三維GIS與AHP在森林無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點選址中的應(yīng)用

孫德鵬 蔣舉超 侯萬萬

(北京工業(yè)大學(xué)北京市物聯(lián)網(wǎng)軟件與系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 北京 100124) (北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部 北京 100124)

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗、自組織網(wǎng)絡(luò)、多跳路由、動態(tài)組網(wǎng)等特點改變了傳統(tǒng)林業(yè)資源管理的方式，打破了傳統(tǒng)采集方法的局限，被廣泛地應(yīng)用于森林火災(zāi)的監(jiān)測、林區(qū)生態(tài)多樣性的監(jiān)測、木材缺陷檢測等領(lǐng)域[1]。但是在山地森林環(huán)境中感知節(jié)點的工作環(huán)境惡劣，如何在森林中合理的布置傳感器是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的森林監(jiān)測系統(tǒng)的主要研究問題[2]。

近些年來，專家們在研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署問題多側(cè)重于理論研究，例如文獻(xiàn)[3-6]將粒子群、蟻群、人工魚群智能優(yōu)化算法應(yīng)用于WSN節(jié)點部署的優(yōu)化研究上。這些研究可以有效地均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、提高網(wǎng)絡(luò)性能。但是由于山地森林環(huán)境的復(fù)雜性對無線傳感器節(jié)點的傳輸距離及質(zhì)量產(chǎn)生了較大的影響，因此在森林環(huán)境中，需要根據(jù)實際情況進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的布設(shè)，以滿足采集森林監(jiān)測數(shù)據(jù)的需求。

本文針對在山地森林環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點選址，提出了在實際建網(wǎng)和布設(shè)過程中運用三維GIS和層次分析法(Analytic hierarchy process，AHP)集成的節(jié)點優(yōu)化選址模型。

1 節(jié)點選址影響因素遞階層次結(jié)構(gòu)

為了滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在山地森林環(huán)境下的應(yīng)用，節(jié)省部署成本和提高部署效率，構(gòu)造了目標(biāo)層(O層)至準(zhǔn)則層(C層)再到方案層(P層)遞階式的選址評估結(jié)構(gòu)，如圖1所示。根據(jù)工程實例的經(jīng)驗與專家意見的總結(jié)，把目標(biāo)層劃分為五個準(zhǔn)則層，即影響節(jié)點優(yōu)化選址的五個外部環(huán)境因子，分別是節(jié)點的監(jiān)測位置、地形遮擋、有效覆蓋、光照輻射、可視域范圍。方案層是由四個候選節(jié)點組成，也是本文中需要使用節(jié)點優(yōu)化選址AHP模型進(jìn)行評估的節(jié)點。

圖1 節(jié)點選址遞階層次結(jié)構(gòu)

(1) 監(jiān)測位置。本文中所涉及的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是為了采集和傳輸森林生態(tài)環(huán)境參數(shù)、人流信息及視頻火災(zāi)監(jiān)控，對傳感器節(jié)點的地理位置有特殊要求，需要部署在交叉路口、監(jiān)管區(qū)域邊界等，因此需要結(jié)合遙感技術(shù)(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)進(jìn)行綜合考慮，以此來選擇滿足監(jiān)測位置要求的節(jié)點。

(2) 地形遮擋。地形遮擋對無線網(wǎng)絡(luò)傳輸具有重要的影響。本文無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署在山區(qū)森林環(huán)境中，傳感器網(wǎng)絡(luò)信號傳輸受山體遮擋影響較大。經(jīng)課題組實驗測試，盡量避免地形遮擋因素能夠有效地減少網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包超時及丟包數(shù)量。

(3) 有效覆蓋。有效覆蓋是指在通信半徑范圍內(nèi)盡可能多的包含網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的最大化。經(jīng)課題組實驗測試，在滿足研究區(qū)域要求的傳輸速率下，無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的最優(yōu)傳播距離半徑為3 km，且傳輸性能與傳播距離成反比。

(4) 光照輻射。太陽能集熱已成為室外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的常用能源[7]。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點體積小、能量有限，通過更換電池補(bǔ)充能量是不現(xiàn)實的，因此為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點選擇一個選取日照量較高的位置，將有利于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量的持續(xù)補(bǔ)充，保證整個無線網(wǎng)絡(luò)的長時間運行。本文涉及的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處于無供電設(shè)施的高山環(huán)境，需借助于太陽能收集設(shè)備進(jìn)行持續(xù)供電。

(5) 可視域范圍。對于森林傳感器觀測節(jié)點的布置，節(jié)點的可視域分析是十分重要的[2]。本文場景涉及到視頻火災(zāi)監(jiān)控，所以分析和計算每一個節(jié)點的可視域范圍，能夠以低節(jié)點布設(shè)成本實現(xiàn)區(qū)域全覆蓋。

