CN114236075A - 一种地下水污染可视化监测和预警系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地下水污染可视化监测和预警系统及方法，包括：多个采集装置、数据传输装置、云服务器以及显示终端；所述采集装置，用于采集地下水的有机物、重金属和常规数据信息，并发送到所述数据传输装置；所述数据传输装置，用于将多个所述采集装置采集的信息中转发送到所述云服务器；所述云服务器，用于实现地下水信息的存储、分析、可视化和预警；所述显示终端，用于显示所述云服务器的所述分析、可视化和预警结果。本发明中的系统，综合了地下水系统的各类信息，充分利用了各类数据，能够挖掘信息中包含的更深层次的信息，提高预警时效和质量，具有广阔的应用前景。

Description

一种地下水污染可视化监测和预警系统及方法
技术领域
本发明属于数据监测技术领域，涉及一种地下水污染可视化监测和预警系统及方法。
背景技术
在地下水污染预警研究中，大部分预警系统都需要使用地下水水质监控数据，因此地下水水质监控技术在预警系统中起着重要的作用。但是目前在地下水水质监控技术上，由于当前技术等条件的限制，目前针对国内外地下水水质监控，监测系统自动化程度低，大多是利用周期性人工监控数据监控地下水水质状态。由于没有在污染源头进行有效的监控与预警，最终导致当前大部分的地下水监测预警系统是一种消极被动的管理活动。而监控数据目前主要是通过对多年多参数的潜水面，水质进行长期监控得到。通过对长期监控数据进行评价、预测，最后预警，导致整个预警过程需要采集的数据繁多，费用昂贵，周期长，无法实现地下水预警系统的常规化实时监控。
传统手段需要与先进的技术相结合，才能实现地下水预警结果的及时准确的表达。国内外对于监测预警软件平台开发的研究很多，但由于应用目的不同，软件的设计、结构和功能千差万别。虽然在灾害和天气方面的监测预警已经得到广泛的应用，但是地下水污染在线监测预警的研究尚未有影响较大的成功案例。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种地下水污染可视化监测和预警系统及方法，至少部分解决上述技术问题。
本发明实施例提供了一种地下水污染可视化监测和预警系统，包括：多个采集装置、数据传输装置、云服务器以及显示终端；
所述采集装置，用于采集地下水的有机物、重金属和常规数据信息，并发送到所述数据传输装置；
所述数据传输装置，用于将多个所述采集装置采集的信息中转发送到所述云服务器；
所述云服务器，用于实现地下水信息的存储、分析、可视化和预警；
所述显示终端，用于显示所述云服务器的所述分析、可视化和预警结果。
进一步地，所述云服务器，包括：数据中心模块、数据分析模块和数据预警模块；
所述数据中心模块用于存储所述数据传输装置、所述数据分析模块和数据管理模块发送的信息；所述数据中心模块包含场地地下水相关历史信息和基础数据信息；
所述数据分析模块，用于分析和可视化所述数据传输装置发送的地下水信息，并将得到的数据分析和可视化结果分别发送到所述数据中心和所述显示终端；
所述数据预警模块，用于通过所述数据分析和可视化结果实现风险评估和预警。
进一步地，所述数据分析模块，包括：数据分析单元和可视化建模单元；
所述数据分析单元，用于对所述数据传输装置发送的地下水信息进行分析，得到多尺度分析结果；将所述多尺度分析结果分别发送到所述可视化建模单元和所述数据中心模块；
所述可视化建模单元，用于展示所述多尺度分析结果，和通过所述场地地下水相关历史信息和基础数据信息进行多维度建模；将所述多维度建模发送到所述数据中心模块存储。
进一步地，所述数据预警模块，包括：风险评估单元和预警单元；
所述风险评估单元，用于利用所述场地地下水相关历史信息和基础数据信息，进行场地全生命周期风险评估，得到评估结果；
所述预警单元，用于利用所述多尺度分析结果与所述评估结果，建立实时预警和趋势预警模型，得到所述预警结果；将所述预警结果分别发送到所述数据中心模块和所述显示终端；
所述用户管理单元用于从所述数据中心模块获取用户信息进行用户管理；并将所述数据中心模块内的相关信息发送到所述显示终端显示；
所述设备管理单元用于从所述数据中心模块获取设备信息进行设备管理。
进一步地，所述云服务器，还包括：用户管理模块；
所述用户管理模块，用于实现用户登录、注册和权限管理。
进一步地，所述云服务器，还包括：设备管理模块；
