应急环境监测可视化系统设计
时间：2023-03-04 21:10:02 来源：千叶帆 本文已影响人
李 丰，伍彩虹
（1.广东盈峰科技有限公司，广东 佛山 528322；
2.顺德职业技术学院，广东 佛山 528300）
环境监测是应对环境问题的关键，为了提高对环境的监测效率，需要针对环境监测系统展开分析，合理对系统环境进行设计，使系统能够更好地投入使用，满足应急人员对环境问题的响应指标。环境信息采用动态图表进行显示，应用图形化显示技术，便于工作人员对数据监测结果进行观察，确定环境数据的具体信息情况，将数据以图形的方式进行展示，提高对环境数据信息的辨识度。
环境监测过程中，需要注重框架的整体结构，确保监测系统具有完整的框架，如图1所示，为系统的各项功能提供支持，满足可视化系统的设计指标。环境监测系统框架形式如下：第一，数据接入层。由传感器模块和通信模块组成，实现对数据的采集与传输，保障环境参数得到精准确认，提高环境的监测效果，防止在数据采集过程中存在遗漏；
第二，核心数据层。将数据存储到数据库中，为数据处理过程提供支持，实现对数据的调用过程，将应急环境历史数据展示出来，借助核心数据层实现查询功能；
第三，应用支撑层。为应用层提供各项支持，如离线地图、数据访问、串口通信等，确保数据能够传输到各个层次，满足环境监测数据的可视化基础；
第四，应用层。将环境监测数据展示出来，通过图形、表格等实现可视化，并且实现对环境数据的实时显示，及时确定应急环境的状态信息，实现对监测环境的管理功能[1]。环境监测系统对框架结构具有较高的要求，需要对不同模块展开设计，提高模块的应用效果，使框架能够顺利实现，保障环境监测系统具有良好的层次。
图1 总体框架图
2.1 用户管理模块
通过用户管理模块可以对不同用户进行管理，规范用户的使用流程，规定用户对数据库的访问行为，对用户的访问权限进行控制。根据用户的层次不同，将其划分为管理员、高级用户、普通用户，同时为用户分配不同的权限，满足用户对当前工作的需求，不向其开放职责之外的权限。用户登录过程中，由用户管理模块实现身份的验证，检验用户名、密码、身份信息等是否有效，确定用户是否满足身份条件，保障指定用户能够进行登录。访问权限方面，包括增加、删除、修改、查看四个权限，管理员具备所有权限，可对所有环境监测信息进行访问；
高级用户可以对数据信息进行查看，相对地，普通用户仅能对部分信息进行查看，部分功能将不被开放，需要提升用户权限后才能查看信息，对应急环境数据进行访问。在用户权限的作用下，可避免数据信息被意外修改，有助于提高环境监测数据的安全性，保障对用户权限的限制作用，防止环境数据被非法使用。权限对用户具有约束作用，防止用户对参数信息进行修改，针对用户可视化过程进行管理，使用户管理模块能够发挥作用。
2.2 串口通信模块
环境监测数据传输过程中，实现对数据的发送和接收，保证数据传输的稳定性。串口通信模块设计需要遵守串行通信的要求，对串口通信参数进行配置，提高通信环境的标准化程度，避免对数据传输造成影响。串口通信参数包括端口号、波特率、校验位等，是实现稳定通信控制的关键，需要对数据的传输过程进行验证，保障数据能够得到精准传输。数据传输过程中，引入传感器网络节点，与计算机COM口建立通信关系，使参数传输过程能够保持一致，提高数据的接收效果。对于临时传输的数据，采用临时开放接口的方式，提供一次性数据传输通道，数据传输完毕后断开端口；
对于实时传输的数据，由通信串口对数据进行监听，将数据传输到缓冲区，逐条对数据进行处理，满足数据的实时处理需求，通过缓冲区的控制，避免数据在传输过程中造成丢失。数据传输过程中，需要对数据进行解码校验，确保数据具有完整的报文编码，提高数据传输控制的精准程度。以温度数据传输为例，需要注重温度传感器的应用，采用单片机对传感器进行控制，遵守单片机发送协议的要求，将温度信息传输到数据库中，实现对环境温度信息的采集。为了满足温度监测的实时要求，以40 bit且10帧作为一个监测周期，对环境的温度变化情况进行采集，保障温度数据得到有效发送[2]。
