一种基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理方法及系统
技术领域
1.本发明涉及环境监测技术领域，更具体地说，它涉及一种基于物联网和gis 的河湖岸线信息化管理方法及系统。
背景技术：2.河湖(水库)是人们赖以生产生活的重要资源和生态屏障，必须落实好保护水资源、保障水安全、防治水污染、改善水环境、修复水生态、管理保护水域岸线、强化执法监管的河湖管理任务。面向河湖日常管治工作中涉及河、湖、水库相对偏远，导致出现盗采河沙、偷排污水、险情水位过高等问题未能及时发现，造成经济损失及民生安全等问题。
3.其次，淡水河段极度容易引发大面积的水浮莲出现。水浮莲繁殖迅速，加上生活污水排放量及水中有机物含量提高，为水浮莲的生长提供了重要的营养源，造成水浮莲大面积生长，水质恶化，它能在短期内把整个水面遮掩。特别是在秋、冬季，水源较少的时候，它的根叶会迅速腐烂，不仅污染江水，还堵塞水上交通。加强水浮莲的监测、预报，完善科学的调度体系，改善水环境生态，将成为保护河流水生态刻不容缓的工作重点。治标兼治本，要从源头上来防治水浮莲的泛滥。目前，就出现在河流的水浮莲应及时采取常用清除办法，如人工清除法、机械搅灭法或变废为宝法等等。
4.目前仅依靠人工巡检方式汇报上级，导致效率低，实时性差，未能及时对违法活动或险情做出防范及预警应对策略。
技术实现要素：5.本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本发明的目的一是提供一种可以提高效率和实时性的基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理方法。
6.本发明的目的二是提供一种可以提高效率和实时性的基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理系统。
7.为了实现上述目的一，本发明提供一种基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理方法，其特征在于，包括：
8.将河湖图像进行矢量化转换制成gis电子地图，在河湖布设有多个监测站点，并在所述gis电子地图上分别标出各所述监测站点；
9.每天获取各所述监测站点的溶解氧、线浊、氨氮、ph值；
10.根据马氏链模型建立所有监测站点的污染物含量变化规律模型：
[0011][0012]
其中，w(i,j)为全流域第i日第j种污染物的总量，j种污染物包括溶解氧、线浊、氨氮、ph值，p
ij
为第i日第j种污染物总量占t日总污染物总量的百分比，
n为监测站点数量，vi表示第i个日的水流量，ρ
ijk
表示在第k个监测站点的第i日第j种污染物的浓度；
[0013]
将每天获取的溶解氧、线浊、氨氮、ph值输入所述污染物含量变化规律模型，并记录，计算各监测站点t日四种污染物的平均浓度：
[0014][0015]
其中ρ(i,j,k)表示第i日第k个监测站第j种污染物的浓度；
[0016]
如果某个监测站点的四种污染物的变化规律同时出现以下情况：
[0017]
(1)污染物总量是以t为单位成周期性变化，且逐渐增加；
[0018]
(2)污染物的总量与水流量的变化趋势基本一致；
[0019]
(3)四种污染物的变化趋势基本一致；
[0020]
(4)线浊逐渐增加、溶解氧都逐渐减少、氨氮和ph值有所下降；
[0021]
则判断该监测站点的水浮莲生长对水生态造成严重影响，需尽快治理，并在所述gis电子地图上使该监测站点显示报警状态。
[0022]
作为进一步地改进，所述t＝7。
[0023]
进一步地，不同河湖区域状态水质直接的转化应满足以下关系：
[0024]
(1)根据t日四种污染物的平均浓度同比，判断水生态环境自身状态转化的概率不小于向其他状态转化的概率；
[0025]
(2)根据t日四种污染物的平均浓度同比，判断水生态环境相邻状态转化的概率不小于向相隔状态转化的概率；
[0026]
p
22-p
21
≥0；p
34-p
31
≥0；
[0027]
p
11-p
12
≥0；p
22-p
23
≥0；p
32-p
31