所述设备管理模块，用于实现上传和下发设备维修信息。
进一步地，所述多尺度分析结果包括：基于宏观场地尺度下地下水污染羽的变化、介观尺度下监测井的污染分布和微观尺度下污染物分子的结合状态分析结果。
本发明实施例还提供了一种地下水污染可视化监测和预警方法，基于上述实施例任一项所述的一种地下水污染可视化监测和预警系统，包括：
S1：使用多个采集装置采集场地的地下水有机物、重金属和常规数据信息，并发送到数据传输装置；
S2：所述数据传输装置将多个所述采集装置采集的地下水信息发送到云服务器；
S3：所述云服务器利用显示终端获取用户和设备，与所述地下水信息相结合，进行存储、管理、分析、可视化和预警；并通过云服务器发送到所述显示终端显示，实现场地内的地下水污染可视化监测和预警。
进一步地，所述S3，还包括：所述云服务器根据所述地下水信息，利用空间插值法，构建整体场地三维模型；对所述整体场地三维模型进行任意剖面切割，进行污染物分析、可视化和预警。
本发明实施例提供了一种地下水污染可视化监测和预警系统，与现有技术相比较，地下水污染可视化监测和预警系统，综合了地下水系统的各类信息，充分利用了各类数据，能够挖掘信息中包含的更深层次的信息，提高预警时效和质量。本发明利用场地地下水在线监测、动态采集与原位监测，科学有效的利用实时监测数据，形成场地可视化数据库，建立地下水污染实时预警模型与趋势预警模型，构建具有在线监测-风险评估-自动预警功能的场地地下水污染监测预警可视化信息系统，具有广阔的应用前景。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种地下水污染可视化监测和预警系统框图；
图2为本发明实施例提供的云服务器结构框图；
图3为本发明实施例提供的一种地下水污染可视化监测和预警系统示意图；
图4为本发明实施例提供的一种地下水污染可视化监测和预警系统概念图；
图5为本发明实施例提供的云服务器数据传输示意图；
图6为本发明实施例提供的数据中心模块功能示意图；
图7为本发明实施例提供的云服务器可视化示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“内接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供的一种地下水污染可视化监测和预警系统，如图1所示，包括：多个采集装置、数据传输装置、云服务器和显示终端；多个采集装置、数据传输装置、云服务器以及显示终端；
采集装置，用于采集地下水的有机物、重金属和常规数据信息，并发送到数据传输装置；按照挥发性有机物、半挥发性有机物、稳定有机物及微生物样品、重金属和普通无机物类别进行采样，常规数据信息包括水位、水温、pH值、电导率、浑浊度、色、嗅和味、肉眼可见物等指标，同时还应测定气温、描述天气状况和近期降水情况。
数据传输装置，用于将多个采集装置采集的信息中转发送到云服务器；该装置为与上述类别对应的装置。
云服务器，用于实现地下水信息的存储、分析、可视化和预警；
显示终端，用于显示云服务器的分析、可视化和预警结果。
本发明实施例提供了一种地下水污染可视化监测和预警系统，与现有技术相比较，地下水污染可视化监测和预警系统，综合了地下水系统的各类信息，充分利用了各类数据，能够挖掘信息中包含的更深层次的信息，提高预警时效和质量。本发明利用场地地下水在线监测、动态采集与原位监测技术，科学有效的利用实时监测数据，形成场地可视化数据库，建立地下水污染实时预警模型，构建具有在线监测-风险评估-智能预警功能的场地地下水污染监测预警可视化信息系统，具有广阔的应用前景。地下水水质监测设备，包含水质监测设备以及微生物传感器，监测重金属和有机物污染。本发明的风险评估是根据监测的污染物浓度，通过深度学习得到风险预警等级，风险预警等级是根据实际数据在显示终端实时更新计算的。
在一实施例中，云服务器，包括：数据中心模块、数据分析模块和数据预警模块；
数据中心模块用于存储数据传输装置、数据分析模块和数据管理模块发送的信息；数据中心模块包含场地地下水相关历史信息和基础数据信息；
数据分析模块，用于分析和可视化数据传输装置发送的地下水信息，并将得到的数据分析和可视化结果分别发送到数据中心和显示终端；
数据预警模块，用于通过数据分析和可视化结果实现风险评估和预警。
在一实施例中，上述数据分析模块，包括：数据分析单元和可视化建模单元；
数据分析单元，用于对数据传输装置发送的地下水信息进行分析，得到多尺度分析结果；将多尺度分析结果分别发送到可视化建模单元和数据中心模块；
