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基于GIS的灌区土壤投入品残留污染监测预警系统.pdf
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1、西 安 工 程 大 学 学 报J o u r n a l o f X ia n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y 第3 8卷第2期(总1 8 6期)2 0 2 4年4月V o l.3 8,N o.2(S u m.N o.1 8 6)引文格式:马海霞,郭全恩,展宗冰,等.基于G I S的灌区土壤投入品残留污染监测预警系统J.西安工程大学学报,2 0 2 4,3 8(2):1 0 9-1 1 5.MA H a i x i a,GUO Q u a n e n,Z HAN Z o n g b i n g,e t a l.G I S b a s e d
2、m o n i t o r i n g a n d w a r n i n g s y s t e m f o r r e s i d u a l p o l l u-t i o n o f s o i l i n p u t s i n i r r i g a t i o n a r e a sJ.J o u r n a l o f X ia n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y,2 0 2 4,3 8(2):1 0 9-1 1 5.收稿日期:2 0 2 3-0 7-1 2 修回日期:2 0 2 3-1 1-1 2 基金项目:甘肃省科技计划项
3、目资助(2 3 Y F NA 0 0 3 1,2 1 Y F 5 NA 1 4 9)第一作者:马海霞(1 9 7 9),女,助理研究员。通信作者:展宗冰(1 9 7 4),男,副研究员,研究方向为作物栽培、农业科技管理等。E-m a i l:m a h a i x i a m h 1 6 3.c o m基于G I S的灌区土壤投入品残留污染监测预警系统马海霞1,郭全恩2,展宗冰2,刘强德1,白玉龙1,杨 城1(1.甘肃省农业科学院 农业经济与信息研究所,甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0;2.甘肃省农业科学院,甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0)摘要 为了解决工业发展导致的灌区土壤投入品残留污
4、染问题,给出一种基于地理信息系统(g e o-g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m,G I S)的土壤污染监测预警系统。该系统结合VO C-P F 1型传感器、S TM 3 2主控芯片和G S M通信模块,实现了高效的数据采集和通信功能。通过反距离加权(i n-v e r s e d i s t a n c e w e i g h t e d,I DW)插值法进行空间分析,并设立预警阈值,实现对灌区土壤投入品残留污染的实时监测和预警。实验结果表明:该系统的监测精度高达9 8%,监测时长最高为4 9 s,具有很高的实用性和效率。研究结果不
5、仅为灌区土壤投入品残留污染监测提供了有效手段,也为环境保护和农业可持续发展提供有力支持。关键词 地理信息系统;灌区土壤投入品残留;污染监测预警;反距离加权插值开放科学(资源服务)标识码(O S I D)中图分类号:S 2 7 3.5;T N 9 1 9.5 文献标志码:AD O I:1 0.1 3 3 3 8/j.i s s n.1 6 7 4-6 4 9 x.2 0 2 4.0 2.0 1 4G I S b a s e d m o n i t o r i n g a n d w a r n i n g s y s t e m f o r r e s i d u a l p o l l u t
6、 i o no f s o i l i n p u t s i n i r r i g a t i o n a r e a sMA H a i x i a1,G U O Q u a n e n2,ZHAN Z o n g b i n g2,L I U Q i a n g d e1,B A I Y u l o n g1,Y ANG C h e n g1(1.I n s t i t u t e o f A g r i c u l t u r a l E c o n o m i c s a n d I n f o r m a t i o n,G a n s u A c a d e m y o f A
7、 g r i c u l t u r a l S c i e n c e s,L a n z h o u 7 3 0 0 7 0,C h i n a;2.G a n s u A c a d e m y o f A g r i c u l t u r a l S c i e n c e,L a n z h o u 7 3 0 0 7 0,C h i n a)A b s t r a c t T h i s a r t i c l e a i m s t o s o l v e t h e p r o b l e m o f r e s i d u a l p o l l u t i o n o f
8、 s o i l i n p u t s i n i r r i g a t i o n a r e a s c a u s e d b y i n d u s t r i a l d e v e l o p m e n t,a s o i l p o l l u t i o n m o n i t o r i n g a n d e a r l y w a r n i n g s y s t e m b a s e d o n g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m(G I S)w a s p r o p o s e d.T
