一種在線感知的智慧園林“一張圖”監管方法

王海洋 趙相偉 陶為翔 李 京 李進強

(1. 山東科技大學 測繪與空間信息學院, 山東 青島 266590; 2. 山東省基礎地理信息與數字化技術重點實驗室, 山東 青島 266590; 3. 正元地理信息集團股份有限公司, 北京 101300)

0 引言

近年來,隨著云計算、大數據、物聯網技術的成熟,我國地理信息從“數字化”逐漸走向“智慧化”[1],在人口、經濟、資源、環境、城市建設等多個方面,體現出多層次、多領域、多尺度的特點。智慧園林作為智慧城市的重要組成部分隨著智慧城市的興起而快速發展[2],受到政府的高度重視和人民群眾的廣泛關注。在當前各項新技術應用日趨成熟之際,通過高起點地構建智慧園林頂層設計,高質量、高效率地推進園林的信息化建設工作,能夠實現更透徹的感知、更全面的互聯互通、更深入的智能化目標[3]。目前,我國生態園林建設存在信息碎片化、養護管理難度大、物聯網建設程度低以及數據動態更新維護不及時等系列問題,信息化管理主要停留在園林信息數字化建設階段,沒有形成系統且多數為孤島信息[4],沒有形成一套完整的、多專題的智慧園林監管方法。

針對上述挑戰,本文從地理信息科學與在線感知技術的角度,根據智慧園林管理系統的概念與特點,結合園林相關單位管理現狀和城市園林要素的時空特征,圍繞“一張地圖、多種數據、分類建庫、專題分析”的設計理念,提出一種在線感知的智慧園林“一張圖”監管方法,實現資源整合共享和生態園林管理的系統化、科學化、智慧化,能夠有效、快速地解決園林工作突出難題。

1 “一張圖”數據集成

目前,各城市基于基礎地理數據“一張圖”的建設如火如荼,并建立了完善的運行體系[5]。生態園林數據內容主要包括基礎地理空間數據、物聯網監測數據、業務管理數據,具有數據類別多、數據量大、數據結構復雜等特點。針對數據格式、存儲形式和通信協議多樣的特點[6],在“一張圖”數據集成的建設理念下,采用多時態、多尺度的建庫方法將不同類型數據分類存儲,構建以地理空間數據庫為基礎,以專業共享數據庫、園林網格數據庫、物聯網監測數據庫、編碼數據庫等為主的園林全要素數據倉庫[7],如圖1所示。

圖1 生態園林建設“一張圖”數據集成

(1)對于生態園林空間和屬性數據,本文基于ArcSDE(數據通絡，SDE即Spatial Database Engine)空間數據引擎、Oracle數據庫對數據進行組織和管理,根據園林苗木和責任網格的空間分布特征,建立空間索引和強有力的查詢機制。

(2)物聯網數據具有實時傳輸、時效性強、數據量大的特點,為提高數據檢索與處理的性能,實現數據管理的高可用性和自動伸縮性,本文采用Mongodb非關系型數據庫存儲和管理物聯網數據。

(3)園林業務數據之間存在邏輯上的強相關關系,適用于Oracle關系型數據庫管理。

1.1 空間數據網格化

對地理空間中數據進行采集與管理是地理信息系統(Geographic Information System, GIS)系統應用開發的基礎工作,包括屬性數據和空間數據[8]。本文根據園林單位組織架構,建立地理要素空間上的嵌套關系,通過劃定生態園林基礎空間最小網格單元,對城市園林管理區進行多層級劃分。第一步,使用高精度手持定位終端采集網格邊界空間信息,構建網格多邊形要素;第二步,通過ArcSDE將網格數據存儲在Oracle數據庫中,有利于數據動態更新與維護;第三步,基于ArcMap軟件平臺對網格數據進行拓撲檢查和編輯,為空間數據正確性提供保障;第四步,根據網格級別和歸屬關系不同將網格進行符號化,提高數據可視化水平;第五步,將網格數據發布為要素服務,實現與地圖底圖的疊加。根據地圖比例尺縮放級別的變化,動態展示不同級別空間網格,體現“共享建庫、分級應用”的設計理念。