≥0；
[0028]
p
12-p
13
≥0；p
21-p
24
≥0；p
33-p
32
≥0；
[0029]
p
13-p
14
≥0；p
23-p
24
≥0；p
33-p
34
≥0；
……
。
[0030]
进一步地，还包括：
[0031]
每天获取各所述监测站点的图像；
[0032]
识别所述图像中水面漂浮物和植物的面积；
[0033]
制作水面漂浮物和植物的面积的变化规律；
[0034]
根据监测站点的四种污染物的变化规律结合水面漂浮物和植物的面积的变化规律进一步判断水浮莲生长是否对水生态造成严重影响。
[0035]
进一步地，如果某个监测站点的线浊超过预警线浊，则有可能存在盗采河沙或偷排污水，获取该监测站点的图像，并在所述gis电子地图上使该监测站点显示报警状态；
[0036]
实时获取各所述监测站点的水位数据，如果某个监测站点的水位超过预警水位，则有可能存在险情水位过高，获取该监测站点的图像，并在所述gis电子地图上使该监测站点显示报警状态。
[0037]
进一步地，将河湖图像进行矢量化的过程为：将河湖管理范围进行划线得到由多个拐点连线而成的n边形，将n边形细分切块成n-2个三角形，利用相似三角形面积和边长比
例关系，得到河湖图像与gis矢量图形的比例关系
[0038][0039]
其中，r表示2个相似多边形的边长比例，s1、s2分别表示其面积。
[0040]
为了实现上述目的二，本发明提供一种基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理系统，包括息化管理平台、通信服务器、水质水位监测模块、视频监控设备；
[0041]
所述息化管理平台设有gis模块，所述gis模块将河湖图像进行矢量化转换制成gis电子地图，在河湖布设有多个监测站点，并在所述gis电子地图上分别标出各所述监测站点；
[0042]
各所述监测站点设有所述水质水位监测模块、视频监控设备，所述水质水位监测模块通过4g物联网上传水质水位参数到所述通信服务器，所述视频监控设备通过4g物联网或城域网上传图像数据到所述通信服务器；
[0043]
所述息化管理平台读取所述通信服务器内保存的水质水位参数、图像数据，并根据上述的一种基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理方法判断各监测站点的水浮莲生长是否对水生态造成严重影响，并在所述gis电子地图上使该监测站点显示报警状态。
[0044]
作为进一步地改进，所述水质水位监测模块包括处理器单元、存储器、4g 物联网通讯单元、多种传感器探头，以及与各所述传感器探头对应的信号采集单元、信号调理单元、信号校正单元，所述处理器单元电性连接存储器、4g物联网通讯单元，所述传感器探头依次通过信号采集单元、信号调理单元、信号校正单元电性连接处理器单元。
[0045]
进一步地，所述多种传感器探头包括溶解氧传感器探头、线浊传感器探头、氨氮传感器探头、ph值传感器探头、水位传感器探头。
[0046]
进一步地，所述水质水位监测模块安装在浮标平台上，所述浮标平台包括浮筒，所述浮筒的底部连接有锚系，所述浮筒底部的两侧分别设有安装各种传感器探头的安装孔，所述浮筒的顶部设有密封结构的设备箱，所述处理器单元、存储器、4g物联网通讯单元、信号采集单元、信号调理单元、信号校正单元均设在所述设备箱，所述设备箱的顶部设有太阳能电池板，所述设备箱内设有蓄电池，所述蓄电池电性连接所述太阳能电池板、处理器单元；所述锚系包括锚，将所述锚与浮筒连接的锚链，所述锚链上连接有浮球。
[0047]
有益效果
[0048]
本发明与现有技术相比，具有的优点为：
[0049]
本发明根据马氏链模型建立所有监测站点的污染物含量变化规律模型，将每天获取的溶解氧、线浊、氨氮、ph值输入所述污染物含量变化规律模型，并记录，计算各监测站点t日四种污染物的平均浓度，根据各监测站点的四种污染物的变化规律判断水浮莲生长是否对水生态造成严重影响，需尽快治理，并在gis电子地图上使该监测站点显示报警状态，可以部分，甚至完全替代人工巡逻检查，可以提高效率和实时性，实现了河湖的水浮莲防治水污染实时监测，为早日做出治理水浮莲提供可靠的依据。
