技术领域
[0001] 本
发明涉及环保信息管理技术领域，尤其涉及一种基于GIS技术实现河流水质动态分布的方法。
背景技术
[0002]
地理信息系统(GIS)是用于地理空间信息处理和管理的计算机技术系统，能支持地理空间数据的获取、管理、分析，GIS系统提供的动态分段技术一般在交通领域使用较多。道路上利用里程桩和监控信息，来动态
渲染，直观的查看道路情况，比如道路拥堵、高速大雾路段等。
[0003] 而当前，随着我国社会经济的发展，水环境
质量受到了很大影响，水环境质量相关数据也具有空间分布特性，这决定了GIS可以在该领域发挥重要作用。但由于水环境监测
站点少且
数据采集量少，缺少道路数据中的里程桩等数据，也没有道路数据那样具有如此多的监测断面(一条河流上可能只有几个监测断面)，无法直接使用GIS
软件提供的动态分段技术，并应用GIS动态分段技术对河流水质进行直观且准确的信息表达。
[0004] 因此，有必要建立一套灵活、开放、适用性强的技术方法来
支撑水环境监测数据的信息表达，实现河流水质动态分布的渲染和展示，并实现技术架构内数据的自动化更新和处理。
发明内容
[0005] 本发明提供了一种基于GIS技术实现河流水质动态分布的方法，该方法可有效实现河流水质动态分布的渲染和展示。
[0006] 具体技术方案如下：
[0007] 一种基于GIS技术实现河流水质动态分布的方法，包括以下步骤：
[0008] (1)数据采集：采集待处理区域内所有河流的属性数据，所有水质监测站点的属性数据，以及所有实际水质监测站点的实时水质监测数据；
[0009] (2)空间化处理：利用GIS软件读取步骤(1)获得的水质监测站点的属性数据，并对水质监测站点的属性数据进行空间化处理，使得区域内每一个水质监测站点均由一个点来表征，得到由区域内所有水质监测站点组成的点状图层数据；
[0010] (3)对象化处理：利用GIS软件读取步骤(1)获得的河流的属性数据，形成面状图层数据，从面状图层数据中
抽取每条河流的河流中心线，再对河流中心线进行对象化处理，使得区域内每一条河流均由一条线来表征，并确保河流的连通性，得到由区域内所有河流组成的线状图层数据；
[0011] (4)图层数据
叠加：利用卫星遥感数据校正步骤(2)获得的点状图层数据和步骤(3)获得的线状图层数据，通过空间
位置校正和空间叠加分析，确保水质监测站点落在河流中心线上，去除不包含水质监测站点的河流所对应的图层数据，得到至少包含一个水质监测站点属性数据的河流图层数据A；
[0012] (5)图层数据分类：利用空间分析法处理步骤(4)获得的河流图层数据A，在水质监测站点所在位置处将河流图层数据A中的线状河流进行分割，分割处均含有水质监测站点及其属性数据，生成具有多条线段的新的河流图层数据B；
[0013] 再对河流图层数据B进行分类，将分割后的线段中的仅具有一个水质监测站点及其属性数据的河
流线段及其图层数据归为I类图层数据，首尾均具有水质监测站点及其属性数据的河流线段及其图层数据归为II类图层数据；
[0014] (6)事件表的构建和赋值：对于河流图层数据B中的每条河流线段，均设置线性参考参数值M，并设定M＝N，N表示每条河流线段的分段总数，N≥50；读取步骤(1)获得的实际水质监测站点的实时水质监测数据，创建含有河流ID信息、M起始值Mbeg、M终止值Mend和Val的事件表；
[0015] 分下列两种情况进行赋值：
[0016] (6-1)对于I类图层数据：将I类图层数据中每条河流线段的河流ID信息导入事件表中，并设定Mbeg＝0，Mend＝N，对每条河流线段进行赋值，得到事件表E1；
[0017] 赋值公式为：ValI＝S
[0018] 式中，ValI表示每条河流被赋予的实时水质监测数据业务值，S表示每条河流中实际水质监测站的实时水质监测数据业务值；
