傳感器技術在GIS系統中的應用情況分析

GIS系統與傳感器技術的融合的產物是由萊斯馳所提出的實況地理學。實況地理學實現了地理環境數據的實時采集、處理、分析與應用，也是地理控制動態數據獲取的重要手段。實況地理學與地理控制改變了許多傳統地理學應用模式，將給GIS帶來廣泛的影響。

【關鍵詞】傳感器技術 GIS 應用 分析

在第三次科技革命中，計算機技術的跨越式進步也給GIS技術的廣泛應用提供了技術支持。GIS技術是一個采集、存儲、管理、分析、描述和應用整個或部分地球表面與空間地理分布有關的數據信息的計算機系統，這個系統是對之前的升級，其突出的表現是在于將硬件、軟件、數據和用戶四大要素進行了很好的融合。系統的建立是為獲得地理空間數據，并且對數據進行編輯、管理、分析、統計和制圖等等。

上世紀60年代，美國和加拿大首先研發GIS技術，其后大批國家步入到研發行列。時至今日，該技術已經應用到城市規劃、市政管理、政府管理、資源調查、環境評估、災害預測、國土管理等與地理信息相關的幾乎所有領域。并將為今后的社會進步和發展做出更大貢獻。

1 GIS系統的構成及原理介紹

GIS技術由五個主要元素所組成：硬件、軟件、數據、人員和方法（流程圖見圖1）。所謂硬件就是指該系統操作所使用的物理設備，設備主要包括計算機；所謂軟件，首先要了解軟件的作用，軟件就是實現對采集的數據進行存儲，并且能自動分析數據，最終通過分析達到顯示地理信息的作用。了解其功能作用之后還需要對軟件本身的構成有一個初步的概念，軟件中主要的部分對收集信息進行處理的工具、數據庫管理系統、為用戶進行查詢的工具；數據是整個系統最為重要的部分，是整個系統的靈魂和存在的最終價值；人員主要是指GIS系統的應用人員；方法也可以稱為模型，在整個系統中起到骨架的作用，是指系統在系統運行過程中所使用的技術手段，解決方案。

GIS系統解釋開來就是通過電腦對收集的數據進行儲存并且處理的一種技術手段和工具。在利用計算機的前提下將得到的各種信息和參數按照一定的標準并以固定的格式進行數據的分析，處理。其最終是為需要它的人造福。信息在傳送到用戶面前的是圖形和圖片等直觀具體的東西。也就是說數據的使用對用戶來說并不是一件難事。

2 傳感器技術的介紹

所謂傳感器，是指能感覺規定的被測量，并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常是由敏感元件和轉換元件組成，敏感元件是指傳感器中能直接感受或相應被測量（輸入量）的部分；轉換元件是指傳感器中能將敏感元件感受的或響應的被探測量轉換成適于傳輸和測量的電信號的部分，見圖2。

傳感器的種類繁多，功能各異，有不同的分類。按照傳感器所用的方向的不同，所謂的方向是諸如力學熱量，磁等分為眾多種類。這也從側面說明了傳感器在應用范圍的廣泛性。傳感器發展至今已經經歷了三代的演進。其中第一代的原理是通過結構參數的波動，通過傳感器對波動的數值進行感應，并在感應后將其轉化為信號。第一代的名字叫做結構型傳感器；第二代傳感器是70年代興起的，由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成的固體傳感器；發展到現在是第三代傳感器，也稱為智能傳感器。

傳感器技術在未來人類生活的四個方面起到巨大的推動作用：首先是工業制造業，傳感器技術將改變之前工業革命期間給工作人員造成的惡劣環境，現代的傳感器技術為人們在工業制造過程中及時獲知信息、發現問題提供了更多的先決條件；其次是醫學衛生領域，在傳感器的幫助下，醫生可以最為直觀地觀測到病人的真實情況；第三是安全防范領域，傳感器的出現能最大限度的避免事故的發生，一旦發生異常情況，該系統可以向相關人員及時尋求救助；最后市可穿戴式運動設備，傳感器可以矯正人們的運動姿勢，并且能夠捕捉運動中人體信息，為不同人群運動提供最適合自身的運動規律。