本文提出了一種“行政區劃代碼+分類識別碼(網格)+科室代碼+順序碼”組合編碼方式,按照管理單位組織架構逐步細化,由多級網格構建多層次網格金字塔。使用高精度手持定位終端采集土壤監測點、視頻監測點、園林苗木等相關Point of Interest點位空間信息并采用“行政區劃代碼+分類識別碼(監測點)+科室代碼+順序碼”編碼方式,將生態園林點要素與空間網格面要素相關聯,實現空間數據網格化[9]。

1.2 實時監測數據

信息通信技術(Information and Communications Technology,ICT)、互聯網、物聯網和感知技術為智慧園林數據獲取提供技術支撐,數據采集涉及文本、圖像、視頻、音頻等多種形式[10-11],主要數據內容包括:土壤生態因子實時監測數據(鹽堿度、溫度、濕度)和園林綠化車輛實時監測數據(速度、油耗、里程、視頻)。

1.3 園林業務數據

業務數據采用Oracle數據庫存儲,按照范式原則構建冗余較小、結構合理的業務數據庫,主要包括系統登錄信息、用戶信息、人員管理、四級網格組織架構、苗木管理、養護記錄、設備管理等生態園林相關業務數據。

2 智慧園林監管方法

本文提出一種在線感知的智慧園林“一張圖”監管方法,基于“互聯網+”思維和移動智能終端、時空數據分析等現代信息技術,在地學規律的指導下,依托WebGIS和移動地理信息系統(Geographic Information System, GIS)技術,構建生態園林管理領域的智慧體系,實現園林數據的檢索、查詢、編輯、數據可視化、智能化分析等功能。探索以地理空間信息為核心、突破城市園林管理壁壘、綜合利用各種技術手段進行數據挖掘、集中展現專題信息的智慧化監管方法。園林監管主要包括環境監管、苗木監管、車輛監管三個方面,每個業務流程與監管方法詳細如下。

2.1 環境監管

生態園林環境監管要考慮的因素種類繁多,主要包括溫度、濕度、鹽堿度,它們對苗木生長和園林的健康發展具有重要影響[12-13],對以上生態環境因子的科學有效監管有利于城市園林的健康發展。

土壤溫度和水分具有相互關聯性,精確獲取土壤溫度水分的實時動態對于得到準確的研究結果十分重要[14]。本文提出基于物聯網監測設備、移動數據網絡實時采集、傳輸土壤監測數據,利用遠程終端單元(Remote Terminal Unit,RTU)將數據定時傳送到數據中心,為苗木健康生長和輔助管理部門改良土壤土質提供重要數據資料。環境監管技術路線圖如圖2所示。圖2中，RTSP指實時流傳輸協議(Real Time Streaming Protocol)；URL指統一資源定位器(Uniform Resource Locator)；D3指數據驅動文檔(Data-Driven Documents)；4G指第四代的移動信息系統(the 4th generation mobile communication technology)。

圖2 生態園林環境監管技術路線圖

本監管方法根據多種過濾條件檢索、統計土壤監測數據,使用圖表和曲線直觀展示監測數據動態變化和趨勢,自動計算各個監測點月最高值、最低值和平均值,根據《土壤重量含水率和干旱程度分級標準》統計各干旱級別監測點數量百分比。利用濕度傳感器實時采集土壤含水率,當其低于下限閾值時,通過物聯網技術自動連接并開啟中控澆水系統,實現遠程自動化灌溉,當其達到上限閾值時自動斷開并關閉中控澆水系統,實現苗木灌溉的自動化、精細化,提供了一種智慧化遠程灌溉解決方案。當土壤處于干旱、內澇、鹽堿化狀態時,采用數據可視化技術,以報警方式提醒養護人員,為苗木生長提供安全保障。