[0019] (6-2)对于II类图层数据：将II类图层数据中每条河流线段的河流ID信息导入事件表中，设定Mbeg＝W-1，Mend＝W，并根据该河流线段的分段总数，将河流ID信息拷贝N条，对河流线段分段后形成的N条小线段进行赋值，得到事件表E2；
[0020] 赋值公式为：ValII＝Sw+[(Sw+1-Sw)/N]×W；
[0021] 式中，ValII表示每个小线段被赋予的实时水质监测数据业务值；Sw表示每个小线段实际上游水质监测站的实时水质监测数据业务值；Sw+1表示每个小线段实际下游水质监测站的实时水质监测数据业务值；N表示每条河流线段的分段总数，N≥50；W表示小线段的序列号，由1到N；
[0022] 将步骤(6-1)获得的事件表E1和步骤(6-2)获得的事件表E2进行合并，得到总事件表E；
[0023] (7)动态分段：根据事件表E中的Mbeg和Mend以及河流图层数据B中设置的线性参考参数值M，利用GIS线性参考动态分段技术，将河流图层数据B中的河流线段由M值按Mbeg和Mend动态分段成事件表中的小线段；
[0024] (8)渲染：根据赋值后的各河流线段的实时水质监测数据业务值的大小，对区域内具有至少一个水质监测站点的河流进行实时水质监测数据的连续无缝动态渲染，最终得到反映河流水质动态分布的渲染图。
[0025] 本发明所述的点状图层数据和线状图层数据在GIS软件中以地图图片的形成呈现出来，可从区域水文水利部
门和环保部门提供的
数据库中获得上述图层数据。所述的河流线段是指某河流因步骤(5)中的分割处理所形成的线段，该线段至少有一端包含有水质监测站点，最多两端均包含水质监测站点，线段内部则无水质监测站点；分割后的两条线段在分割处一定包含水质监测站点。所述的小线段是指在河流线段的
基础上因动态分段而形成的小段，步骤(8)的渲染就是以小线段或者仅一端包含有水质监测站点河流线段为渲染单元进行
颜色渲染。一条河流线段中各小线段的长度是相等的，而不同河流线段之间小线段的长度则不一定相同。
[0026] 上文所述的属性数据包含河流和水质监测站点的名称以及相应的地理位置信息数据。具体的，步骤(1)中，所述河流的属性数据至少包括河流编号、河流名称；所述水质监测站点的属性数据至少包括水质监测站点编号、水质监测站点名称、水质监测站点经纬度。
[0027] 进一步地，步骤(2)中，所述空间化处理的方法为：
[0028] 将步骤(1)获得的水质监测站点的属性数据以Excel文件形式保存在GIS软件中，再根据属性数据中的经纬度信息，利用GIS软件将Excel文件转换成空间化的点状图层数据。
[0029] 进一步地，步骤(3)中，所述对象化处理的方法为：
[0030] 利用GIS软件将面状图层数据转
化成边线集合数据，根据线与线之间的平行关系，生成区域内每条河流的中心线集合数据，得到区域内所有河流的线状图层数据；再对所述线状图层数据进行拆分、合并，使线状图层数据对应到实际河流对象上，得到由区域内所有河流组成的河流对象化的线状图层数据。
[0031] 本发明所采用的方法不受具体水质监测指标类型的影响，除本发明提及的指标外，理论上其余水质监测指标也都适用。
[0032] 作为优选，步骤(1)中，所述水质监测站点的实时水质监测数据包括：水质常规指标和水质综合指标；
[0033] 所述水质常规指标包括：水温、pH、溶解
氧、电导率、
浊度、氧化还原电位；
[0034] 所述水质综合指标包括：高锰酸盐指数、
化学需氧量、总有机
碳、
氨氮、总磷、总氮、石油类、挥发酚、阴离子
表面活性剂、氟化物、氰化物、氯化物、
硝酸盐、
硫酸盐、
金属离子。
[0035] 进一步地，步骤(4)中，采用影像定义空间参考方法进行空间位置校正，使点状图层数据中水质监测站点的空间位置与卫星遥感数据中实际水质监测站点的空间位置正确匹配，线状图层数据中河流的空间位置与卫星遥感数据中实际河流的空间位置正确匹配，再利用空间叠加分析法对校正后的数据进行分析，提取能够
