基于物聯(lián)網(wǎng)的北京市水土保持監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)升級(jí)與優(yōu)化

摘" 要：隨著智慧水務(wù)建設(shè)的持續(xù)深化，自動(dòng)化和信息化的水土保持監(jiān)測(cè)正逐漸成為該領(lǐng)域發(fā)展的核心內(nèi)容。該研究基于北京市建設(shè)水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的需求，聚合多源北京市水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備按要素統(tǒng)一采集發(fā)送，統(tǒng)一接收、解析和存儲(chǔ)，同時(shí)構(gòu)建北京市水土保持監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)，旨在縮短業(yè)務(wù)人員信息查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析、審核和整編數(shù)據(jù)等工作時(shí)間，提高工作效率。未來(lái)，結(jié)合大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)為北京市水土保持監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化、智能化奠定基礎(chǔ)，具有重要的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水土保持監(jiān)測(cè)；物聯(lián)網(wǎng)；自動(dòng)監(jiān)測(cè)；管理系統(tǒng)；大數(shù)據(jù)

中圖分類(lèi)號(hào)：S157" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）07-0031-04

北京市水土保持工作始于新中國(guó)成立初期，改革開(kāi)放后開(kāi)展了大規(guī)模的水土保持監(jiān)測(cè)實(shí)踐[1]。改革開(kāi)放40年以來(lái)，北京市逐步建立了水土保持相關(guān)機(jī)構(gòu)，積極制定規(guī)劃并展開(kāi)科學(xué)研究工作[2]。在水土保持方面，預(yù)防保護(hù)、生態(tài)治理、監(jiān)測(cè)監(jiān)管工作也在同步發(fā)展。經(jīng)歷了小流域綜合治理、生態(tài)清潔小流域建設(shè)、山水林田湖草沙一體化修復(fù)等發(fā)展階段，水土保持工作在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)中的重要性逐步提升[3]。這些工作顯著改善了北京市的生態(tài)環(huán)境，并構(gòu)建了完善的調(diào)查評(píng)價(jià)、規(guī)劃布局、監(jiān)測(cè)、治理和建設(shè)管護(hù)等技術(shù)體系[4]。2017年，北京市發(fā)布《北京城市總體規(guī)劃（2016年—2035年）》，提出了“堅(jiān)持生態(tài)空間山清水秀，大幅度提高生態(tài)規(guī)模與質(zhì)量”的目標(biāo)，對(duì)水土保持工作提出了更高層次的要求。

2023年，北京市繼續(xù)推動(dòng)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，逐步落實(shí)《北京城市總體規(guī)劃（2016年—2035年）》要求，繼續(xù)對(duì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)和改造。目前，北京市共有15個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)（此處的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)是指以小流域?yàn)榛A(chǔ)劃分的監(jiān)管單元），其中包括10個(gè)坡面徑流場(chǎng)，14個(gè)溝道控制站。坡面徑流場(chǎng)的觀測(cè)指標(biāo)有：土壤理化性質(zhì)、降雨量、降雨強(qiáng)度、徑流量和含沙量等傳統(tǒng)水土流失觀測(cè)指標(biāo)以及部分水質(zhì)指標(biāo)如徑流總磷、總氮、COD等[5-6]。而溝道控制站的觀測(cè)指標(biāo)則包括降雨量、降雨強(qiáng)度、水位和流量等。近年來(lái)，隨著觀測(cè)指標(biāo)的增多，觀測(cè)頻次的加密使得數(shù)據(jù)量陡增，同時(shí)監(jiān)測(cè)管理人員對(duì)觀測(cè)時(shí)效性的要求也日益提高，另外，原有監(jiān)測(cè)設(shè)備的陳舊和多源性使得系統(tǒng)運(yùn)行緩慢。因此，建設(shè)新的高效且美觀的觀測(cè)站網(wǎng)以及整合多源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，重建以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的北京水土保持監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)已迫在眉睫。

