WebGIS 與WSN 的林區火險監測系統設計*

吳 楠

(陜西學前師范學院 計算機科學與技術系，陜西 西安710100)

0 引 言

森林火災是突發性強、危害較大的一種災害，常給森林資源造成巨大的損失。據統計，全球每年遭受的森林火災多達幾十萬起，受災面積幾百萬公頃，約占地球森林總面積的0.1%. 據相關部門統計，在中國1950—1977 年共發生大小森林火災67 萬次，平均每年發生高達1.43 萬次，受害森林面積82.2 萬公頃［1］。森林火災一旦發生，就會毀滅大量的林木，同時還會對當地生態環境造成巨大的危害。由于一般性森林面積都較大，樹木容易燃燒，火災發生時都難以控制和撲滅，如何對林火的發生進行預報和預測，就成為迫切需要解決的一個重要課題。當前中國各級氣象部門發布的森林火險天氣預報和一些地區發布的森林火險預報的空間位置較粗略、時效性較差，不能滿足各級森林防火工作的實際需求［2］。隨著地理信息系統(GIS)技術的發展，其在森林防火中的應用已嶄露頭角，GIS 采用了面向對象服務的設計思想，實現了面向空間實體及其關系的組織、高效海量空間數據的存儲與索引、三維實體建模和分析。

萬維網地理信息系統(WebGIS)是Web 技術和GIS 技術相結合的產物，是基于“客戶機/服務器”體系結構的分布式GIS 系統［3］，它使得GIS 的空間數據集成、查詢、分析和發布等功能能夠在互聯網上進行，能夠在互聯網上的任意一個節點瀏覽WebGIS 站點中的空間數據，制作專題圖以及進行各種空間檢索和分析。

無線傳感器網絡(WSN)，是近年來隨著無線通信技術、傳感器技術以及微機電技術的發展和相互融合而產生的一種自組織網絡，它是由部署在所監測區域內的大量微型傳感器節點組成［4］，該網絡中的每個節點通過無線通信的方式，形成一種多跳自組織系統，其最終目標是協作地感知、收集和處理所覆蓋區域中監測對象的信息，比如經常使用的溫度、濕度、噪音、光強、有害氣體濃度等數據信息，并以無線射頻的方式發送出去。

筆者將WebGIS 與WSN 有機的結合在一起，在林區范圍內布置大量的傳感器節點，將采集到的實時數據傳送給網絡信息系統平臺，并以電子地圖的形式展示給用戶，以實現對重點林區的全天候不間斷的實時監測。

1 ARCGIS SERVER 系統

1.1 ARCGIS SERVER 概述

ArcGIS Server 是一個建立企業級GIS 應用程序的平臺，它實行集中化的管理，支持多用戶，包括高級的GIS 功能，使用工業標準創建，相較于其他服務器技術，它不僅實現了GIS 資源共享，而且提供資源內含GIS 功能的訪問。開發者基于Arc-GIS Server 可以構架Web 應用、Web 服務以及其他運行在標準的.NET 和J2EE Web 服務器上的企業級應用［5-11］。ArcGIS Server 以集中服務器應用方式管理了復雜的GIS 功能，如地圖、定位以及軟件對象［12］，它可以宏觀的看作三大部分:一部分是GIS Server，GIS 服務所需的服務器軟件產品都由它提供，其中包括管理和發布地圖服務，以及定位服務等;另一部分是ADF(Application Developer Framework，應用程序開發框架)［13］，它是用來開發和部署基于GIS Server 架構的網絡應用程序產品，其中包括組件對象、Web 控件、Web 模板和開發幫助等;另外它還有一個Web 程序的公共運行時，專門用于發布和部署使用ADF 開發的Web 程序。

1.2 ArcGIS Server 運行機制

ArcGIS Server 是一個包含多個部件的分布式系統，可同時分配至多臺計算機中。在對象管理、負載平衡等過程中ArcGIS Server 的各個部件分別發揮一定的作用［14］。它由以下4 大部分組成