2 集成三維GIS的節(jié)點優(yōu)化選址AHP模型

2.1 利用三維GIS空間分析計算節(jié)點優(yōu)化選址因素

在實際的人工布設(shè)過程中，主要是參考二維地形圖的目視判讀、往期的選址經(jīng)驗及外業(yè)實地踏勘的結(jié)果進(jìn)行確定選址。三維GIS是滿足地理綜合分析與數(shù)據(jù)管理的工作，充分利用三維GIS對拓?fù)潢P(guān)系及空間位置的描述能力與空間分析的能力，將以往耗時、耗財與耗人的方法升級為快速、智能與自動的數(shù)字選址[8-9]。本文以ArcGIS 10.3作為三維GIS空間分析的開發(fā)平臺，利用三維GIS的時空信息數(shù)據(jù)管理、空間分析和可視化能力，提取候選節(jié)點的時空信息進(jìn)行計算與加工處理，以滿足層次分析選址橫向?qū)Ρ鹊幕A(chǔ)數(shù)據(jù)要求。三維GIS在實際選址過程中主要有以下幾個方面的作用：

(1) 真三維山地森林場景重建。利用系統(tǒng)中存儲的衛(wèi)星遙感影像地圖和30 m分辨率的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進(jìn)行三維地形場景重建，增加節(jié)點優(yōu)化選址場景真實性，并利用漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)等交互式操作提升節(jié)點優(yōu)化選址的效率；在完成節(jié)點優(yōu)化選址后可以將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行三維GIS可視化。

(2) 三維GIS節(jié)點選址專題數(shù)據(jù)。充分的節(jié)點優(yōu)化選址包含了來自同選址有關(guān)的非空間數(shù)據(jù)集與空間數(shù)據(jù)集。將多源異構(gòu)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為圖層存儲至三維GIS平臺中，為三維山地森林節(jié)點選址場景提供更為豐富的時空信息。與準(zhǔn)則層評價因素相關(guān)的選址專題數(shù)據(jù)包含：候選節(jié)點矢量數(shù)據(jù)、道路圖層數(shù)據(jù)、已部署基站矢量數(shù)據(jù)、監(jiān)測區(qū)域邊界數(shù)據(jù)等。

(3) 三維GIS空間分析。在完成三維山地森林節(jié)點選址場景建立后，對所錄入的候選節(jié)點進(jìn)行三維GIS空間分析。利用緩沖區(qū)分析，以本文明確的網(wǎng)關(guān)節(jié)點位置為圓心、最優(yōu)數(shù)據(jù)傳輸距離3 km為半徑進(jìn)行緩沖區(qū)計算，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的最大化、節(jié)約部署成本；利用疊加分析，將衛(wèi)星遙感影像地圖和道路向量圖層等多源信息進(jìn)行綜合，選擇符合監(jiān)測位置的要求的節(jié)點，四個候選點的位置如圖2所示。

圖2 候選節(jié)點三維GIS顯示

利用太陽輻射分析，計算候選節(jié)點的總?cè)照樟?直射+散射，WH/m2)，選擇具有利用太陽能的良好條件的節(jié)點；利用通視分析，計算候選節(jié)點到基站的地形情況，通過遮擋比例(OR)來衡量對無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠绊懗潭龋嬎愎饺缦拢?/p>

(1)

式中：Lp為遮擋物所占的傳播路徑長度；L為傳播路徑總長度。利用視域分析，分析和計算候選節(jié)點的可視域范圍，選取覆蓋區(qū)域更廣的節(jié)點，分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 候選節(jié)點視域分析

2.2 節(jié)點優(yōu)化選址AHP模型

AHP層次分析法是美國運籌學(xué)家薩迪教授提出的,該方法在賦權(quán)的過程中能夠充分利用專家的經(jīng)驗,并具有較廣的適用范圍[10]。運用層次分析法的核心是將由多目標(biāo)因素影響的選址問題進(jìn)行分解；根據(jù)工程調(diào)研和專家意見構(gòu)造判斷矩陣，得出各因素的權(quán)重值；最后通過組合權(quán)重確定選址的最優(yōu)解[11-13]。

2.2.1構(gòu)造判斷矩陣

在確定各層次各因素之間的權(quán)重時，只依據(jù)人的主觀思想進(jìn)行定性的分析，不容易被別人接受，因而Saaty提出使用比較判斷矩陣的方式，用于說明本層所有因素比上一層某一個因素的相對重要程度。針對外部環(huán)境因素對節(jié)點選址的影響程度不同，本文在計算中選取調(diào)研數(shù)據(jù)和專家打分法的平均值作為標(biāo)度，根據(jù)Saaty的1-9標(biāo)度aij方法[14]，如表1所示，構(gòu)造出節(jié)點優(yōu)化選址AHP模型中準(zhǔn)則層C對目標(biāo)層O，方案層P對準(zhǔn)則層各影響因子(C1，C2，C3，C4，C5)的比較判斷矩陣。

表1 判斷矩陣標(biāo)度及其含義

準(zhǔn)則層C對目標(biāo)層O的比較判斷矩陣，如表2所示。

表2 C-O的比較判斷矩陣

2.2.2計算權(quán)向量并做一致性檢驗

首先將比較判斷矩陣的每一列歸一化后的算術(shù)平均值近似作為權(quán)重wi，公式如下：

(2)