2.3 数据存储模块
2.3.1 文件存储
为了满足环境监测系统可视化需求，需要对本地数据进行存储，用于对不变数据进行保存，实现对数据的加载与调用。应急环境监测过程中，需要对地理数据进行调用，以gmdb格式进行存储，便于获取指定的地理数据来源，缩短数据的调用时间，使文件存储能够发挥作用。地理数据类型及来源在Map中进行制定，由GMap实现对实例的加载，对地理文件数据加以管理。对地理文件进行操作时，需要通过API函数进行控制，包括CreateFile、ReadFile、WriteFile等，提高文件存储数据的采集效率。地理数据以字符串方式进行调用，需要对数据进行分离与转化，使数据具有完善的输出形式，将数据向可视化方向进行演变。文件存储主要针对本地基础数据，将常用数据资源在本地进行保存，使数据的调用更加方便，实现对数据可视化主体对象的加载。
2.3.2 关系型数据库存储
关系型数据与变量具有依存关系，将数据存储在数据库中，以一系列行与列的形式组成数据表，便于对数据进行查找和调用，使数据参数更加明确。通常情况下，这种存储方式适用于数据量不大的情况，数据具有较强的对应关系。关系型数据存储过程中，需要对数据结构展开设计，采用编码对同一组数据进行标识，使数据表具有完整的结构，便于对数据展开调用，实现对环境参数的存储。对于不同的数据而言，需要采用字段方式进行标识，如温度（TEMP）、湿度（HUM）、苯浓度，对应数据类型分别为int、int、float，建立字段与数据之间的关系，便于对环境数据进行唯一标识。数据使用过程中，采用SQL语句进行调用，能够提高数据的调用效率，通过数据表获取应急环境的相关信息，构建规范的数据设计环境。
2.3.3 内存数据库存储
内存数据库存储过程中，一般为非关系型数据，以键值对的方式进行存储，提高对数据的修改速度。以Marker层地理标记数据为例，采用两部分对数据进行存储，分别为地理位置（POSITION）和状态数据（STATE），将环境参数与地理位置相匹配，产生具有地理标记的数据源，实现对空间数据的有效存储。空间数据存储采用节点矢量形式，根据地理属性确定节点的状态，对数据源的真实性进行把控，使内存数据库得到有效解析。节点状态存储过程中采用Hash类型，提高对节点状态的检索效率，便于对内存数据库进行查找。为了实现内存数据库的有效调用，需要将地理位置与状态数据结合起来，针对非关系型数据进行确定，满足数据库调用的逻辑需求，使内存数据能够得到有效应用[3]。
2.4 数据分析模块
2.4.1 数据导入与导出
应急环境监测过程中，需要频繁地对数据进行调用，对数据进行导入和导出处理，并且与可视化过程结合起来，构建数据分析的基础环境。数据导入和导出相对于数据库而言，通过SQL语句进行控制，实现对数据库的快速操作，使数据导出功能更加完善。如数据导入、导出可通过INSERT、SELECT等依据实现，提高对数据控制的效率，通过相应的语句对数据进行操作，使数据模块得到有效运用。对于数据导入过程，需要通过导入模块实现，将采集到的环境信息存储到数据库中，将其以历史记录的方式进行存储，为后续阶段数据的调用作准备。对于数据导出过程，由导出模块来完成，从数据库中导出完整的数据信息，便于对环境数据进行分析，提高数据分析结果的可靠性。导出模块将数据导出到界面中，由图形化界面进行展示，使数据具有整洁的显示环境，确保数据可以一目了然。同时，还可以将数据以报表形式导出，对数据进行离线存储，方便对数据进行保存与分发，并且导出的不同格式的数据，便于对数据类型进行整理[4]。
2.4.2 污染点分析评价