可视化建模单元，用于通过多尺度分析结果与场地地下水相关历史信息和基础数据信息进行多维度建模；将多维度建模发送到数据中心模块存储。
在一实施例中，上述数据预警模块，包括：风险评估单元和预警单元；
风险评估单元，用于利用场地地下水相关历史信息和基础数据信息，进行场地全生命周期风险评估，得到评估结果；
预警单元，用于利用多尺度分析结果与评估结果，建立实时预警和趋势预警模型，得到预警结果；将预警结果分别发送到数据中心模块和显示终端；
在一实施例中，云服务器，还包括：用户管理模块；用户管理模块，用于实现用户登录、注册和权限管理。用户管理模块依据相关工作人员职责和工作地点的不同，为其账户进行了对应的权限设置，使工作与人员在该系统中也是各司其职，不会造成工作混乱。
在一实施例中，云服务器，还包括：设备管理模块；设备管理模块，用于实现上传和下发设备维修信息。在建立该系统初始，将该系统中应用到的全部设备和管道信息进录入；当场地巡视人员发现故障时，及时使用显示终端登录，并将故障信息录入；系统识别后，将该故障信息下发到相关维修人员，提醒其进行维修；维修人员修好设备后，使用显示终端登录，改变设备状态信息。
以上模块是云服务器利用相关软件系统或者平台实现的。
其中，显示终端可以为，计算机、手机、平板等设备，该系统同一账户在同一时间只能在线一个设备，可以同时接入多个账户使用。另外，采集装置也有唯一的标号，数据传输装置会将采集装置的标号与采集的信息一同上传发送。该系统包含多个数据传输装置，采集相同信息的采集装置，将信息发送到监测这一信息的数据传输装置。
其中，多尺度分析结果包括：基于宏观场地尺度下地下水污染羽的变化、介观尺度下监测井的污染分布和微观尺度下污染物分子的结合状态分析结果。
在一实施例中，上述数据中心模块对接收到的数据进行标准化整合与管理，用于实现数据共享。数据中心模块对数据传输装置发送的信息进行解译。
上述云服务器除了预警技术，还有两个关键点，一个监测数据的科学表达，二是各类数据的科学管理。
地下水污染可视化表达的研究是地下水监测数据科学表达研究的新方向。随着计算机科技的发展，可视化凭借计算机本身的能力把数值模拟中涉及与产生的数字信息转变为直观的、易于理解的、可进行交互分析。以图形或图像形式表示在三维环境下，将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地质统计学、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来。
科学的数据管理是平台建立的关键，因此地下水监测预警平台系统还包括预警所需的指标体系和分析方法，通过对在线监测数据的分析，综合评价和反馈，提前反应可持续发展过程的发展动态和变幅，用科学的计算方法对需要观测要素的过去行为和当前的行为进行分析并做出预测，提供地下水污染目前所处的状态和未来的发展趋势，发出预警信号给出解决的方案，为决策部门提供决策的依据。
因此，本发明通过场地地下水在线监测、智能控制动态采集与原位监测技术，科学有效的利用实时监测数据，形成场地可视化数据库，建立地下水污染实时预警模型与趋势预警模型，构建具有在线监测-风险评估-智能预警功能的场地地下水污染监测预警可视化信息系统，具有广阔的应用前景。
该系统可对多种来源的数据进行存储、管理及调用。通过监测数据实时更新，风险预警模型及场地全生命周期的风险评估通过数据接口的共享技术可实现同步计算分析及结果更新。该系统能够实现多维度多尺度场地地下水污染动态监测，多维度系现在基于三维地质模型基础上，可对三维模型进行不同维度的剖面切分，查看污染羽的动态变化，实现场地污染的精细刻画；多尺度体现在基于宏观场地尺度下，地下水污染然羽的变化、到介观尺度下重点关注的污染源-汇点的监测井的污染分布、再到微观尺度下污染物分子的结合状态分析。
在一实施例中，本发明提供的一种地下水污染可视化监测和预警系统主要：多个采集装置、数据传输装置、云服务器以及显示终端四部分，如图3和图4所示。
探头自动采集相关信息，并将采集的信息发送到相应的数据传输装，进行读取信息和原位监测，并将读取后的信息发送到云服务器集群中相应的服务器。
如图5所示，云服务器集群利用相应的数据接口通过移动网络、4G或5G网络接收多源数据，再根据多源数据进行建模、分析、监测、管理和预警。
其中，数据中心模块中的存储部分包括监测数据管理、基础数据管理和建模基础空间地理信息数据管理。