附图说明
[0050]
图1为本发明的架构图；
[0051]
图2为本发明中水质水位监测模块采集数据的流程图；
[0052]
图3为本发明中视频监控设备采集图像的流程图；
[0053]
图4为本发明中gis模块处理数据的流程图；
[0054]
图5为本发明中浮标平台结构图。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图中的具体实施例对本发明做进一步的说明。
[0056]
参阅图1～5，一种基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理方法，包括：
[0057]
将河湖图像进行矢量化转换制成gis电子地图，在河湖布设有多个监测站点，并在gis电子地图上分别标出各监测站点；
[0058]
每天获取各监测站点的溶解氧、线浊、氨氮、ph值；
[0059]
根据马氏链模型建立所有监测站点的污染物含量变化规律模型：
[0060][0061]
其中，w(i,j)为全流域第i日第j种污染物的总量，j种污染物包括溶解氧、线浊、氨氮、ph值，p
ij
为第i日第j种污染物总量占t日总污染物总量的百分比，n为监测站点数量，vi表示第i个日的水流量，ρ
ijk
表示在第k个监测站点的第i日第j种污染物的浓度；优选的，t＝7，即以一个星期为周期；
[0062]
将每天获取的溶解氧、线浊、氨氮、ph值输入污染物含量变化规律模型，并记录，计算各监测站点t日四种污染物的平均浓度：
[0063][0064]
其中ρ(i,j,k)表示第i日第k个监测站第j种污染物的浓度；
[0065]
如果某个监测站点的四种污染物的变化规律同时出现以下情况：
[0066]
(1)污染物总量是以t为单位成周期性变化，且逐渐增加；
[0067]
(2)污染物的总量与水流量的变化趋势基本一致；
[0068]
(3)四种污染物的变化趋势基本一致；
[0069]
(4)线浊逐渐增加、溶解氧都逐渐减少、氨氮和ph值有所下降；
[0070]
则判断该监测站点的水浮莲生长对水生态造成严重影响，需尽快治理，并在gis电子地图上使该监测站点显示报警状态。即，污染物总量是指在一定的水体积范围内污染物的占比(％)，线浊逐渐增加(其计算单位为正向增加)，溶解氧都逐渐减少(其计算单位是负向增加的，即数字越低，污染物总量越大) 氨氮和ph值同理。水浮莲对水源采水点的淡水水质有影响，大量的水浮莲覆盖水面会使水的ph值降低、色度增高、溶解氧值降低，水中的酸度也增加，使水资源的使用价值大大降低，直至不能饮用。利用溶解氧、线浊、氨氮、ph值的预测值，计算出了未来7日内河流域各个观测站点区域水浮莲生长情况的研判，以上污染物含量变化规律模型的结果具有较强的实用性。最后，针对河流域现状，提出了水浮莲防治水污染的较为切实、可行的意见和建议。
[0071]
不同河湖区域状态水质直接的转化应满足以下关系：
[0072]
(1)根据t日四种污染物的平均浓度同比，判断水生态环境自身状态转化的概率不小于向其他状态转化的概率；即单个水质监测站点自身数据按照同比分析其趋势是否出现水质变差的概率情况；
[0073]
(2)根据t日四种污染物的平均浓度同比，判断水生态环境相邻状态转化的概率不小于向相隔状态转化的概率；即个水质监测站点对比相邻的水质监测站点的数据，按照同比分析其趋势是否出现水质变差的概率情况，因为河流的水流动，水质变动数据应考虑其相邻监测站点相关性，
[0074]
p
22-p
21
≥0；p
34-p
31
≥0；
[0075]
p
11-p
12
≥0；p
22-p
23
≥0；p
32-p
31
≥0；
[0076]
p
12-p
13
≥0；p
21-p
24
≥0；p
33-p
32
≥0；
[0077]
p
13-p
14
≥0；p
23-p
24
≥0；p
33-p
34
≥0；
……
。
[0078]
本方法还包括：
[0079]
每天获取各监测站点的图像；
[0080]
识别图像中水面漂浮物和植物的面积；
[0081]
制作水面漂浮物和植物的面积的变化规律；
[0082]