1)GIS 服務器:裝載并運行服務器對象。GIS服務器包含一個對象管理器(SOM)、一個或多個對象容器(SOC)。

2)Web 服務器:裝載Web 應用以及Web 服務。

3)Web 瀏覽器:可以看作客戶端，使用者能夠連接運行于Web 服務器上的Web 應用。

4)桌面應用程序:通過HTTP 協議連接運行在Web 服務器中的ArcGIS Web 服務。

2 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡由ZigBee 節點、Sink 網關、遠程GPRS 數據傳輸以及數據監控中心4 部分構成。

2.1 ZigBee 節點

Zigbee(全新無線網絡數據通信)技術是隨著工業自動化對于無線通信和數據傳輸的需求而產生的，經過人們長期努力，Zigbee 協議在2004 年正式問世，它是一個由65 000 多個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺。Zigbee 網絡主要是為自動化控制數據傳輸而建立，每個Zigbee 網絡節點不僅本身可以與監控對象相關聯，它還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據信息［5］;每個Zigbee 網絡節點可以支持多至31 個傳感器和受控設備，每一個傳感器和受控設備可以有8 種不同的接口方式。可以同時采集和傳輸數字量及模擬量。

圖1 Sink 節點硬件組成Fig.1 The form of sink node hardware

ZigBee 節點的主要功能是負責收集、處理和壓縮數據，同時還可以中轉其它節點收集到的數據包，并將數據包發送出去。它是由數據采集單元(傳感器)、數控單元(微處理器、存儲器)、無線通信單元(無線收發器)和供電單元(電池)4 大部分組成［6］。ZigBee 節點具有以下優缺點，如價格低廉、安裝簡易、工作可靠，可布置節點密度高等優點，但節點的計算和存儲能力有限、電量有限、節點間的通信單跳距離通常只有幾十到幾百米等不足之處。

2.2 Sink 網關

Sink 網關是無線網絡中常用的一種網關，它的主要作用是匯聚前端ZigBee 節點數據、協議轉換以及遠程數據傳輸。Sink 網關硬件組成如圖1所示，它以高性能嵌入式ARM-PXA270 520MHx 芯片為核心，內置WinCE/Linux 系統，同時該網關帶有良好的可視化圖形界面，以及豐富的GPRS 和CDMA 等遠距離無線數傳設備接口資源。本設計選用了某公司開發的高性能嵌入式硬件平臺——270 S，作為林區火險監測系統中的Sink 網關。

2.3 遠程數據傳輸

GPRS/CDMA 是基于GSM/CDMA 移動網絡的數據傳輸服務，其具有低成本、高效率的特點［7］。監測區域的網關節點將所采集到的ZigBee 節點信息，通過RS-232 標準串口，以數據包的形式發送給前端數傳設備DTU(Data Transmit Unit)。前端數傳設備接收到數據包后，在不改變數據包任何封裝形式的前提下，通過基站網絡實時發送到客戶端數傳設備。數據中心的服務器通過上位機軟件對接收到的數據包進行解包［5］，同時將ZigBee節點的監測信息分類存儲在數據庫中，比如:節點類型、包頭信息、數據包字節數、跳數、傳感器數據等。

2.4 數據監控中心

數據監控中心的服務器是通過Microsoft SQL Server 2005 與ArcGIS Server［15］搭建的，在對數據進行存儲的同時，還可以對用戶提供基于以太網的訪問，達到林區火險監測系統的應用要求，具體內容將在下節敘述。

3 系統設計

本系統設計分為硬件平臺和軟件平臺2 部分。

3.1 硬件平臺

系統硬件平臺結構如圖2 所示。Zigbee 無線傳感器網絡終端節點分為Zigbee 監測節點和Sink網關節點兩個部分。網關節點將采集的數據打包處理后，通過RS-232 接入GPRS 通信模塊。經過UDP/IP、PPP 協議封裝后發送至GPRS 網絡，通過GPRS 數據網絡將數據傳輸到監控中心，由監測中心的計算機接收并進行數據處理。

在該硬件平臺上開發設計了林區火險監測系統實時發布子模塊，本系統空間數據統一存儲在Geodatabase 中，實時火險數據信息統一存儲在Oracle中，數據監控中心通過安裝ArcGIS Server ADF 運行時來部署網絡應用程序，實現系統的各種功能。