9、 h e s y s t e m c o m b i n e d a VO C-P F 1 s e n s o r,a n S TM 3 2 m a s t e r c h i p,a n d a G S M c o mm u n i c a t i o n m o d u l e t o a c h i e v e e f f i c i e n t d a t a c o l-l e c t i o n a n d c o mm u n i c a t i o n f u n c t i o n s.T h e s p a t i a l a n a l y s i s w a s c a
10、 r r i e d o u t b y t h e i n-v e r s e d i s-t a n c e w e i g h t e d(I DW)i n t e r p o l a t i o n m e t h o d,a n d t h e e a r l y w a r n i n g t h r e s h o l d w a s e s t a b l i s h e d t o r e a l i z e t h e r e a l-t i m e m o n i t o r i n g a n d e a r l y w a r n i n g o f s o i l
11、i n p u t r e s i d u a l p o l l u t i o n i n t h e i r r i g a t i o n a r e a.T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e m o n i t o r i n g a c c u r a c y o f t h e s y s t e m i s a s h i g h a s 9 8%,a n d t h e m o n i t o r i n g t i m e i s u p t o 4 9 s,w h i c h h
12、 a s h i g h p r a c t i c a b i l i t y a n d e f f i c i e n c y.T h i s s t u d y n o t o n l y p r o v i d e s a n e f f e c t i v e m e a n s f o r t h e m o n i t o r i n g o f s o i l i n p u t r e s i d u e p o l l u t i o n i n i r-r i g a t i o n a r e a s,b u t a l s o p r o v i d e s s t
13、 r o n g s u p p o r t f o r e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a n d s u s t a i n a b l e a g-r i c u l t u r a l d e v e l o p m e n t.K e y w o r d s g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m(G I S);r e s i d u a l s o i l i n p u t s i n i r r i g a t i o n a r e a s;p o
14、l l u t i o n m o n i t o r i n g a n d w a r n i n g;i n v e r s e d i s t a n c e w e i g h t e d(I DW)i n t e r p o l a t i o n0 引 言 植物的生长离不开土壤,土壤是保证地球绽放生命力的前提条件。从生态学分析土壤,土壤是物质分解的重要场所,也是物质循环的重要组成部分。在耕地面积锐减的情况下,人们不得不采取相应的措施来获取更多的植物果实,例如:农民普遍使用农药和化肥等投入品。虽然这些方式提高了作物产量,但这些投入品在使用过程中可能会残留在土壤中,并逐渐积累。投入品
15、残留污染对土壤和环境有一系列潜在的负面影响。文献1 提出基于G I S和统计学的土壤监测指标时空变化分析,它可能导致土壤生态系统的失衡,破坏土壤微生物群落的多样性和功能,对土壤生态系统造成不可逆的损害。文献2 在土壤环境质量监测中对有害化学物残留及含有量检测分析,投入品残留污染可能被农作物吸收并进入食物链,最终对人类健康产生潜在风险。此外,投入品残留污染还可能降低农产品的质量和安全性,甚至超过安全标准,对农业可持续发展构成挑战。长期以来,这种残留污染问题受到了越来越多的关注。因此,为了对土壤进行治理,保护环境和人类健康,确保农产品的安全和质量,灌区土壤投入品残留污染监测成为必要的措施。通过对灌
16、区土壤中投入品残留的监测,可以及时发现和评估潜在的污染问题,保障农产品的质量和安全。许多相关研究人员对该方面进行研究,文献3 研究了土壤环境中有害化学物残留及含量监测,通过综合应用土壤样品预处理、有害化学物残留检验和有害化学物残留测定这3个环节,开发了一种全新的检测方法。文献4在工业园区设计了一套综合性的土壤污染监测系统。但是上述方法在进行采样点位布置时,覆盖不全面,使得土壤污染未能被全面评估。G I S是一种用于收集、管理、分析和展示地理数据的技术和工具5。对此,本文提出基于G I S的灌区土壤投入品残留污染监测预警系统的研究,构建了一个将VO C-P F 1型传感器、S TM 3 2主控芯
17、片的数据采集模块、G S M通信模块,I DW插值法的空间分析与自设阈值的污染预警判断软件等融为一体的土壤污染监测预警系统,有助于保护土壤环境、提高农产品质量安全,提高土壤的检测工作,促进农业可持续发展,并为决策和管理提供科学支持,从而带来诸多好处。1 污染监测预警系统总体架构G I S具有数据整合和可视化、空间分析和模型构建、监测网络规划与优化等功能6-7。如图1所示,基于G I S的灌区土壤投入品残留污染监测系统主要由传感器模块、数据采集模块、通信模块和远程监测软件4部分组成8。图 1 土壤污染监测预警系统总体架构F i g.1 O v e r a l l a r c h i t e c