覆盖点状图层数据的线状图层数据。
[0036] 分段总数需要根据间距最长的河流线段的距离进行设定，保证每个小线段的长度不会过长，以保证渲染效果作为优选，步骤(7-b2)中，N＝50～200。
[0037] 作为优选，步骤(8)中，所述连续动态渲染的渲染值为50～500，以保证渲染效果。
[0038] 与
现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0039] (1)本发明在水环境监测数据有限的情况下，实现河流动态的线性参考分割和赋值，从而在不需要打断河流的基础上，进行多级无缝动态渲染，并支持全流程自动化更新和处理。
[0040] (2)本发明在采用GIS技术的基础上，融合
计算机编程、图形学、测绘内业处理及制图技术等，建立了一套灵活、开放、适用性强的技术方法来支撑水环境监测数据的信息表达，实现河流水质动态分布的渲染和展示，并实现技术架构内数据的自动化更新和处理。
[0041] (3)整个动态分段过程通过Python脚本封装为工具可以自动化读取数据、自动分段、自动计算各段监测数据，从而实现整个分段过程的全自动化运行，涉及两个制图模板：动态数据监测值制图模板、河流水质动态分段制图模板，实现与业务系统对接集成，并支持监测断面数据的动态更新，系统会将所有历史数据保存起来。空间数据具有时态信息后，在GIS桌面就可以通过开启时态功能，客户端可以通过时态播放的功能查看所有历史数据，在地图中进行时态的查询和动态的播放。
附图说明
[0042] 图1为本发明基于GIS技术实现河流水质动态分布方法的
流程图。
[0043] 图2为应
用例1中河流水质指标电导率的动态分布渲染图。
[0044] 图3为应用例1中河流水质指标氨氮的动态分布渲染图。
具体实施方式
[0045] 下面结合具体
实施例对本发明作进一步描述，以下列举的仅是本发明的具体实施例，但本发明的保护范围不仅限于此。
[0046] 实施例1
[0047] 一种基于GIS技术实现河流水质动态分布的方法，具体步骤如下：
[0048] (1)数据采集：采集待处理区域内所有河流的属性数据，所有水质监测站点的属性数据，以及所有实际水质监测站点的实时水质监测数据；
[0049] 所述河流的属性数据为河流编号、河流名称；所述水质监测站点的属性数据为水质监测站点编号、水质监测站点名称、水质监测站点经纬度；
[0050] 所述水质监测站点的实时水质监测数据包括水质常规指标和水质综合指标；
[0051] 所述水质常规指标为：水温、pH、溶解氧、电导率、浊度、氧化还原电位；
[0052] 所述水质综合指标为：高锰酸盐指数、化学需氧量、总有机碳、氨氮、总磷、总氮、石油类、挥发酚、阴离子表面活性剂、氟化物、氰化物、氯化物、硝酸盐、
硫酸盐、金属离子；
[0053] (2)空间化处理：利用GIS软件读取步骤(1)获得的水质监测站点的属性数据，并对水质监测站点的属性数据进行空间化处理，使得区域内每一个水质监测站点均由一个点来表征，得到由区域内所有水质监测站点组成的点状图层数据；
[0054] 所述空间化处理的方法为：将步骤(1)获得的水质监测站点的属性数据以Excel文件形式保存在GIS软件中，再根据属性数据中的经纬度信息，利用GIS软件将Excel文件转换成空间化的点状图层数据；
[0055] (3)对象化处理：利用GIS软件读取步骤(1)获得的河流的属性数据，形成面状图层数据，从面状图层数据中抽取每条河流的河流中心线，再对河流中心线进行对象化处理，使得区域内每一条河流均由一条线来表征，并确保河流的连通性，得到由区域内所有河流组成的线状图层数据；
[0056] 所述对象化处理的方法为：利用GIS软件将面状图层数据转化成边线集合数据，根据线与线之间的平行关系，生成区域内每条河流的中心线集合数据，得到区域内所有河流的线状图层数据；再对所述线状图层数据进行拆分、合并，使线状图层数据对应到实际河流对象上，得到由区域内所有河流组成的河流对象化的线状图层数据；