通過對表2的判斷矩陣進(jìn)行計算，得出：有效覆蓋因子的權(quán)重w1=0.178，地形遮擋因子的權(quán)重w2=0.418，監(jiān)測位置因子的權(quán)重w3=0.266，光照輻射因子的權(quán)重w4=0.052，可視域范圍因子的權(quán)重w5=0.087，最大特征根λmax=5.106，公式所下：

(3)

之后利用一致性指標(biāo)、隨機(jī)一致性指標(biāo)和一致性比率做一致性檢驗[15]。若檢驗通過，歸一化后的特征向量即為權(quán)向量；若不通過，需要重新構(gòu)造成對比較矩陣。其中，一致性指標(biāo)CI的計算公式如下：

(4)

其值越大表明判斷矩陣偏離完全一致性的程度越大，值越小表明判斷矩陣越接近于完全一致性；為了確定矩陣的不一致程度的容許范圍，Saaty又引入所謂隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，其參考值如表3所示[16]；對于n≥3的成對比較矩陣，將它的一致性指標(biāo)CI與同階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI作比得出一致性比率CR，當(dāng)CR小于0.1時，認(rèn)為矩陣在容許范圍內(nèi)，有滿意的一致性，通過一致性指標(biāo)。

表3 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

通過對表2的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗計算，可得出CI為0.026、CR為0.023。由于CR為0.1,通過一致性檢驗，可以用成對比較矩陣對應(yīng)的特征根λ的特征向量作為比較的權(quán)向量。

表4顯示了方案層P對準(zhǔn)則層各影響因子(C1，C2，C3，C4，C5)比較判斷矩陣的一致性檢驗結(jié)果，從表中CR小于0.1可知判斷矩陣通過一致性檢驗，判斷矩陣構(gòu)造成立，可作為后續(xù)組合權(quán)重計算的依據(jù)。

表4 P-C的一致性檢驗計算結(jié)果

2.2.3計算組合權(quán)向量及工程實例驗證

由準(zhǔn)則層C對目標(biāo)層O的權(quán)向量和方案層C對準(zhǔn)則層O的權(quán)向量，計算各方案對目標(biāo)的組合權(quán)向量。組合權(quán)向量值表示了各方案對實現(xiàn)總目標(biāo)的重要程度。對于候選點1，它在監(jiān)測位置等5個準(zhǔn)則的權(quán)重與這5個準(zhǔn)則在目標(biāo)層的權(quán)重對應(yīng)項的兩兩乘積之和為其組合權(quán)向量，即為：

0.178×0.374+0.418×0.054+0.266×0.187+0.052×0.385+0.087×0.067≈0.165

同樣可以算出候選點2、候選點3、候選點4的組合權(quán)向量分別為0.379、0.237、0.220。將四個候選點的組合權(quán)重大小作為節(jié)點優(yōu)化選址的決策依據(jù)，可知選擇候選點2，能夠最大化地減少外界環(huán)境因素對無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點選址的影響程度。通過課題組的實驗數(shù)據(jù)可知，在LoRa的數(shù)據(jù)速率(DR)為6 250 bps時，候選點2在一定時間內(nèi)的平均信號強(qiáng)度指示器(RSSI)和平均丟包率(PLR)分別為-70.87 dBm和5.1%，相較于其他候選點的網(wǎng)絡(luò)性能更優(yōu)，表明集成三維GIS的節(jié)點優(yōu)化選址AHP模型能夠為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點選址提供決策支持。

3 三維GIS選址結(jié)果可視化系統(tǒng)實現(xiàn)

三維GIS選址結(jié)果可視化系統(tǒng)采用了ArcGIS提供的WebGIS解決方案，ArcGIS Server提供后臺數(shù)據(jù)服務(wù)，如本文涉及到衛(wèi)星影像地圖的切片服務(wù)和諸多要素服務(wù)；前端使用ArcGIS API for JavaScript調(diào)用與渲染，支持二維和三維展示。三維GIS選址結(jié)果可視化系統(tǒng)實現(xiàn)了對研究區(qū)域的三維影像地形圖展示，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點拓?fù)潢P(guān)系展示、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點覆蓋范圍標(biāo)注等功能。用戶可以通過該系統(tǒng)錄入節(jié)點的經(jīng)緯度、屬性信息等，實時地查看節(jié)點在地圖上的位置及屬性信息，為節(jié)點優(yōu)化選址提供可視化服務(wù)。如圖4所示。

圖4 選址結(jié)果三維GIS展示

4 結(jié) 語

將三維GIS和層次分析法應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點選址建設(shè)中，在分析了影響節(jié)點選址的外部環(huán)境因素的基礎(chǔ)上建立了集成三維GIS的節(jié)點優(yōu)化選址AHP模型，對影響的外部環(huán)境因素實現(xiàn)了定量表達(dá)，極大地提高了在復(fù)雜山區(qū)森林環(huán)境下進(jìn)行科學(xué)、合理性選址的效率。工程實例表明，該研究可以為決策者解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的選址提供方法和決策支持。