无线服务

Information System for Water Quality Monitoring of Lakes and Reservoirs and Water-bloom Early-warning

HAO Qi-wen, WANG Xiao-yi, XU Ji-ping, LIU Zai-wen, SHENG Lu, HE Duo-duo

(College of Computer and Information Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China) 【Abstract 】Aiming at the relatively backward-status of water-quality monitoring for lake and reservoir and the information technology development of water-boom forecasting warning, an intelligent information system including water-quality monitoring, water-boom forecasting and warning is developed. The system is built by the language of C++ of Visual Studio 2010, integrating network communication, Geographic Information System(GIS) and database(SQL2005) key technology. The function of real-time monitor and higher accuracy of long-term prediction for lake water-blooms is achieved through the gray-Back Propagation(BP) neural network model, which provides an effective decision-making platform for environmental protection departments to prevent and control lake water-bloom.

【Key words 】real-time monitoring; Geographic Information System(GIS); Structured Query Language(SQL); Back Propagation(BP) neural network; water-bloom prediction and early-warning; General Packet Radio Service(GPRS) DOI: 10.3969/j.issn.1000-3428.2013.01.063

计 算 机 工 程 Computer Engineering 第39卷 第1期 V ol.39 No.1 2013年1月

January 2013

・开发研究与设计技术・

文章编号：1000—3428(2013)01—0287—03文献标识码：A

中图分类号：TP391

1 概述

随着全球水体富营养化的加剧，湖库发生水华现象越来越普遍，其造成的环境和经济问题越来越引起人们的关注[1]。水体富营养化会导致某些特征性藻类非正常增殖，水体颜色逐渐变深，水体透明度下降，溶解氧浓度降低，CODMn 浓度增大，直接导致鱼类及其他生物死亡，从而破坏湖库水体的自然生态平衡，造成环境和经济的重大损失[2-3]。近年来，我国许多大型湖泊面临着水华爆发的危险。水华的爆发破

坏了水体中的生物多样性，严重制约了经济建设和社会发展。因此，有效预测水华爆发、对水华进行治理已经迫在眉睫[4-5]。

本文根据当前国内外水环境监测发展的现状及系统所需的技术要求，开发了湖库水质监测与水华预警信息系统。系统能实时接收水质监测数据，实现数据实时显示、快速查询、数据对比等功能。同时，系统集成了水华智能预测模型，实现了对湖库水华的中长期预测预警功能，为环保部门进行水环境监测与水

288 计算机工程 2013年1月15日

华防治提供有效的信息化决策平台。

2 预警信息系统设计

2.1 整体结构设计

湖库水质监测与水华预警信息系统基于Visual

Studio 2010软件平台进行开发，系统利用Socket控

件接收下位仪表通过通用分组无线服务(General

Packet Radio Service, GPRS)传送的数据，将实时监测

数据和大量历史数据存储在基于SQL2005建立的数

据库中，为后期数据处理和分析提供可靠依据。同时，

系统可在地理信息系统(Geographic Information

System, GIS)图中实时显示监测点位置、水质参数，

并按时间跨度、空间范围进行水质数据的历史查询，

绘制实时、历史曲线，进行数据对比。系统实现了

Matlab和C++程序的混编，通过调用后台灰色-BP

(Back Propagation)神经网络模型对采集到的水质数

据进行分析，实现水华预测预警功能。系统结构如

图1所示。

图1 预警信息系统结构

2.2 系统实现关键技术

2.2.1 网络通信技术

水质监测传感器的布点灵活，分布广泛，数据量

稳定，数据传输质量要求高，实时性强。GPRS远程

无线传输方式适用于间断的、突发性的或频繁的、少

量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。其具

有覆盖地域广、通信距离远、网络可靠性高、稳定性

好、通信成本较低等优点。通过上述分析，选用GPRS

远程无线传输方式对水质信息进行实时传送，完全可

以满足传感器和系统对监测数据发送和接收的要求。

由于Socket接口是访问Internet时用得最广泛的

方法，因此本系统采用面向连接的流式的Socket，针

对面向连接的TCP服务，实现由传感器采集的水质

信息的实时接收。

2.2.2 地理信息系统技术

GIS是以测绘测量为基础、以数据库作为数据储

存和使用数据源、以计算机编程为平台的全球空间分

析即时技术。近年来，由于新技术的发展和能够获取

或共享的区域性数据日益丰富，因此传统的大而全的

地理信息系统已逐渐被集成二次开发的GIS系统所

取代[6]。水质环境动态监测的实现有赖于信息的实时

更新和对信息的空间分析与综合处理。GIS强大的专

题制图功能可将环境的变化情况、规律[7]，通过直观

的图件资料予以显示，实现对空间信息及其他种类信

息的有效管理，实现对环境的综合动态监测。

本文系统利用MapX组件技术进行开发，将GIS

作为本项目的基础平台，起到存储、处理和分析空间

信息的作用。系统通过接收水质传感器采集的数据，

监测不同时段的信息变化情况，比较不同的空间数据

集或其他种类的信息[8]。图2为基于GIS的智能化信

息系统(以太湖流域为例)初始界面。

图2 系统初始界面

2.2.3 数据库技术

结构化查询语言(Structured Query Language,

SQL)是一种数据库查询和程序设计语言，用于存取数

据及查询、更新和管理关系数据库系统。

本系统数据来源于多水质参数传感器，并配有高

精度的信标机，采集包括时间、地理坐标等基本数据，

利用GPRS模块进行远程数据传输。系统采用开放数

据库连接(Open Database Connectivity, ODBC)接口，

将实时监测数据和大量历史数据存储在数据库中。可

实现水质信息、GPS位置信息实时显示，并按时间跨

度对历史信息进行查询和对比。

3 系统功能实现

3.1 水质信息分析

系统可实时显示下位监测点的水质监测数据，可

将水环境变化情况通过直观的图像资料予以显示。监