根据监测站点的四种污染物的变化规律结合水面漂浮物和植物的面积的变化规律进一步判断水浮莲生长是否对水生态造成严重影响，以提高判断的准确性。
[0083]
如果某个监测站点的线浊超过预警线浊，则有可能存在盗采河沙或偷排污水，获取该监测站点的图像，并在gis电子地图上使该监测站点显示报警状态；
[0084]
实时获取各监测站点的水位数据，如果某个监测站点的水位超过预警水位，则有可能存在险情水位过高，获取该监测站点的图像，并在gis电子地图上使该监测站点显示报警状态。
[0085]
将河湖图像进行矢量化的过程为：将河湖管理范围进行划线得到由多个拐点连线而成的n边形，将n边形细分切块成n-2个三角形，利用相似三角形面积和边长比例关系，得到河湖图像与gis矢量图形的比例关系
[0086][0087]
其中，r表示2个相似多边形的边长比例，s1、s2分别表示其面积。河湖图像可以是高清的卫星图或航拍图。
[0088]
一种基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理系统，包括息化管理平台、通信服务器、水质水位监测模块、视频监控设备；
[0089]
息化管理平台设有gis模块，gis模块将河湖图像进行矢量化转换制成gis 电子地图，在河湖布设有多个监测站点，并在gis电子地图上分别标出各监测站点；
[0090]
各监测站点设有水质水位监测模块、视频监控设备，水质水位监测模块通过4g物联网上传水质水位参数到通信服务器，视频监控设备通过4g物联网或城域网上传图像数据到通信服务器；
[0091]
信息化管理平台读取通信服务器内保存的水质水位参数、图像数据，并根据上述
的一种基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理方法判断各监测站点的水浮莲生长是否对水生态造成严重影响，并在gis电子地图上使该监测站点显示报警状态。
[0092]
gis模块采用客户端/服务器(c/s)模式，具有监测数据更新速度快的特点； gis模块采用web+com-gis架构实现监测区域基础地理数据的高效存储和管理。 gis模块利用gis本身的数据存储功能，将监测模块的各项监测因子按水质数据、水位数据、视频数据以数据列表形式存储之后，以地图图层的形式输入gis系统中，利用gis的空间分析能力，方便数据的关联分析；此外，得到的监测因子图层中在系统实现时，可将图元区域的各项因素指标值写入中间数据库，供灰色预测模型直接调用及生成同比数据预测曲线；地理信息系统gis功能模块的强大的处理图形显示和输出功能，通过将评价模型及预测模型所得结果写入相应图元的属性数据，便可将分析预测结果通过gis直接成图，并区通过颜色反馈该区域水质数据情况。
[0093]
水质水位监测模块包括处理器单元、存储器、4g物联网通讯单元、多种传感器探头，以及与各传感器探头对应的信号采集单元、信号调理单元、信号校正单元，处理器单元电性连接存储器、4g物联网通讯单元，传感器探头依次通过信号采集单元、信号调理单元、信号校正单元电性连接处理器单元。多种传感器探头包括溶解氧传感器探头、线浊传感器探头、氨氮传感器探头、ph值传感器探头、水位传感器探头。传感器探头实现水体和水位的感知，根据需要采集水体中参数；信号调理单元、信号采集单元、信号校正单元对传感器探头采集数据进行采集、处理、过滤功能；处理器单元实现任务调度、设备控制功能； 4g物联网通讯单元主要用于收发数据；存储器用于存储临时性数据。传感器探头采用模块化设计，即：(1)不同类型的传感器探头与处理器单元之间定义统一的硬件接口，(2)不同类型的传感器探头与处理器单元之间定义统一的通讯协议，以实现通用性。
[0094]
水质水位监测模块安装在浮标平台上，浮标平台包括浮筒1，浮筒1的底部连接有锚系，浮筒1底部的两侧分别设有安装各种传感器探头2的安装孔，浮筒1的顶部设有密封结构的设备箱3，处理器单元、存储器、4g物联网通讯单元、信号采集单元、信号调理单元、信号校正单元均设在设备箱3内，设备箱3 的顶部设有太阳能电池板4，设备箱内设有蓄电池，蓄电池电性连接太阳能电池板4、处理器单元，通过太阳能电池板4发电并给整个水质水位监测模块供电。锚系包括锚5，将锚5与浮筒1连接的锚链6，锚链上连接有浮球7。浮筒1的材质为抗腐、防冻、抗氧化、抗紫外线的强化材质，不受海水、化学品、药剂、油渍及水生物的侵蚀；浮筒1通过锚系固定在指定的安装水域，作为监测站点，设备箱采用不锈钢材质。