1" 聚合多源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

1.1" 設(shè)備現(xiàn)狀

截至2022年，北京市水生態(tài)保護(hù)與水土保持中心所管理的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備包括15套遙測(cè)雨量計(jì)、23套徑流自記儀、30套土壤水分傳感器、11套自動(dòng)徑流泥沙監(jiān)測(cè)設(shè)備和14套水位監(jiān)測(cè)設(shè)備。這些設(shè)備來(lái)自不同的制造商，它們?cè)诮涌跇?biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議以及數(shù)據(jù)接收軟件方面存在差異，給監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的分析與監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)的統(tǒng)一分析展示帶來(lái)極大的困難。為此，需要更換所有站點(diǎn)的RTU設(shè)備，統(tǒng)一分辨率、采集發(fā)送頻率、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

1.2" 數(shù)據(jù)采集的功能與應(yīng)用

數(shù)據(jù)采集器，亦稱(chēng)為RTU（遠(yuǎn)程終端單元）或遙測(cè)終端，是一種集數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與傳輸功能于一體的高效能設(shè)備。該設(shè)備通常與數(shù)據(jù)接收軟件協(xié)同工作，在監(jiān)測(cè)站點(diǎn)與各類(lèi)傳感器設(shè)備相連，負(fù)責(zé)收集傳感器數(shù)據(jù)，并通過(guò)GPRS（通用數(shù)據(jù)協(xié)議）或北斗衛(wèi)星通信技術(shù)將這些數(shù)據(jù)傳輸至中心服務(wù)器的接收軟件進(jìn)行解析和存儲(chǔ)，具體流程詳如圖1所示。

1.3" 多源設(shè)備聚合實(shí)現(xiàn)

鑒于遙測(cè)終端RTU設(shè)備具有聚合多廠商、多要素設(shè)備的功能，實(shí)現(xiàn)多源設(shè)備的聚合可分為以下步驟。

1.3.1" 統(tǒng)一更換RTU設(shè)備

將原有舊的數(shù)采更換為統(tǒng)一廠商的RTU，這邊方便后續(xù)采集、發(fā)送頻率的配置以及數(shù)據(jù)的接收、解析。

1.3.2" 統(tǒng)一設(shè)備通信協(xié)議

相較于RS232協(xié)議，RS485協(xié)議發(fā)送和接收配置靈活、傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)和連接設(shè)備多等優(yōu)勢(shì)。因此，統(tǒng)一將RS232接口通過(guò)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為RS485接口，并將其連接至RTU設(shè)備。

1.3.3" 統(tǒng)一設(shè)備分辨率

一般雨量采用0.5 mm的分辨率即可滿(mǎn)足要求，過(guò)高的分辨率會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)頻繁發(fā)送，RTU電量耗損過(guò)快。因此，統(tǒng)一將0.1、0.2 mm分辨率的雨量計(jì)換為0.5 mm分辨率[6]。其他監(jiān)測(cè)指標(biāo)的設(shè)備分辨率基本一致，無(wú)需調(diào)整。

1.3.4" 統(tǒng)一采集頻率，發(fā)送頻率

①雨量，每增加0.5 mm采集并發(fā)送1次數(shù)據(jù)；②土壤水分，1 h采集并發(fā)送1次數(shù)據(jù)；③水位，有變化5 min采集并發(fā)送1次，無(wú)變化1 h發(fā)送1次數(shù)據(jù)[7]；④徑流泥沙，有變化1 min采集并發(fā)送1次數(shù)據(jù)，無(wú)變化1 h發(fā)送1次數(shù)據(jù)；⑤植被蓋度/覆蓋度，自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)12 h采集發(fā)送1張照片。

1.3.5" 統(tǒng)一數(shù)據(jù)接收、分析、入庫(kù)

在中心機(jī)房部署一套數(shù)據(jù)接收軟件，對(duì)所有RTU發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、解析和存儲(chǔ)。

2" 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

2.1" 原有系統(tǒng)現(xiàn)狀

盡管舊系統(tǒng)目前雖然仍可運(yùn)行，但由于其開(kāi)發(fā)時(shí)間較早，采用的技術(shù)較為陳舊，功能較為單一，難以滿(mǎn)足當(dāng)前業(yè)務(wù)的需求，具體如下。