基于GIS強大的空間分析功能、良好的數據處理與交換能力以及專題制圖的優勢,建立土壤生態因子數據模型,利用反距離加權(Inverse Distance Weighted,IDW)插值算法將各個監測點濕度、溫度、鹽堿度數據分別進行空間插值,結合地理學符號系統繪制等值面柵格圖,直觀展示城區土壤生態因子的空間差異性。此外,土壤鹽堿度監測數據為本地區鹽堿化治理提供數據資料,根據城區綠地不同鹽堿化程度,因地制宜,提供相適應的耐鹽堿植物種植方案,實現科學種植。

2.2 苗木監管

本文提出的苗木監管方法主要包括以下步驟:第一步,開發苗木信息采集終端快速獲取苗木空間點位信息、苗木屬性信息以及苗木生長過程圖片等;第二步,基于ArcSDE空間數據引擎管理苗木數據并發布要素服務,建立苗木信息電子檔案庫;第三步,利用WebGIS技術實現苗木空間數據可視化。由于園林苗木具有數量多、分布密集等特點,采用空間數據聚合技術在地圖上展示其空間分布情況,并根據苗木種類、科室、健康狀態進行數據統計。

通過為每棵苗木掛接唯一的二維碼樹牌,伴隨苗木種植、養護、遷移、死亡的全過程,實現苗木全生命周期養護管理,公眾通過微信掃描苗木二維碼,可查閱苗木種類、科屬、生長習性、病蟲害防治等科普信息,為廣大民眾提供科普指南。苗木監管技術路線圖如圖3所示。圖3中，B/S指瀏覽器/服務器模式(Browser/Server)；APP指應用程序(Application)； API指應用程序接口(Application Programming Interface)。

圖3 生態園林苗木監管技術路線圖

2.3 車輛監管

本文結合物聯網在線感知監測設備提出集成地理信息技術、衛星定位技術、無線通信技術、網絡技術于一體的車輛監管新方法,實現遠程監控中心對車輛的動態監控。監管內容包括車輛實時位置、軌跡回放、車輛油耗與里程監控、視頻監控四個方面。

該監管方法基于北斗定位,系統可實時接收綠化車輛監測信息并在地圖中展示車輛在線狀態、實時位置、速度等信息,利用計算機圖形學知識,以圖形化方式在地圖上回放車輛作業歷史軌跡,方便管理人員及時掌握園林車輛工作狀態和科學調度;以表格和曲線為載體展示車輛里程、油耗等監測數據,當車輛油耗異常時,通過聲光報警功能提醒管理人員;為綠化車輛安裝視頻監控探頭,實現車輛實時作業畫面監控,視頻傳輸至后臺硬盤錄像機存儲后通過實時流傳輸協議(Real Time Streaming Protocol, RTSP)取流方式播放,提高了視頻播放速度和流暢度,增強了良好的人機交互體驗,有利于直觀查看車輛工作情況。技術路線圖如圖4所示。

圖4 生態園林綠化車輛監管技術路線圖

園林車輛監管方法同時提供了路徑規劃和導航功能,為園林車輛提供合理的、科學的駕駛路線,為提高園林車輛作業效率和降低油耗成本提供技術支持。

3 智慧園林監管關鍵技術

3.1 關鍵技術

本文主要使用了在線感知技術、園林地理空間網格化編碼、車輛油耗濾波與人員軌跡擬合算法及信息綜合分析與可視化技術。

在線感知技術在園林GIS中得到了廣泛應用,通過傳感器實時獲取土壤生態因子、車載終端及智能終端監測數;將車載傳感器與園林車輛相結合,充分發揮物聯網在車輛監控上的重要作用。

