目前環(huán)保部門主要通過監(jiān)測站點來采集數(shù)據(jù)，然后在監(jiān)測中心通過水質(zhì)模型對這些數(shù)據(jù)進行處理分析以達到對河流水質(zhì)狀況的監(jiān)測。而這些站點分散度較大，所采集的河流水質(zhì)數(shù)據(jù)比較片面，不能反映整個河流的水質(zhì)狀況；加上傳送分析手段落后，監(jiān)測的結(jié)果總是滯后于水質(zhì)變化，不能及時反映河流水質(zhì)的動態(tài)狀況。因此研制一種能夠?qū)崟r反映河流水質(zhì)的系統(tǒng)非常必要。
隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)的發(fā)展，使得研制這種系統(tǒng)成為可能。本文就是基于這些技術(shù)，提出一種基于GIS的河流水質(zhì)動態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，這個系統(tǒng)能夠及時反映水質(zhì)的狀況。系統(tǒng)的主要的特點是管理空間對象，能夠?qū)⒏鞣N空間位置、空間分布以及空間關(guān)系通過數(shù)字地圖顯示出來
整個系統(tǒng)由監(jiān)測中心和數(shù)據(jù)采集終端兩部分組成。監(jiān)測中心是整個系統(tǒng)的服務(wù)器，運行GIS系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集終端即嵌入式系統(tǒng)，進行河流水質(zhì)數(shù)據(jù)的實地采集。
由于河流水質(zhì)監(jiān)測覆蓋的范圍廣，GIS系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集終端之間通過TCP/IP進行互聯(lián)通訊。數(shù)據(jù)采集終端通過TCP/IP來實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠距離的可靠傳輸，監(jiān)測中心GIS接收所有終端采集的河流水質(zhì)數(shù)據(jù)，對水質(zhì)數(shù)據(jù)進行存儲、分析、管理、查詢和顯示以及管理所有采集終端。
利用GIS對河流水質(zhì)數(shù)據(jù)進行存儲、分析、模擬和顯示，實現(xiàn)對河流水質(zhì)的監(jiān)測。整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、GIS可視化界面以及水質(zhì)模型組成。
GIS可視化界面直接管理空間對象，顯示空間對象的空間位置、空間分布等空間屬性，并通過關(guān)聯(lián)空間屬性來顯示空間對象的非空間屬性數(shù)據(jù)。這些空間屬性和非空間屬性分別以空間數(shù)據(jù)庫和非空間數(shù)據(jù)庫進行管理。空間數(shù)據(jù)庫管理GIS的各種空間數(shù)據(jù)，包括地形圖、各種專題地圖，流域、嵌入式系統(tǒng)終端、污染源等對象的地理位置坐標、形狀等。非空間屬性數(shù)據(jù)庫通過SQL數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)，管理各種非空間屬性數(shù)據(jù)，包括水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)（如河流流量、流速、溶解氧DO等）、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、社會屬性數(shù)據(jù)（如經(jīng)濟狀況、工業(yè)布局、水體水質(zhì)標準等）等。
GIS可視化界面通過數(shù)據(jù)庫提供的各種標準數(shù)據(jù)庫接口，讀取數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，并通過空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)作用，在GIS界面進行共同分析和顯示等處理。同時，通過與數(shù)據(jù)庫的相互作用，GIS實現(xiàn)了查詢、定位、分析、模擬和預(yù)警等功能。
水質(zhì)模型是污染物在水環(huán)境中的變化規(guī)律及影響因素之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)描述，是水質(zhì)監(jiān)測的重要手段之一。今年來各種多變量綜合水質(zhì)模型得到研究和應(yīng)用。
水質(zhì)模型非常細致地描述了污染物在水體中的遷移和轉(zhuǎn)化過程，但參數(shù)眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。設(shè)計中根據(jù)實際的需要對綜合水質(zhì)模型進行一定的簡化，實現(xiàn)了零維、多維水質(zhì)模型和水環(huán)境容量模型。實際上水質(zhì)模型處理的對象是流域，是空間對象，因此設(shè)計中將水質(zhì)模型完全集成在GIS中，成為GIS的一部分功能。
GIS能夠直接利用水質(zhì)模型對水質(zhì)數(shù)據(jù)進行分析模擬，而模擬的結(jié)果可以直接在GIS可視化界面上顯示；這樣彌補了水質(zhì)模型在表達方面的不足和GIS在分析模擬方面的不足.