2.1.1" 功能單一

早期監(jiān)測(cè)主要依賴(lài)人工觀測(cè)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要用于人工填報(bào)和計(jì)算，缺乏數(shù)據(jù)可視化、結(jié)構(gòu)化展示和設(shè)備狀態(tài)預(yù)警等功能。

2.1.2" 技術(shù)陳舊

舊系統(tǒng)采用Python語(yǔ)言編寫(xiě)，相較于Java語(yǔ)言，Python運(yùn)行速度較慢，且動(dòng)態(tài)類(lèi)型可能導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤。同時(shí)，早期前端技術(shù)有限，可視化效果一般。

2.2" 系統(tǒng)架構(gòu)及功能

2.2.1" 系統(tǒng)架構(gòu)

為解決舊系統(tǒng)問(wèn)題，新系統(tǒng)采用了分層架構(gòu)和事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，共包括數(shù)據(jù)采集層、硬件網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)資源層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層和數(shù)據(jù)表現(xiàn)層6層，如圖2所示。

1）數(shù)據(jù)采集層。部署在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的遙測(cè)終端RTU設(shè)備根據(jù)配置的采集規(guī)則，定時(shí)采集或者條件采集數(shù)據(jù)。首先將各個(gè)監(jiān)測(cè)要素的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至內(nèi)存卡中，等待到達(dá)發(fā)送時(shí)間點(diǎn)后把數(shù)據(jù)發(fā)送至中心服務(wù)上。

2）硬件網(wǎng)絡(luò)層。遙測(cè)終端RTU設(shè)備通過(guò)移動(dòng)通信、北斗通信或者有線光纜以HTTP協(xié)議或者北斗通信協(xié)議方式連接至中心機(jī)房的網(wǎng)關(guān)層，再通過(guò)網(wǎng)關(guān)層將數(shù)據(jù)傳遞至服務(wù)器的接收軟件中。由于有線光纜造價(jià)較高，本系統(tǒng)在實(shí)施過(guò)程中未作考慮。

3）數(shù)據(jù)資源層。該層主要是通過(guò)數(shù)據(jù)抽取技術(shù)將接收數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)，進(jìn)行清洗、整理存儲(chǔ)至業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)庫(kù)中，為后續(xù)的數(shù)據(jù)調(diào)用提供支撐。系統(tǒng)采用開(kāi)源關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL作為業(yè)務(wù)庫(kù)。

4）數(shù)據(jù)訪問(wèn)層。該層負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（如數(shù)據(jù)庫(kù)、文件系統(tǒng)等）進(jìn)行交互，執(zhí)行數(shù)據(jù)的讀取、寫(xiě)入和修改操作。系統(tǒng)采用MyBatis來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)，作為一種持久層框架，內(nèi)置JDBC省去了很多加載驅(qū)動(dòng)、創(chuàng)建連接等復(fù)雜過(guò)程。

5）數(shù)據(jù)應(yīng)用層。主要負(fù)責(zé)各系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯處理，作為表現(xiàn)層與數(shù)據(jù)層的中間部分，根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理并達(dá)到數(shù)據(jù)層與表現(xiàn)層之間的數(shù)據(jù)傳遞目的。系統(tǒng)在結(jié)合業(yè)務(wù)需求抽取了8大功能模塊：地圖展示、綜合展示、數(shù)據(jù)填報(bào)、數(shù)據(jù)計(jì)算整編、設(shè)備預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)、水保公報(bào)和系統(tǒng)管理。

6）數(shù)據(jù)表現(xiàn)層。主要負(fù)責(zé)用戶(hù)交互、界面展示。系統(tǒng)在該層中采用Thymeleaf架構(gòu)，模板化定制化，減少代碼冗余。UI采用Bootstrap2.0和LayerUI模板，樣式多樣且美觀，同時(shí)支持深度定制。地圖模塊采用leaflet庫(kù)，開(kāi)源免費(fèi)、輕量易用，交互功能豐富。

2.2.2" 主要技術(shù)