环境监测过程中，需要做好污染点的评价工作，采用单因子评价的方式，明确污染点的监测指标，将不同因子的评价指标进行对比。不同因子展示采用柱状图实现可视化，便于对污染点的污染情况进行排查，降低污染对环境的影响。单因子评价公式如下：
式中，Pi为某一评价指标的相对污染值；
Ci为某一评价指标的实测浓度；
Csi为某一评价指标的最高允许标准值。通过上述公式，可得到监测站位与观测值的条形图，对不同站点的观测值进行对比，实现对观测值的有效分析。另外，需要注重等标排放法模型的运用，对环境中的各类污染物进行整合，由数据分析确定污染物及污染源情况，使用饼状图分析污染源的占比情况，便于掌握污染源的集中分布情况。为了降低污染源的影响，需要确保污染点评价的主动性，将评价结果记录到数据库中，对评价的总结果进行对比，便于对不同监测要素进行掌控。
2.5 数据可视模块
2.5.1 数据图形化处理
为了将环境数据以图形方式进行展示，需要注重图形绘制工具的应用，采用CDC封装类对图形进行操作，绘制出符合数据变化的等比例图形，使数据的展示效果更加清晰。CDC类绘制点、线、面较为方便，可以通过条形图、扇形图对数据进行展示，便于确定数据的变化情况。以温度、湿度为例，经过可视化处理后，以时间（d）为x轴，温度（℃）、湿度（%）为y轴，可绘制出温度、湿度随时间变化的折线图，便于对环境变化趋势进行展示，有助于数据图形化的实现。图形是实现数据可视的基础，关键点在于数据的直观展示，将数据可视化功能发挥到最大化，提高环境监测效果。另外，还可以采取条形框图显示方式，实现对温度、湿度的动态显示，确定当前环境数据的实时变化情况，将图形界面与实时输出结合起来。
2.5.2 动态数据图表
环境数据可借助动态数据图表进行显示，将动态数据转化为图表，将重点数据进行突出显示，对环境参数变化进行动态显示。图表绘制过程中，需要注重界面库的使用，采用MFC、Duilib、QT等展开设计，使图表信息得到精准展现。在图表信息方面，便于对数据进行更新，可实时显示数据的变化，对于重点数据可单独进行观察，对数据进行重点监视。图表设计过程中，需要使用CListCtrl类，针对图表的基本信息进行设计，如字体、颜色等，使图表看起来更加美观，提高图表的设计质量。同时，需要对列表的节点进行更新，确定节点的参数变化，确保图表时间范围的准确性。为了满足动态图表显示效果，需要对图表定时刷新，周期为5 min，对数据变化情况进行判断，必要时可手动对数据进行刷新，及时对环境数据的状态进行掌控，使数据状态得到有效展示[5]。
2.5.3 多图层同步显示
数据可视化显示过程中，需要注重多图层同步显示，对系统内的空间数据进行同步缩放，避免影响到环境数据的展示效果。多图层包括Map层、Overlay层、矢量数据层，需要做好图层之间的相互绑定工作，防止数据变化过程中出现偏差，导致数据无法正常投入使用，影响图层显示的同步性。在图层绑定过程中，需要将矢量数据层与Overlay层绑定，再将整体与Map层绑定，确保与Map层数据的一致性，避免图层数据间发生偏移。为保证图层缩放层级相同，可以对Map方法进行重写，使Map层能够更好地发挥作用，使图层能够得到同步标识，保证对图层进行同步操作。图层运用过程中，需要确保底图中心重合，构建出完善的图层控制形式，实现多图层同步控制设计，提高数据可视化显示的精准程度。
综上所述，应急环境监测过程中，需要采用可视化监测手段，提高应急环境的监测水平，对环境监测系统进行完善。环境监测系统需要合理进行设计，通过数据分析及运用支撑可视化显示过程，使数据能够更好地进行展示，构建良好的数据查询环境。图形化是确定环境信息的关键，需要明确节点位置及属性，保障监测系统对环境信息的输出显示效果。
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