圖2 系統硬件平臺結構Fig.2 The platform structure of hardware system

3.2 軟件平臺

本系統軟件分成2 個部分:終端軟件和監測中心軟件。

終端軟件主要功能是監視無線傳感器網絡的運行狀態并上傳數據，運用的系統是linux 操作系統，它具有可高度靈活定制的內核，其主要任務是用來定時讀取采集數據、經GPRS 發送數據、接收并執行來自遠端PC 的命令。

監測中心軟件的主要功能是負責數據接收、存儲、查詢、呈現等，其采用的是面向對象理念和模塊化的設計方法，并根據不同的需求將相應的功能都封裝成互相獨立的模塊，下文重點介紹監測中心Web 地圖服務實現及其主要的功能。

Web 地圖服務的實現過程就是將大家熟知的GIS 功能作為一個Web 服務來提供給外界，這樣才能允許通過網絡訪問地圖里提供給用戶的那些顯示、漫游和縮放等功能［11］。Web 地圖服務是以最新的B/S 模式作為基礎［16］，將C/S 模式里的服務器分解，分解后有一個數據服務器和一個或是多個應用服務器，從而構成了一個3 層結構體系，3層結構Web 地圖服務系統結構如圖3 所示。

圖3 3 層結構Web 地圖服務系統結構示意圖Fig.3 Diagram of three layer structure of Web map service system structure

第一層:客戶層(客戶端)，包括客戶端瀏覽器，該瀏覽器將HTML 代碼轉換為圖文并茂的網頁，從而提供一定的交互能力。客戶端通過局域網，經身份認證后登陸該系統。允許用戶輸入處理要求，提交給第二層應用服務器。

第二層:應用層(應用服務器)，包括Web 服務器、數據庫服務器和GIS 服務器。當客戶層提出請求之后，應用層，也就是應用服務器將啟動相應的進程響應，之后會生成一串動態HTML 代碼。

本系統Web 應用服務器采用Weblogic 10.3，Web 層的主要功能是視圖功能，它主要通過JSP 動態頁面實現。其中GIS 功能里的控件就是通過調用ArcGIS Server Web 應用開發框架(ADF)預先制定好的的Web 控件來實現。Web 控件主要包括有

1)地圖控件(Map Control)，它實現的功能是電子地圖的放大、縮小和漫游等;

2)工具欄控件(Toolbar Control)，它實現的功能是加載工具控件與實現工具，也能加入自定義工具。

Web 頁面上的非GIS 標準功能組件，是采用JSF 提供的HTML 標簽和核心標記庫來實現輸入、輸出框等。

第三層:數據層(數據庫)，包括屬性數據庫、空間數據庫和業務數據庫。數據層負責數據的存儲、響應和更新處理。系統通過ArcGIS SDE 9.3將空間數據導入到Oracle 10G 中［17］，其中對空間數據的管理則是由ArcGIS SDE 9.3 和Oracle10 G共同實現，數據的存取是通過服務對象的調用實現的。當客戶端發生請求時，Web 層采用控制器將空間業務邏輯進行分離，通過proxy object(代理對象)訪問GIS 服務器上的服務對象(Server Object)［18］。數據服務器是在客戶請求后獨立進行處理，再將數據庫結果反饋到應用服務器上，最后傳回到客戶端，從而完成了整個請求和應答過程。

3.3 系統主要功能

該林區火險監測系統擬以基礎地理數據、監控設備運行狀態數據、火險探測采集數據為基礎，采用直觀高效地方式展示監測設備的運行狀態、火險監測數據，以電子地圖的形式綜合顯示林區火險情況及報警信息等。林區火險檢測系統主要功能描述見表1.

表1 林區火險檢測系統主要功能描述Tab.1 Description of main function in forest fire detection system

4 結 論

在森林火災頻發的今天，加之險情一旦發生就很難控制，如何對林火的發生進行預報和監測，已成為目前迫切需要解決的一個重要課題，在介紹ArcGIS Server 和無線傳感器網絡技術基礎上，突破了大量技術難點，旨在將基于WebGIS 開發的軟件信息平臺與基于WSN 的林區火險監測硬件環境進行融合設計與實現，通過實驗樣機的反復測試和試運行，最終取得了良好的模擬預警效果。測試結果表明，該系統具有對重點林區的火險情況進行實時監測和火險預警功能，可以為相關職能部門提供決策支持和信息發布服務，具有較好的應用前景。

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