数据中心模块中以时序数据库为主的监测数据管理，主要负责物联网动态监测数据的管理维护。采用InflexDB作为时序数据库管理工具，存储动态监测数据。通过数据采集和传输后，进行数据的解译分析，推送到消息队列，由程序进行数据消费后，存入动态监测时序数据库。完成数据库的部署、表单的建立、数据存取压力测试、数据库调优、建立筛选函数、分库等具体工作，解决对于物联网大数据实时、高并发写入、指定维度读取，实时聚合等数据使用的需求。基础数据包括水质监测数据，水温、电导率、溶解氧、PH值等数据。
以关系型数据库为主的基础数据管理，主要负责系统功能模块以及基础静态数据的管理维护。采用SQL Server作为平台的主要关系型数据库，存储场地信息、设备基础信息、功能模块信息等以静态结构化数据为主的信息。关系型数据库的设计工作，主要是针对平台基础数据格式和系统各业务模块对于数据分析的实际需求进行元数据和表数据的格式设计。
以空间数据库为主的建模基础空间地理信息数据的管理，主要负责可视化建模所需的基础空间地理信息数据的存储和管理。采用PostgreSQL存储基础空间地理信息数据，包括地层、监测数据分布、预警结果空间信息等，支撑实现二、三维可视化数据分析展示。
如图6所示，数据中心模块的建设包括数据采集—数据存储与管理—数据服务。数据采集的数据来源主要包含三类数据：监测数据、基础数据、空间数据。其中监测数据来源主要依靠监测仪器(采集装置和数据传输装置)采集数据后通过远程传输到数据中心，通过监测数据接收解译程序进行接收后入库。Excel格式的历史监测数据、基础管理数据和空间数据库通过平台后台进行导入和录入。数据存储和管理包含多源数据格式设计、多源数据整合、数据存取优化。数据服务主要提供数据安全、数据共享与交换、数据可视化分析、GIS服务等。
数据中心模块，需要明确多源数据的标准要求及数据来源，进行标准化管理。云服务器的数据来源主要有实时传输数据、定期采样数据、历史数据、水文地质基础数据等类型。由于数据分布在云服务器的各个模块，需要对数据制定一套统一的数据命名、数据定义、数据类型、赋值规则等，制定的数据标准，需要最大限度的符合通用性和规范性，以及通过规范定义原则最大程度优化数据质量。这部分工作是数据库构建的基础，基于当前主流的技术和框架，平台主要实现技术选择MVC框架(Vue.js)。物联网监测数据的海量特性往往要求单表数据量在10万级以上，加上物联网监测对于时序数据管理的需求、各分系统从数据库中读写数据的时效性需求，数据中心需要建立统一的数据推送共享服务，便于统一维护和管理，提供“一站式”的数据接收和访问服务。根据物联网监测数据的单机吞吐量、时效性、可用性、消息可靠性、并发性实际需求，采用基于消息队列服务的数据推送共享服务模式。
上述工作的思路是：针对物联网监测数据多源海量等数据特性，采用消息队列工具对不同的数据读取需求建立不同的消息队列，供分系统进行调用，可以利用其解耦、异步和削峰等技术特性，保障多源数据采集和数据调取并发访问时，各分系统的数据读写互不影响，实现高性能的同时保证低延时，更适合时序数据的存取。另外，消息队列软件工具大多数已有成熟的开源社区，技术支持更为友好，适合科研人员使用。
如图7所示，三维可视化的实现基于三维地理坐标系统，以空间数据为基础，以监测数据、污染物分布结果和预警分析结果为业务数据核心，以模型动态展示和分析为手段，利用HTML5内置的Web矢量图形引擎，结合WebGL标准协议实现的渲染引擎实现3D渲染。基于浏览器WebGL 3D绘图协议进行可视化三维绘图引擎封装，形成针对于地质三维模型的可视化工具，包括ES6 JavaScript类库。对地层三维模型、钻孔、监控设备进行独立建模，定义各模型的数据、属性，支持对各模型进行拾取操作。考量到与三维数据的对接，支持解析WKT,WKB等开放地理空间联盟OGC(Open GIS Consortium)制定的文本标记语言。同时考虑到三维体模型的数据量级，使用相对坐标、脏区重绘技术提高渲染性能，保证三维体模型加载不卡顿，操作流畅。
本发明实施例提供的一种地下水污染可视化监测和预警系统，采用时序数据库构建软件系统，突破从传统的单纯数据管理向数据开放共享与数据应用的转变；创新集成多源异构数据解译，动态模型构建和风险预警等方法，实现场地地下水污染多尺度分析和风险预警可视化。
本发明实施例提供的一种地下水污染可视化监测和预警方法，包括：