1）Spring MVC框架。Spring Web MVC是基于Servlet API構(gòu)建的原始Web框架，它提供了靈活可擴(kuò)展的MVC架構(gòu)，方便開(kāi)發(fā)者構(gòu)建高性能的Web應(yīng)用程序，并與Spring生態(tài)系統(tǒng)無(wú)縫集成。其中，M代表模型（Model）是應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)邏輯的表示；V代表視圖（View），是用戶(hù)界面的呈現(xiàn)部分，負(fù)責(zé)展示數(shù)據(jù)給用戶(hù)，并接收用戶(hù)的輸入；C代表控制器（Controller），是模型和視圖之間的協(xié)調(diào)者，負(fù)責(zé)接收用戶(hù)的輸入并根據(jù)輸入調(diào)用相應(yīng)的模型邏輯。

2）ETL技術(shù)。ETL（Extract， Transform， Load）是指將數(shù)據(jù)從一個(gè)數(shù)據(jù)源提取出來(lái)，經(jīng)過(guò)一系列的轉(zhuǎn)換處理，最終加載到另一個(gè)目標(biāo)數(shù)據(jù)源的過(guò)程。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，往往存在格式不統(tǒng)一、缺失值、重復(fù)值等相關(guān)問(wèn)題，這些數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)清洗和轉(zhuǎn)換后才能使用，因此需要ETL來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的清洗、整合和傳輸。

3）WebGIS。WebGIS（Web地理信息系統(tǒng)）是一種基于網(wǎng)絡(luò)的地理信息系統(tǒng)，它將地理信息與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，為用戶(hù)提供空間數(shù)據(jù)的可視化和分析功能。

4）工作流（WorkFlow）。工作流（WorkFlow）就是一系列有序的任務(wù)、活動(dòng)或流程，它們按照特定的規(guī)則和條件依次進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)特定的目標(biāo)或結(jié)果。工作流通常包括流程建模、任務(wù)分配、流程執(zhí)行、監(jiān)控和優(yōu)化等功能模塊，可以根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需求和流程特點(diǎn)進(jìn)行定制和配置。

2.2.3" 系統(tǒng)主要功能

功能主要有：地圖展示、綜合展示模塊、數(shù)據(jù)填報(bào)模塊、數(shù)據(jù)計(jì)算整編、設(shè)備預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)、水保公報(bào)及系統(tǒng)管理功能模塊，如圖3所示。

①地圖展示標(biāo)注了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間分布情況、降雨侵蝕力分析等；②綜合展示模塊主要包括控制站、徑流場(chǎng)的基礎(chǔ)及可視化信息、數(shù)據(jù)分析等功能；③數(shù)據(jù)填報(bào)主要是各站點(diǎn)、縣級(jí)、市級(jí)數(shù)據(jù)的填報(bào)和審核功能；④數(shù)據(jù)計(jì)算整編模塊主要是以國(guó)家規(guī)范的格式整編上報(bào)的數(shù)據(jù)，為相關(guān)部門(mén)提交整編報(bào)告提供技術(shù)支持[8]；⑤設(shè)備預(yù)警功能包括電池電壓預(yù)警、數(shù)據(jù)傳輸預(yù)警；⑥歷史數(shù)據(jù)功能為用戶(hù)展示歷史相關(guān)數(shù)據(jù)，并提供下載功能；⑦水保公報(bào)功能展示歷年北京市及區(qū)縣水土保持公報(bào)，并提供下載；⑧系統(tǒng)管理模塊主要是設(shè)置各級(jí)用戶(hù)的基礎(chǔ)信息和權(quán)限等。

2.3" 系統(tǒng)應(yīng)用

新系統(tǒng)自部署運(yùn)行以來(lái)，緊密結(jié)合北京水土保持監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)，取得了顯著成效。截止到2023年底，已接收全市15個(gè)站點(diǎn)的各類(lèi)數(shù)據(jù)35萬(wàn)余條，協(xié)助各區(qū)填報(bào)數(shù)據(jù)396場(chǎng)次，自動(dòng)編制整編表105張，設(shè)備預(yù)警20次。業(yè)務(wù)人員在系統(tǒng)協(xié)助下，縮短了信息查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析、審核和整編數(shù)據(jù)等時(shí)間，極大地提高了工作效率[9]。具體如下。