[0095]
假设监测对象为一条河或湖，其投放的浮标平台数以百计，这么多个浮标平台上的水质水位监测模块的监测范围构成庞大的监测区域，然而，由于各个监测站点的监测范围及可靠性的局限性,使得在部署监测站点时,务必要让监测站点的监测范围按河流段区域划分，以至于提高整个网络系统所获得的信息的连续性和准确性。如此,监测站点所采集到的数据进行融合处理以形成整个河流域各项数据的动态监测数据模型,提高可视化数据的展示。
[0096]
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。
技术特征：1.一种基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理方法，其特征在于，包括：将河湖图像进行矢量化转换制成gis电子地图，在河湖布设有多个监测站点，并在所述gis电子地图上分别标出各所述监测站点；每天获取各所述监测站点的溶解氧、线浊、氨氮、ph值；根据马氏链模型建立所有监测站点的污染物含量变化规律模型：其中，w(i,j)为全流域第i日第j种污染物的总量，j种污染物包括溶解氧、线浊、氨氮、ph值，p
ij
为第i日第j种污染物总量占t日总污染物总量的百分比，n为监测站点数量，v
i
表示第i个日的水流量，ρ
ijk
表示在第k个监测站点的第i日第j种污染物的浓度；将每天获取的溶解氧、线浊、氨氮、ph值输入所述污染物含量变化规律模型，并记录，计算各监测站点t日四种污染物的平均浓度：其中ρ(i,j,k)表示第i日第k个监测站第j种污染物的浓度；如果某个监测站点的四种污染物的变化规律同时出现以下情况：(1)污染物总量是以t为单位成周期性变化，且逐渐增加；(2)污染物的总量与水流量的变化趋势基本一致；(3)四种污染物的变化趋势基本一致；(4)线浊逐渐增加、溶解氧都逐渐减少、氨氮和ph值有所下降；则判断该监测站点的水浮莲生长对水生态造成严重影响，需尽快治理，并在所述gis电子地图上使该监测站点显示报警状态。2.根据权利要求1所述的一种基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理方法，其特征在于，所述t＝7。3.根据权利要求1所述的一种基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理方法，其特征在于，不同河湖区域状态水质直接的转化应满足以下关系：(1)根据t日四种污染物的平均浓度同比，判断水生态环境自身状态转化的概率不小于向其他状态转化的概率；(2)根据t日四种污染物的平均浓度同比，判断水生态环境相邻状态转化的概率不小于向相隔状态转化的概率；p
22-p
21
≥0；p
34-p
31
≥0；p
11-p
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≥0；p
22-p
23
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32-p
31
≥0；p
12-p
13
≥0；p
21-p
24
≥0；p
33-p
32
≥0；p
13-p
14
≥0；p
23-p
24
≥0；p
33-p
34
≥0；
……
。4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理方