3 傳感器技術在GIS系統中的應用情況分析

傳感器技術在近些年迅速發展，其應用的領域也在不斷擴大，科技人員充分發揮其在數據采集中的技術，開始在地理和環境數據采集、管理和分析中發揮重要作用。我們可以看到，傳感器技術在GIS未來發展中所占有的重要地位。

傳感器應用到GIS技術當中并不是在最近幾年才開始流行的。早在上世紀末，美國的一家報紙上就刊登了一篇題為“地球將鋪上一層電子皮膚”的文章。這篇文章的作者認為，在不久的將來，地球表面將會有一層“電子皮膚”。所謂的“電子皮膚”當然是虛指，其真正的含義是在地球表面通過電子測量裝備嵌入到其中，將設備所獲得的數據信息通過網絡來感知。這種工作原理很大程度上類似于攝像機、心電圖。這里所要檢測的數據包括城市環境，大氣層甚至于在馬路上飛奔的汽車也在檢測的行列里。這樣的大規模數據收集和分析最終也是為解決復雜的計算問題。

目前，傳感器技術已滲入到人們日常的生活之中，特別是物聯網的興起，將更加激發這一技術的發展，UN-GGIM估計，到2020年世界將有500億個傳感器聯網應用。尼爾·葛洛斯的“地球電子皮膚”這一概念正在逐步變為現實。

2009 年，萊斯馳在其博士論文中就提出了實況地理學的概念。他和他的合作者認為傳感器網絡能夠幫助GIS系統獲取地理環境信息，并對信息進行分析處理。這種技術方式被他們稱之為實況地理學。在此之后，雖然其概念使用頻率并不甚高，但就其研究內容已經逐步形成了一套技術體系，并且在眾多領域得到應有。隨著研究的深入，費舍爾開始就實時地理學提出其含義：對當前人類活動以及所處的地理環境信息采集，將采集的數據與專業人員進行共享的過程。當前人們已經認識到傳感器在GIS系統中的應用為其帶來的顯著技術進步。

城市環境監測就是實況地理學技術方法的應用范例，為進一步了解該技術，我們需要進一步認識檢測的整個過程，簡單來說就是通過傳感器收集所需要的數據，再對數據進行進一步的處理，對其中的數據進行融合，建立一個數據模型，將檢測的數據以圖形圖像等形式呈現在用戶面前。這一工作的重點在于要將異質數據在服務器端進行集成；還有一點就是需要將獲得的數據放在數據集成服務器上進一步處理，融合，然后才能進行下一步的數據分析，以便完成其服務功能，如圖3。

通過上面的研究我們可以看到，所謂的實況地理學簡單的理解來就是傳感器技術在GIS中的應用。實況地理學就是通過傳感器網絡進行數據的收集、融合、處理、最終通過圖形圖像等形式將數據展現在人們面前的學科。當然實況地理學不僅僅是GIS技術與傳感器技術的融合，這里涉及到多個技術門類。在實況地理學的整個技術過程中最重要的一步是對數據進行融合并進行實時分析。這一步是整個技術能夠正常使用的關鍵所在，也是保證技術準確度的最重要環節。

傳感器有兩種英文表達方式，一種是Sensor Web ，另一種是Sensor Network。這兩種表達我們從單詞上就可以看到兩者的不同。其區別在于第二個英文單詞上，前一種英文表達主要落腳點在Web上，解釋開來就是將通過傳感器收集的數據實現共享。并且數據的取得如同診斷結果一般能夠對傳感器端點的狀況進行反饋，通過反饋的信息來調整其他傳感器端點的行為；而第二種英文表達是只有之前解釋內容的前一部分功能，而缺乏另一部分反饋的功能。其實，Sensor Web發展到現在，功能不斷強大，同時它是一個開放的體系結構，一切數據都建立在共享的基礎上。