18、t u r e o f s o i l p o l l u t i o n m o n i t o r i n g a n d e a r l y w a r n i n g s y s t e m图1中,传感器模块负责采集土壤环境或物理量的数据,通过传感器模块获取实时的土壤数据。数据采集模块负责将传感器模块采集到的数据进行转换与存储,使其适合后续使用,并确保数据的准确性和可靠性,将经过处理的数据保存在存储介质中,可以随时进行访问和分析。通信模块负责将存储的数据传输到系统中,实现数据共享和远程监控9-1 0。远程监测软件主要是从服务器中下载数据,并通过G I S的空间分析和监测模型对采集的数据
19、进行分011 西安工程大学学报 第3 8卷析,然后通过阈值预警模型进行预警1 1。另外,针对灌区农田供电不便,该系统利用太阳能供电系统为整个监测设备提供不间断的能量来源,降低了人工对电池的维护成本,提高了系统运行效率。1.1 系统硬件设计1.1.1 数据采集模块在进行土壤数据采集时,使用VO C-P F 1型传感器可以实时监测土壤情况,这对于土壤污染监测、农田管理、环境评估等方面都具有重要意义1 2-1 3。可用 于 检 测 的 气 体 包 括 挥 发 性 有 机 化 合 物(VO C s)、氨 气(NH 3)、甲 烷(CH4)、二 氧 化 碳(C O2),且该传感器工作温度在-2 01 2
20、0 之间。数据采集模块是硬件设计中的核心,如图2所示为数据采集模块结构。图 2 数据采集模块结构F i g.2 D a t a a c q u i s i t i o n m o d u l e s t r u c t u r e图2中,S TM 3 2核心处理器作为数据采集模块的主控芯片,负责处理和控制各个模块之间的通信和协调工作。太阳能供电模块主要作用是提供电源给数据采集模块,通过太阳能光伏电池板将光能转化为电能,以满足模块的工作需求1 4;电压转化模块主要是将太阳能供电模块提供的电压进行适当的转换,以供给其他模块所需的电压;半导体传感器是用于检测周围环境中的气体浓度等参数,并将采集到的数
21、据传输给S TM 3 2核心处理器进行处理和存储;时钟管理芯片负责管理数据采集模块的时钟系统,确保模块的时间同步和稳定运行;液晶显示器用于显示数据采集模块采集到的数据或其他相关信息,方便用户进行观察和操作;模数转换器(A D C)将从传感器模块接收到的模拟信号转换为数字形式,以便进行数字信号处理和存储1 5;S P I F l a s h存储芯片通过S P I接口与S TM 3 2核心处理器连接,并提供非易失性存储功能。1.1.2 通信模块全球移动通信系统(g l o b a l s y s t e m f o r m o b i l e c o mm u n i c a t i o n s,
22、G S M)可以实现互联网连接和基本的数据传输功能,且G S M能够使用加密算法对通信进行保护,确保数据的安全性。G S M模块主要由S I M 8 0 0 C核心处理器、S I M卡托模块、G S M天线、U S B转串口CH 3 4 0芯片、信号调制电路等组成1 6。G S M模块结构如图3所示。图 3 G S M模块结构F i g.3 G S M m o d u l e s t r u c t u r e图3中,将S I M 8 0 0 C核心处理器、S I M卡托模块、G S M天线、U S B转串口CH 3 4 0芯片和信号调制电路连接到适当的电源和电路中,确保供电正常,并建立相应的
23、硬件连接。将有效的S I M卡插入G S M模块的S I M卡托模块中,确保S I M卡正确插入。通过串口将G S M模块的S I M 8 0 0 C核心处理器与U S B转串口CH 3 4 0芯片连接起来。通过串口,可以发送和接收AT指令来配置模块的参数和进行通信操作1 7。在开始通信之前,通过发送适当的AT指令来初始化S I M 8 0 0 C核心处理器。这些指令可以包括设置波特率、网络设置、安全设置等。使S I M 8 0 0 C核心处理器搜索并连接到可用的G S M网络。一旦成功连接到网络,就可以开始进行通信操作。通过配置适当的AT指令建立G P R S连接进行数据传输。在通信过程中,
24、可能会遇到各种异常情况和错误。S I M 8 0 0 C核心处理器可以提供相应的状态和错误码,通过监听串口来获取通信状态和错误信息,并进行相应的处理。1.2 系统软件设计1.2.1 基于G I S的灌区土壤空间分析在实际监测中,土壤样本通常只能在有限的采样点上进行,而且采样点之间的距离可能较远。通过空间插值方法,可以推算出采样点之间的数值,填补数据的空缺部分,生成连续的土壤属性表面。通过插值生成的连续表面,可以直观地展示土壤属性在空间上的分布情况。这有助于快速识别出高浓度区域、污染源附近的受影响区域等,生成连续的土壤属性表面后,可以进行更精细的空间分析,通过分析表面上的数值范围和空间分布,可以
25、更好地理解土壤属性的分布特征,从而有助于合理设定阈值。111第2期 马海霞,等:基于G I S的灌区土壤投入品残留污染监测预警系统I DW插值法是一种常用的空间插值方法,用于根据已知点的属性值推导未知位置的属性值1 8。其表达式为Z(x,y)=(wizi)/wi(1)式中:wi为待插值点到已知点i的权重;zi为已知点i的属性值。设置邻域半径差值参数:以控制I DW插值法的插值结果的平滑程度和精细度,以满足具体的需求和数据,特征邻域半径差值参数的设置可以通过权重函数来实现,则I DW函数的表达式为1 9wi=1/(dip)(2)式中:di为待插值点与已知点i之间的距离;p为邻域半径差值参数。整理
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- 基于 GIS 灌区 土壤 投入 残留 污染监测 预警系统
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