法，其特征在于，还包括：每天获取各所述监测站点的图像；识别所述图像中水面漂浮物和植物的面积；制作水面漂浮物和植物的面积的变化规律；根据监测站点的四种污染物的变化规律结合水面漂浮物和植物的面积的变化规律进一步判断水浮莲生长是否对水生态造成严重影响。5.根据权利要求1所述的一种基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理方法，其特征在于，如果某个监测站点的线浊超过预警线浊，则有可能存在盗采河沙或偷排污水，获取该监测站点的图像，并在所述gis电子地图上使该监测站点显示报警状态；实时获取各所述监测站点的水位数据，如果某个监测站点的水位超过预警水位，则有可能存在险情水位过高，获取该监测站点的图像，并在所述gis电子地图上使该监测站点显示报警状态。6.根据权利要求1所述的一种基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理方法，其特征在于，将河湖图像进行矢量化的过程为：将河湖管理范围进行划线得到由多个拐点连线而成的n边形，将n边形细分切块成n-2个三角形，利用相似三角形面积和边长比例关系，得到河湖图像与gis矢量图形的比例关系其中，r表示2个相似多边形的边长比例，s1、s2分别表示其面积。7.一种基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理系统，其特征在于，包括息化管理平台、通信服务器、水质水位监测模块、视频监控设备；所述息化管理平台设有gis模块，所述gis模块将河湖图像进行矢量化转换制成gis电子地图，在河湖布设有多个监测站点，并在所述gis电子地图上分别标出各所述监测站点；各所述监测站点设有所述水质水位监测模块、视频监控设备，所述水质水位监测模块通过4g物联网上传水质水位参数到所述通信服务器，所述视频监控设备通过4g物联网或城域网上传图像数据到所述通信服务器；所述息化管理平台读取所述通信服务器内保存的水质水位参数、图像数据，并根据权利要求1-6任意一项所述的一种基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理方法判断各监测站点的水浮莲生长是否对水生态造成严重影响，并在所述gis电子地图上使该监测站点显示报警状态。8.根据权利要求7所述的一种基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理系统，其特征在于，所述水质水位监测模块包括处理器单元、存储器、4g物联网通讯单元、多种传感器探头，以及与各所述传感器探头对应的信号采集单元、信号调理单元、信号校正单元，所述处理器单元电性连接存储器、4g物联网通讯单元，所述传感器探头依次通过信号采集单元、信号调理单元、信号校正单元电性连接处理器单元。9.根据权利要求8所述的一种基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理系统，其特征在于，所述多种传感器探头包括溶解氧传感器探头、线浊传感器探头、氨氮传感器探头、ph值传感器探头、水位传感器探头。10.根据权利要求9所述的一种基于物联网和gis的河湖岸线信息化管理系统，其特征
在于，所述水质水位监测模块安装在浮标平台上，所述浮标平台包括浮筒，所述浮筒的底部连接有锚系，所述浮筒底部的两侧分别设有安装各种传感器探头的安装孔，所述浮筒的顶部设有密封结构的设备箱，所述处理器单元、存储器、4g物联网通讯单元、信号采集单元、信号调理单元、信号校正单元均设在所述设备箱，所述设备箱的顶部设有太阳能电池板，所述设备箱内设有蓄电池，所述蓄电池电性连接所述太阳能电池板、处理器单元；所述锚系包括锚，将所述锚与浮筒连接的锚链，所述锚链上连接有浮球。
技术总结本发明公开了一种基于物联网和GIS的河湖岸线信息化管理方法及系统，涉及环境监测技术领域，解决人工巡逻河湖岸线效率低的技术问题，方法包括：将河湖图像进行矢量化转换制成GIS电子地图，在河湖布设有多个监测站点，并在GIS电子地图上分别标出各监测站点；每天获取各监测站点的溶解氧、线浊、氨氮、PH值；根据马氏链模型建立所有监测站点的污染物含量变化规律模型：将每天获取的溶解氧、线浊、氨氮、PH值输入污染物含量变化规律模型，并记录，计算各监测站点T日四种污染物的平均浓度：根据某个监测站点的四种污染物的变化规律判断水浮莲生长是否对水生态造成严重影响，需尽快治理，并在GIS电子地图上使该监测站点显示报警状态。状态。状态。
技术研发人员：熊大红 利仕发 梁永康
受保护的技术使用者：利仕发
技术研发日：2022.07.15
技术公布日：2022/11/1
