基于GIS和WSN的滇池水质实时监测与预测系统的开发与实现

发布时间：2017-05-26 10:27

  本文关键词：基于GIS和WSN的滇池水质实时监测与预测系统的开发与实现，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近几十年来,昆明市经济快速发展和城市规模不断扩大,在很大程度上加重了滇池流域的生态环境压力。滇池水环境恶化除了经济发展这一客观因素外,还与水环境监测管理不系统、不科学有关。传统的水质监测主要是依靠人工进行水体取样和实验室分析,成本高且不能实现水质指标实时监测,很难预测水质的动态变化。水质监测结果用表格方式存储,不利于数据管理,未充分利用GIS强大的空间分析功能和图形界面,以地图、图表等形式科学、全面、直观、实时地反映水质状况。无线传感器网络(WSN)技术的发展为滇池水质指标的实时在线监测提供了技术支持。把各类水质指标的传感器集成在一起,作为感知单元定量获取滇池水质指标的成分。数据通信部分的GPS模块能够获得监测节点的地理位置,并且通过GPS的授时功能实现各节点间的时间同步性,实现各节点的时空化管理。通过GPRS模块将信息发送给监测中心,数据通信具有双向性,每个节点不仅可以将监测数据传输到监测中心,监测中心也可以通过远程指令改变每个节点的特征,如采样周期等。地理信息系统(GIS)具有丰富的图形界面、数据的查询与统计和空间分析等功能。在滇池水质的监测中,可以充分利用地理信息系统技术管理和反映滇池的水质的状况。因此,本文将GIS和WSN两种技术相结合,实现滇池水质状况的实时在线监测。本文通过分析目前主要的开源GIS软件的特点,采用MapWindow提供的DotSpatial开源组件作为滇池水质实时监测和预测系统的开发工具包。在Microsoft Visual Studio开发环境中,使用C#语言对DotSpatial进行组件式二次开发,结合地理信息技术、多功能无线传感器网络技术、GPRS无线通信技术、GPS全球卫星定位技术、MongoDB数据库技术、MATLAB仿真技术设计和实现滇池水质实时监测与预测系统。该系统可以实时监测包括叶绿素a、溶解氧(DO)、PH值、电导率(EC)、浊度、温度等水质指标,并根据已监测到的水质指标数据通过预测模型动态预测滇池水华的变化趋势。该系统的水华预测模型是利用灰色新陈代谢GM(1,1)算法对各水质指标进行初步预测,然后利用BP神经网络实现序列的非线性补偿,从而建立GM(1,1)-BP神经网络水华预测模型。该模型把灰色模型建模所需信息量少和神经网络非线性预测优势有效结合起来,克服了GM(1,1)预测精度低和BP神经网络所需训练数据多的缺点,实现滇池水华爆发的短期预测。结合GIS的空间分析功能实现水质监测与预测的时空表达,为水污染突发事件的监测、预测、预警、评估、应急响应等提供数据、技术支撑。
【关键词】：滇池流域 GIS WSN 灰色理论 BP神经网络 水华预测
【学位授予单位】：云南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X84;P208
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 引言10-24
• 1.1 研究背景和意义10-11
• 1.1.1 研究背景10-11
• 1.1.2 意义11
• 1.2 国内外研究现状11-18
• 1.2.1 地理信息系统11-13
• 1.2.2 无线传感器网络13-16
• 1.2.3 水华的智能化预测16-18
• 1.3 存在的主要问题18-19
• 1.4 课题来源及研究的主要内容19-20
• 1.4.1 课题来源19
• 1.4.2 主要内容19-20
• 1.5 系统总体框架20-21
• 1.6 技术路线21-24
• 第2章 研究区域概况24-28
• 2.1 自然地理状况24-26
• 2.1.1 地理位置24
• 2.1.2 土壤植被24
• 2.1.3 气候特点24-25
• 2.1.4 流域水系25-26
• 2.2 滇池的水质状况26
• 2.3 滇池流域的社会经济状况26-28
• 第3章 无线传感器网络28-40
• 3.1 无线传感器网络28-31
• 3.1.1 无线传感器网络的体系结构28-29
• 3.1.2 无线传感器网络的特点29-30
• 3.1.3 滇池水质监测的无线通信技术选择30-31
• 3.2 无线传感器网络节点设计31-40
• 3.2.1 传感器选项32-35
• 3.2.2 网络组网设计35
• 3.2.3 GPRS通信模块供电电路设计35-37
• 3.2.4 GPS定位模块电路设计37
• 3.2.5 AP-800多参数水质传感器接.电路设计37-38
• 3.2.6 监测节点供电系统设计38-40
• 第4章 系统总体设计40-47
• 4.1 总体设计基本原则40-41
• 4.2 二次开发平台的选择41-43
• 4.2.1 主要的GIS产品介绍41-42
• 4.2.2 二次开发平台选择42-43
• 4.3 总体功能设计43-46
• 4.3.1 GIS基本功能模块45
• 4.3.2 无线传感器网络实时数据的接入45
• 4.3.3 数据库管理模块45-46
• 4.3.4 水华预测模块46
• 4.4 系统的集成46-47
• 第5章 系统的开发与实现47-67
• 5.1 系统开发环境47
• 5.2 系统界面设计47-67
• 5.2.1 GIS模块47-48
• 5.2.2 无线传感器网络实时数据的接入48-53
• 5.2.3 数据库管理模块的设计与实现53-57
• 5.2.4 水华预测模块的设计与实现57-67
• 第6章 系统应用实例67-77
• 6.1 滇池水质传感器节点性能测试67-71
• 6.2 滇池水质实时监测与预测71-77
• 6.2.1 传感器数据的实时接入71-73
• 6.2.2 水华预测模块的应用73-75
• 6.2.3 GIS平台的应用75-77
• 第7章 结论与展望77-80
• 7.1 研究结论77-78
• 7.2 存在的问题与展望78-80
• 参考文献80-85
• 附录A：图目录85-86
• 附录B：表目录86-87
• 攻读学位期间发表的学术论文和研究成果87-88
• 致谢88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 李宏伟;柳佳佳;李成林;;基于GIS的河流水环境污染模拟研究[J];环境科学与管理;2007年02期

2 梁焕焕;熊庆宇;石为人;;基于无线传感器网络的水质在线监测系统研究[J];传感器与微系统;2011年05期

3 吴秋兰;梁勇;白娟;耿霞;张承明;;Web GIS在水质信息系统中的应用研究[J];测绘科学;2008年02期

4 张伟;周秉根;;基于灰色理论的旅游业与国民经济关联性分析[J];国土资源科技管理;2008年02期

5 翟俊;何强;肖海文;夏冰雪;朱阳春;;基于GIS的模糊综合水质评价模型[J];重庆大学学报(自然科学版);2007年08期

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本文编号：396547