[0057] (4)图层数据叠加：利用卫星遥感数据校正步骤(2)获得的点状图层数据和步骤(3)获得的线状图层数据，采用影像定义空间参考方法进行空间位置校正，使点状图层数据中水质监测站点的空间位置与卫星遥感数据中实际水质监测站点的空间位置正确匹配，线状图层数据中河流的空间位置与卫星遥感数据中实际河流的空间位置正确匹配，再利用空间叠加分析法对校正后的数据进行分析，提取能够覆盖点状图层数据的线状图层数据，从而去除不包含水质监测站点的河流所对应的图层数据，得到至少包含一个水质监测站点属性数据的河流图层数据A；
[0058] (5)图层数据分类：利用空间分析法处理步骤(4)获得的河流图层数据A，在水质监测站点所在位置处将河流图层数据A中的线状河流进行分割，分割处均含有水质监测站点及其属性数据，生成具有多条线段的新的河流图层数据B；
[0059] 再对河流图层数据B进行分类，将分割后的线段中的仅具有一个水质监测站点及其属性数据的河流线段及其图层数据归为I类图层数据，首尾均具有水质监测站点及其属性数据的河流线段及其图层数据归为II类图层数据；
[0060] (6)事件表的构建和赋值：对于河流图层数据B中的每条河流线段，均设置线性参考参数值M，并设定M＝N，N表示每条河流线段的分段总数，N≥50；读取步骤(1)获得的实际水质监测站点的实时水质监测数据，创建含有河流ID信息、M起始值Mbeg、M终止值Mend和Val的事件表；
[0061] 分下列两种情况进行赋值：
[0062] (6-1)对于I类图层数据：将I类图层数据中每条河流线段的河流ID信息导入事件表中，并设定Mbeg＝0，Mend＝N，对每条河流线段进行赋值，得到事件表E1；
[0063] 赋值公式为：ValI＝S
[0064] 式中，ValI表示每条河流被赋予的实时水质监测数据业务值，S表示每条河流中实际水质监测站的实时水质监测数据业务值；
[0065] (6-2)对于II类图层数据：将II类图层数据中每条河流线段的河流ID信息导入事件表中，设定Mbeg＝W-1，Mend＝W，并根据该河流线段的分段总数，将河流ID信息拷贝N条，对河流线段分段后形成的N条小线段进行赋值，得到事件表E2；
[0066] 赋值公式为：ValII＝Sw+[(Sw+1-Sw)/N]×W；
[0067] 式中，ValII表示每个小线段被赋予的实时水质监测数据业务值；Sw表示每个小线段实际上游水质监测站的实时水质监测数据业务值；Sw+1表示每个小线段实际下游水质监测站的实时水质监测数据业务值；N表示每条河流线段的分段总数，N≥50；W表示小线段的序列号，由1到N；
[0068] 将步骤(6-1)获得的事件表E1和步骤(6-2)获得的事件表E2进行合并，得到总事件表E；
[0069] (7)动态分段：根据事件表E中的Mbeg和Mend以及河流图层数据B中设置的线性参考参数值M，利用GIS线性参考动态分段技术，将河流图层数据B中的河流线段由M值按Mbeg和Mend动态分段成事件表中的小线段；
[0070] (8)渲染：根据赋值后的各河流线段的实时水质监测数据业务值的大小，对区域内具有至少一个水质监测站点的河流进行实时水质监测数据的连续无缝动态渲染，最终得到反映河流水质动态分布的渲染图。
[0071] 应用例1
[0072] (1)以杭嘉湖平原某地级市为例，采集该区域河流属性数据和水质监测站点属性数据，河流数据涉及3433个面状对象，水质监测站点涉及73个；并采集所有水质监测站点的实时水质监测数据；
[0073] 河流属性数据为：河流编号和河流名称；
[0074] 水质监测站点的属性数据为：水质监测站点编号、水质监测站点名称和水质监测站点经纬度；
[0075] 水质监测站点的实时水质监测数据包括水质常规指标和水质综合指标两类；