1）實(shí)現(xiàn)了多源設(shè)備聚合工作，統(tǒng)一了監(jiān)測(cè)要素的數(shù)據(jù)采集發(fā)送頻率，有效提高了數(shù)據(jù)通暢率、正常率，方便了設(shè)備維護(hù)和檢修。

2）根據(jù)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)了8大功能模塊，采用Java語(yǔ)言和前后端眾多框架，有效解決了舊系統(tǒng)的功能單一、技術(shù)陳舊、美觀性一般等問(wèn)題。

3）實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)全面數(shù)字化與規(guī)范化，將原有的2014年至今的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表格、公報(bào)等異構(gòu)數(shù)據(jù)整理入庫(kù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)序查詢(xún)、下載等功能。

4）采用業(yè)務(wù)工作流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)審核和校驗(yàn)。提高了準(zhǔn)確性和審核效率。

5）自動(dòng)計(jì)算整編功能，解決了原來(lái)人工Excel錄入、計(jì)算、排版復(fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題。系統(tǒng)將人工觀測(cè)數(shù)據(jù)和自動(dòng)數(shù)據(jù)分場(chǎng)次自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，并按照國(guó)家規(guī)范進(jìn)行整編排版，使原來(lái)手工計(jì)算、整編的時(shí)間由一周縮短至幾分鐘，極大地提高了工作效率。

3" 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)施RTU更換、統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集發(fā)送規(guī)則等關(guān)鍵舉措，成功地匯聚了多元化的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備資源，實(shí)現(xiàn)了跨廠商、跨要素的設(shè)備數(shù)據(jù)的整合與標(biāo)準(zhǔn)化處理。這一成果不僅為構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)的北京市水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基石，更在推動(dòng)系統(tǒng)升級(jí)與優(yōu)化的過(guò)程中，顯著提升了業(yè)務(wù)效率與用戶(hù)體驗(yàn)。新系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，不僅解決了舊系統(tǒng)存在的痛點(diǎn)，還進(jìn)一步豐富了系統(tǒng)功能，優(yōu)化了數(shù)據(jù)處理流程，顯著縮短了業(yè)務(wù)人員在信息查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析、審核及數(shù)據(jù)整編等環(huán)節(jié)所需的時(shí)間，從而極大地釋放了生產(chǎn)力，提升了工作效率。

展望未來(lái)，將積極探索大數(shù)據(jù)和AI等前沿技術(shù)的應(yīng)用，以進(jìn)一步賦能信息系統(tǒng)在水土保持監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的發(fā)展。這些技術(shù)的融合將有望推動(dòng)監(jiān)測(cè)流程的自動(dòng)化與智能化，從而為提升整個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的響應(yīng)速度、決策效率和精準(zhǔn)度提供強(qiáng)有力的支撐和保障。

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Abstract： As the construction of smart water continues to deepen， automated and information-based water and soil conservation monitoring is gradually becoming the core content of development in this field. Based on the needs of Beijing City to build a soil and water conservation monitoring network and Internet of Things application technology， this research aggregates multi-source equipment from Beijing City Soil and Water Conservation Monitoring Station to achieve unified collection and transmission， unified reception， analysis and storage of equipment according to elements. At the same time， it builds a water and water conservation monitoring information management system for Beijing City， aiming to shorten the working time of business personnel information query， statistical analysis， review， and compilation of data， and improve work efficiency. In the future， the combination of big data and AI technology will lay the foundation for the automation and intelligence of soil and water conservation monitoring in Beijing City， thereby has important application prospects and promotion value.

第一作者簡(jiǎn)介：忻龍玉（1977-），男，工程師。研究方向?yàn)橥寥狼治g與水利、水利信息化系統(tǒng)建設(shè)與產(chǎn)品研發(fā)。

*通信作者：吳東輝（1988-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)橥寥狼治g與水利、水土保持監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)建設(shè)與產(chǎn)品應(yīng)用推廣。