嵌入式系統(tǒng)的實現(xiàn) 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，軟件硬件可裁減的計算機系統(tǒng)，具有集成度高、成本低、支持各種實時操作系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)功能等優(yōu)點。 本設(shè)計中采用嵌入式系統(tǒng)進行野外水質(zhì)數(shù)據(jù)采集，并通過TCP/TP將采集數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測。根據(jù)實現(xiàn)功能的不同，系統(tǒng)劃分為處理器模塊、存儲模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊和其他外設(shè)接口。
所有其它模塊的軟件都在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)和運行，是具有不同的優(yōu)先級的任務(wù)，任一時刻處于睡眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、等待態(tài)及中斷態(tài)的狀態(tài)之一。操作系統(tǒng)通過發(fā)送郵箱結(jié)構(gòu)消息來控制各個模塊狀態(tài)。
數(shù)據(jù)采集模塊由各種傳感器、數(shù)據(jù)采集任務(wù)以及數(shù)據(jù)處理任務(wù)構(gòu)成，負責各種數(shù)據(jù)的采集和處理工作。水質(zhì)監(jiān)測中，傳感器采集的數(shù)據(jù)主要是水質(zhì)綜合指標（如溶解氧DO）、水質(zhì)污染指標（如生化需氧量BOD、化學(xué)需氧量COD）以及水文參數(shù)（流速和流量）。數(shù)據(jù)采集任務(wù)主要完成模擬量采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)字量處理等功能。它通常處于等待狀態(tài)，等待包含控制參數(shù)的消息?？刂茀?shù)主要是采用頻率、通道的選擇以及啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。同時為數(shù)據(jù)采集任務(wù)設(shè)計一個4K容量的環(huán)型堆棧，用來暫時保存采樣數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)處理任務(wù)大多時候處于空閑狀態(tài)，具有與數(shù)據(jù)采集任務(wù)同樣大小的堆棧，當需要立即傳送數(shù)據(jù)時才被調(diào)用。
水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測的實現(xiàn)是通過TCP/IP將野外采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)實時傳送到監(jiān)測中心，監(jiān)測中心將接收到的水質(zhì)數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的分析處理后在GIS上顯示，以達到動態(tài)監(jiān)測的作用。
通常情況下數(shù)據(jù)采集任務(wù)處于睡眠延時等待狀態(tài)，延時時間到數(shù)據(jù)采集任務(wù)被激活，進行一次數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)保存在自己的堆棧中，完畢后重新進入睡眠等待狀態(tài)。本設(shè)計中延時一次為10s，即10s采集一次?？梢酝ㄟ^改變采集任務(wù)的延時時間來改變整個系統(tǒng)的采樣頻率。
一次數(shù)據(jù)采集完畢后，對堆棧中的數(shù)據(jù)有兩種處理方式，一種是立即傳送方式，另一種是正常處理方式。
立即傳送方式主要監(jiān)測污染事故對河流水質(zhì)的影響。當出現(xiàn)嚴重污染事故時，需要及時快速的了解水質(zhì)狀況，監(jiān)測中心通過網(wǎng)絡(luò)向嵌入式采集終端發(fā)送一個立即傳送命令，操作系統(tǒng)任務(wù)對命令進行處理判斷后發(fā)消息激活數(shù)據(jù)處理任務(wù)，數(shù)據(jù)處理任務(wù)將采集任務(wù)堆棧中的數(shù)據(jù)讀到自己的堆棧中，讀完后清空采集任務(wù)堆棧并進入睡眠狀態(tài)。接著操作系統(tǒng)任務(wù)發(fā)消息激活網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)任務(wù)將數(shù)據(jù)處理任務(wù)堆棧中的數(shù)據(jù)讀到網(wǎng)卡緩沖區(qū)，讀完后清空數(shù)據(jù)處理任務(wù)堆棧，TCP/IP開始發(fā)送數(shù)據(jù)。這種方式采集一次數(shù)據(jù)就傳送一次，實時性好，但是占用太多的系統(tǒng)資源和網(wǎng)絡(luò)資源。
正常處理方式即按設(shè)計好的方式進行數(shù)據(jù)傳送。一次采樣完畢后，如果采樣任務(wù)堆棧未滿則繼續(xù)下次采樣，直到堆棧滿。滿后調(diào)用文件系統(tǒng)，將堆棧中的數(shù)據(jù)以文件形式存儲在Flash中。且網(wǎng)絡(luò)任務(wù)每隔2小時被擊激活，將Flash中的數(shù)據(jù)讀到網(wǎng)卡緩沖區(qū)，接著發(fā)送數(shù)據(jù)。這種方式避免了因過多的數(shù)據(jù)讀寫以及數(shù)據(jù)傳送而占用系統(tǒng)資源。
水質(zhì)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示就是對水質(zhì)數(shù)據(jù)進行分析和處理后，在GIS可視化界面上動態(tài)顯示。
監(jiān)測中心接收到水質(zhì)數(shù)據(jù)后，GIS按一定的規(guī)則對數(shù)據(jù)進行驗證，符合規(guī)則的有效數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中?？梢暬缑嫱ㄟ^數(shù)據(jù)庫API接口將存儲的數(shù)據(jù)讀出，進行匯總等處理；然后調(diào)用水質(zhì)模型進行分析和模擬，并將分析模擬的結(jié)果以不同顏色動態(tài)顯示在GIS可視化界面上。