在整個傳感器網絡技術中，數據的標準與共享是其關鍵性的問題，因用處的差異導致傳感器的種類繁多，諸如環境監測影像、航空影像、衛星影像、網絡攝像等，在不同的種類傳感器中彼此之間的標準不同就無法將彼此的監測數據做到共享，為此，開放地理空間信息聯盟（OGC）提出了傳感器使能（SWE -Sensor Web Enablement），并制定了一系列SWE 標準。SWE的出現對于科學研究、環境監測、交通管理等多個方面具有重大的現實意義。

實況地理學在很多方面發揮著重要的作用，比如在環境質量檢測方面，在工業進程不斷加快，環境日益惡化的今天或許該技術的功能更能引起人們的關注。在對環境數據采集分析使用的過程中，很重要的一步是要將傳感器網絡數據和GIS基礎數據等異質或異構數據進行融合。在GIS系統與傳感器技術結合技術在環境檢測的理論研究中，我國眾多科技人員提出了先進的理論，比如郭浩等人對空間位置和視頻空間之間的關聯，實現查詢顯示等功能；李德仁等提出的將可量測的地面實景影像與4D產品集成。

GIS系統的不斷升級也為實況地理學的產生提高技術可能性。因為實況地理學對GIS系統的要求很高。在這樣技術中要求數據的融合，并且進行動態模擬等等。實況地理學發展的前景廣闊，在未來城市發展中有著舉足輕重的地位，該技術有利于構建智慧城市建設和生態城市建設中發揮舉足輕重的作用，直接能夠改變人們的生活方式。因此該技術擁有巨大的市場需求，這也敦促該技術進一步發展。

4 結束語

隨著時代的迅速發展和信息技術水平的不斷提高，對GIS的改革和進展提出了更高的要求，起到了督促作用，傳感器網絡的發展也為傳感器技術應用到GIS系統中提供了必要的技術準備。當代科學家將傳感器網絡與GIS的集成融合發展成為一門學科，并將其命名為實況地理學。這種技術不僅能夠保證地理環境數據的實時采集，并能對數據自動進行處理和分析這也在很大程度上改變了傳統地理學的應用模式。

事實上，現代的科學技術的分支彼此并不是互不相關的，眾多成功的案例表明，兩種技術的融合能夠在很大程度上促進科技的發展，改變人們的認知，同時也通過科學技術改變著人們的生活方式。

參考文獻

[1]馬自強，陳鍇.GPS/GIS與多傳感器技術在智能交能系統中的應用進展[J].測繪科學，2013（01）：53-57.

[2]鐘耳順.地理控制與實況地理學——關于GIS發展的思考[J].地球信息科學學報，2013（06）：63-67.

[3]周樂群，康大寧.3S技術發展現狀及其在資源和環境調查中的應用[J].資源環境與工程，2014（04）：35-38.

[4]馬奎，王博，魏寧等.一種新型碳納米管氣體傳感器的響應特性研究[J].高壓電器，2013（01）：81-84.

[5]王宜永.基于UHF的新型GIS局放傳感器設計[D].西安：西安電子科技大學，2009（01）.

[6]吳秋莉，張煒，俸波.基于抗干擾性分析的UHF與HFCT傳感器集約化應用[J].電工材料，2015（02）：45-48.

[7]樊蕊娣.基于GIS的數據采集管理系統[D].西安：西安電子科技大學，2014（03）.

[8]劉洪正，曲文韜，平海濤.GIS智能化設計研究與應用[J].山東電力技術，2014（05）：58-62.

作者簡介

熊昊然（1997-），男，湖北省宜昌市人。現為長沙理工大學大學本科在讀學生。主要研究方向為電力系統及其自動化。

作者單位

長沙理工大學 湖南省長沙市 410076