S1：使用多个采集装置采集场地的地下水有机物、重金属和常规数据信息，并发送到数据传输装置；
S2：数据传输装置将多个采集装置采集的地下水信息发送到云服务器；
S3：云服务器利用显示终端获取用户和设备，与地下水信息相结合，进行存储、管理、分析、可视化和预警；并通过云服务器发送到显示终端显示，实现场地内的地下水污染可视化监测和预警。
S3，还包括：云服务器根据地下水信息，利用空间插值法，构建整体场地三维模型；对整体场地三维模型进行任意剖面切割，进行污染物分析、可视化和预警。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种地下水污染可视化监测和预警系统，其特征在于，包括：多个采集装置、数据传输装置、云服务器以及显示终端；
所述采集装置，用于采集地下水的有机物、重金属和常规数据信息，并发送到所述数据传输装置；
所述数据传输装置，用于将多个所述采集装置采集的信息中转发送到所述云服务器；
所述云服务器，用于实现地下水信息的存储、分析、可视化和预警；
所述显示终端，用于显示所述云服务器的所述分析、可视化和预警结果。
2.根据权利要求1所述的一种地下水污染可视化监测和预警系统，其特征在于，所述云服务器，包括：数据中心模块、数据分析模块和数据预警模块；
所述数据中心模块用于存储所述数据传输装置、所述数据分析模块和数据管理模块发送的信息；所述数据中心模块包含场地地下水相关历史信息和基础数据信息；
所述数据分析模块，用于分析和可视化所述数据传输装置发送的地下水信息，并将得到的数据分析和可视化结果分别发送到所述数据中心和所述显示终端；
所述数据预警模块，用于通过所述数据分析和可视化结果实现风险评估和预警。
3.根据权利要求2所述的一种地下水污染可视化监测和预警系统，其特征在于，所述数据分析模块，包括：数据分析单元和可视化建模单元；
所述数据分析单元，用于对所述数据传输装置发送的地下水信息进行分析，得到多尺度分析结果；将所述多尺度分析结果分别发送到所述可视化建模单元和所述数据中心模块；
所述可视化建模单元，用于展示所述多尺度分析结果，和通过所述场地地下水相关历史信息和基础数据信息进行多维度建模；将所述多维度建模发送到所述数据中心模块存储。
4.根据权利要求3所述的一种地下水污染可视化监测和预警系统，其特征在于，所述数据预警模块，包括：风险评估单元和预警单元；
所述风险评估单元，用于利用所述场地地下水相关历史信息和基础数据信息，进行场地全生命周期风险评估，得到评估结果；
所述预警单元，用于利用所述多尺度分析结果与所述评估结果，建立实时预警和趋势预警模型，得到所述预警结果；将所述预警结果分别发送到所述数据中心模块和所述显示终端；
所述用户管理单元用于从所述数据中心模块获取用户信息进行用户管理；并将所述数据中心模块内的相关信息发送到所述显示终端显示；
所述设备管理单元用于从所述数据中心模块获取设备信息进行设备管理。
5.根据权利要求2所述的一种地下水污染可视化监测和预警系统，其特征在于：所述云服务器，还包括：用户管理模块；
所述用户管理模块，用于实现用户登录、注册和权限管理。
6.根据权利要求2所述的一种地下水污染可视化监测和预警系统，其特征在于：所述云服务器，还包括：设备管理模块；
所述设备管理模块，用于实现上传和下发设备维修信息。
7.根据权利要求3所述的一种地下水污染可视化监测和预警系统，其特征在于：所述多尺度分析结果包括：基于宏观场地尺度下地下水污染羽的变化、介观尺度下监测井的污染分布和微观尺度下污染物分子的结合状态分析结果。
8.一种地下水污染可视化监测和预警方法，基于权利要求1-6任一项所述的一种地下水污染可视化监测和预警系统，其特征在于，包括：
S1：使用多个采集装置采集场地的地下水有机物、重金属和常规数据信息，并发送到数据传输装置；
S2：所述数据传输装置将多个所述采集装置采集的地下水信息发送到云服务器；
S3：所述云服务器利用显示终端获取用户和设备，与所述地下水信息相结合，进行存储、管理、分析、可视化和预警；并通过云服务器发送到所述显示终端显示，实现场地内的地下水污染可视化监测和预警。
9.根据权利要求8所述的一种地下水污染可视化监测和预警系方法，其特征在于：所述S3，还包括：所述云服务器根据所述地下水信息，利用空间插值法，构建整体场地三维模型；对所述整体场地三维模型进行任意剖面切割，进行污染物分析、可视化和预警。
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