園林地理空間具有多種地理空間實體,為提高數據檢索的速度和準確度,采用具有自然語義的不規則空間格網進行地理空間多層次剖分,增加剖分空間與實體目標間映射對應的適應性[15],滿足園林實際工作中的應用需求。通過對土壤監測設備、視頻設備、園林苗木、養護車輛、責任網格、養護案件按照“行政區劃代碼+分類識別碼+科室代碼+順序碼”進行空間網格化編碼與“一張圖”數據集成。其中行政區劃代碼分為“省-市-縣(區)”三個尺度,分類識別碼參考《基礎地理信息要素分類與代碼》(GB /T 13923—2006)[16]標準對不同實體分配相應類別碼,科室代碼按照“科室—職工—隊長—工人”網格逐步細化形成多層級網格金字塔,結合順序碼保證空間實體的唯一性。

園林車輛油量數據采用超聲波液位傳感器采集,車輛加速和急剎操作會干擾傳感器采集數據的準確性和趨勢性,本文利用均值濾波算法去除油耗噪點數據得到油耗擬合曲線。

本文基于專家知識、地學規律、統計方法對采集數據進行科學分析,綜合利用各種技術手段進行數據挖掘,提取空間數據間的關系,集中展示園林專題數據。信息綜合分析與可視化技術具有依托多種信息載體、面向多用戶、多尺度、多展示方式、多相關專題、多層級的特點。依托多種信息載體是指信息展示應當結合文字、圖片、視頻、動畫等多種形式[17];面向多用戶是指根據不同用戶角色提供不同權限和展示內容,提供相應的數據服務,如園林養護人員掃描二維碼展示苗木養護信息,公眾掃描二維碼提供苗木科普信息;多尺度是指根據地圖縮放級別提供相對應的基礎地理空間服務,如地圖處于全圖狀態時提供苗木空間聚合可視化效果,當地圖放大到細節層次展示苗木正常標注效果;多展示方式是指綜合利用圖表、曲線、軌跡、氣泡窗體等多種可視化表達方式進行統計數據表達;多相關專題是指以地理空間信息為核心,以地學方法為指導,集中展現專題數據,如生成土壤墑情等值面、養護熱圖、軌跡回放等;多層級是指根據權屬界限不同,建立多層級數據金字塔。

3.2 “一張圖”綜合監管功能的效果

3.2.1環境監管功能效果

基于在線感知技術,通過溫度、濕度、PH傳感器實時采集土壤監測信息并傳輸到系統后臺進行數據分析,輔助園林管理人員做出科學決策。

3.2.2苗木監管功能效果

通過智慧園林苗木監管方法,實現苗木基礎資料管理,通過信息化手段,為苗木建立電子檔案庫,實現城市園林苗木全生命周期管理、養護工作的精細化、系統化、智慧化。

3.2.3車輛監管功能效果

實現綠化車輛實時作業位置的在線查看和追蹤、作業軌跡回放、作業油耗監控和視頻監控功能,有利于遠程監控中心對車輛的動態監控。

4 結束語

基于GIS及在線感知的生態園林“一張圖”監管方法在東營市成功實施及常態化運營以來,得到了相關部門的高度評價和一致認可。該監管方法基于Vue框架、WebGIS、移動GIS、物聯網等技術實現動態監測數據“一張圖”展示,解決了以往數據量大、數據結構復雜、動態數據更新速度快引起的統計展示困難問題,同時利用天地圖在線展示監測點在城區的空間位置分布和運行狀態,有利于城市管理部門從整體上把握物聯網監測點的工作狀況和城市園林健康狀況,實現園林監測數據可視化、管理調度科學化。

該監管方法完成了土壤土質實時監測,為城市土壤土質改良治理、園林灌溉自動化發揮了重要作用;建立苗木信息電子檔案庫,實現苗木全生命周期動態管理;解決了以往園林車輛在線監控困難的突出問題,有效遏止了可能存在的公車私用、養護繞路提高考核績效、油耗異常等現象。

本文提出的基于物聯網與GIS的智慧園林監管方法,實現了靜態數據與動態數據的緊密結合,提高了園林管理科學化水平,輔助決策者制定智慧園林科學化建設方案,在城市園林健康發展方面發揮了重要作用,為城市管理其他方面提供了新途徑、新思路、新模式,提高了城市管理的信息化、系統化、科學化、精細化水平。