[0076] 其中，水质常规指标为：水温、pH、溶解氧、电导率、浊度和氧化还原电位；
[0077] 所述综合指标包括：高锰酸盐指数、化学需氧量、总有机碳、氨氮、总磷、总氮、石油类、挥发酚、阴离子表面活性剂、氟化物、氰化物、氯化物、硝酸盐、硫酸盐和金属离子。
[0078] (2)利用GIS软件读取水质监测站点的属性数据，获得的73个水质监测站点的属性数据以Excel文件形式保存在GIS软件中，再根据属性数据中的经纬度信息，利用GIS软件使得区域内每一个水质监测站点均由一个点来表征，将Excel文件转换成区域内空间化的73个水质监测站点组成的点状图层数据。
[0079] (3)利用GIS软件读取河流属性数据，形成面状图层数据，再将面状图层数据转化成边线集合数据，根据线与线之间的平行关系，生成区域内每条河流的中心线集合数据，得到区域内所有河流的线状图层数据，共涉及13669个河流线状对象；再对线状图层数据进行拆分、合并，使线状图层数据对应到实际河流对象上，得到由区域内所有河流组成的河流对象化的线状图层数据，共涉及4042个河流线状对象。
[0080] (4)利用卫星遥感数据校正步骤(2)获得的点状图层数据和步骤(3)获得的线状图层数据，通过空间位置校正和空间叠加分析，确保水质监测站点落在河流中心线上，去除不包含水质监测站点的河流所对应的图层数据，得到至少包含一个水质监测站点属性数据的河流图层数据A，包含109个河流线状对象；
[0081] (5)对步骤(4)获得的河流图层数据A进行分类，仅含有一个水质监测站点属性数据的I类河流图层数据涉及70个河流线状对象，含有两个及以上水质监测站点属性数据的II类河流图层数据涉及39个河流线状对象；
[0082] (6)事件表的构建和赋值：对于河流图层数据B中的每条河流线段，均设置线性参考参数值M，并设定M＝N，N表示每条河流线段的分段总数，N＝200；读取步骤(1)获得的实际水质监测站点的实时水质监测数据，创建含有河流ID信息、M起始值Mbeg、M终止值Mend和Val的事件表；
[0083] 分下列两种情况进行赋值：
[0084] (6-1)对于I类图层数据：将I类图层数据中每条河流线段的河流ID信息导入事件表中，并设定Mbeg＝0，Mend＝N，对每条河流线段进行赋值，得到事件表E1；
[0085] 赋值公式为：ValI＝S
[0086] 式中，ValI表示每条河流被赋予的实时水质监测数据业务值，S表示每条河流中实际水质监测站的实时水质监测数据业务值；
[0087] (6-2)对于II类图层数据：将II类图层数据中每条河流线段的河流ID信息导入事件表中，设定Mbeg＝W-1，Mend＝W，并根据该河流线段的分段总数，将河流ID信息拷贝N条，对河流线段分段后形成的N条小线段进行赋值，得到事件表E2；
[0088] 赋值公式为：ValII＝Sw+[(Sw+1-Sw)/N]×W；
[0089] 式中，ValII表示每个小线段被赋予的实时水质监测数据业务值；Sw表示每个小线段实际上游水质监测站的实时水质监测数据业务值；Sw+1表示每个小线段实际下游水质监测站的实时水质监测数据业务值；N表示每条河流线段的分段总数，N≥50；W表示小线段的序列号，由1到N；
[0090] 将步骤(6-1)获得的事件表E1和步骤(6-2)获得的事件表E2进行合并，得到总事件表E；
[0091] (7)动态分段：根据事件表E中的Mbeg和Mend以及河流图层数据B中设置的线性参考参数值M，利用GIS线性参考动态分段技术，将河流图层数据B中的河流线段由M值按Mbeg和Mend动态分段成事件表中的小线段；
[0092] (8)渲染：根据各河流线段赋值后的实时水质监测数据业务值的大小，对区域内具有至少一个水质监测站点的河流进行实时水质监测数据的连续动态渲染，连续动态渲染的渲染值为500，最终得到反映河流水质动态分布的渲染图(分别以水质常规指标电导率和综合指标氨氮为例，如图1和图2所示)。
