基于GIS和物聯網的濕地生態感知系統設計與實現

石曉剛，張海燕，尹大東

（1.肅南縣林業草原濕地保護中心，甘肅 肅南 734499；2.云南這里信息技術有限公司，云南 昆明 650224）

0 引言

濕地是由水文、土壤和森林等相互作用構成的特有生態系統，與人類的生存與發展息息相關，也是國家生態安全體系的重要組成和社會經濟可持續發展的重要基礎[1]。濕地作為一個復雜的生態系統，環境信息能夠被實時、快速、智能化地監測是實現其精細化管理的重要基礎。隨著3S 技術[2]、物聯網[3]、云計算[4]以及大數據[5]等新一代信息技術的發展并被不斷地應用于生態環境各個領域，尤其在當前“互聯網+”時代，生態保護工作己進入大數據、智能化階段，生態環境的監測亟需物聯網、GIS 及大數據等技術的全方位融合。其中GIS 技術的開發應用是實施智能化監測的關鍵技術之一，其強大的數據管理與運算、空間查詢與分析功能，能夠為濕地生態系統的智能監測與管理提供技術和決策支持[6]。2015年國務院發布《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》，提出將互聯網與生態文明建設深度融合，針對森林、草原、濕地等各類生態要素監測方面，充分利用GIS 等技術，結合互聯網大數據分析和云計算平臺，實現資源環境動態監測、信息互聯共享[7]。

傳統的對濕地生態環境的監測主要以人工監測和現場數據采集的方式進行，不但耗時費力，而且監管效率低下。隨著遙感技術的發展，濕地環境監測手段發展為地-空相結合的方式[8]。但由于基于衛星遙感的監測尺度有限且受限于天氣和空間分辨率的影響，對濕地生態監測的精準化和信息化應用略顯不足，特別是立體化監測體系很不完善，對濕地生態環境及水文水質、氣象等各項參數不能快速有效地進行監測和分析。國內外陸續建立了以GIS 技術為支持的地面監測系統，包括生態系統監測[9]、作物病蟲害監測[10]、空間信息管理與決策支持[11-13]等。而在濕地生態監測系統的研究中，有關GIS 技術與物聯網大數據技術的優化集成、物聯網實時監測信息與GIS 空間信息的融合分析等方面的應用研究較少，缺乏對生態監測中海量數據的智能化處理與分析，這將不利于推動GIS、互聯網等技術與生態文明建設的深度融合發展。因此，研究將GIS 技術與物聯網、云計算等技術相結合，采用B/S（Browser/Server）模式架構和Spring Cloud 開發框架建立濕地生態綜合監測平臺，實現集“空地一體”監測、濕地環境數據采集與傳輸、生態大數據智能分析以及決策支持等為一體的濕地生態感知系統平臺，為濕地管理智能化、信息化提供決策支持和科學依據。

1 用戶需求分析

隨著“互聯網+”、GIS 技術和大數據技術的日趨成熟，生態環境管理者不滿足于監測手段單一性以及海量數據的處理，濕地管理需求向多元化發展，業務更加趨于信息化、智能化，因此對傳感器終端的信息采集與實時上報以及海量數據的智能處理分析等需求愈加強烈。

（1）基于物聯網傳感器的數據采集與傳輸需求。用戶通過布設的傳感器進行數據采集與實時傳輸，主要包括水文、氣象等數據，還可以支持物聯網設備信息管理、線路管理等操作。

（2）自然資源綜合調查需求，包括自然資源綜合調查任務、記錄管理，并且可以按照時間、線路等信息進行查詢和規劃，采集信息實時上報至濕地生態綜合監測平臺。

（3）“空地一體”監測需求。用戶利用空（無人機應用）+地（地面物聯網設備及自然資源調查APP），實現室內巡查路線繪制并遠程調動無人機，針對濕地污染監測、災害防治等業務需求進行一體化監測預警。

（4）生態大數據智能處理與分析需求。針對場景感知、污染預報、視頻監控、氣象土壤數據、林木資源統計以及實時數據儲存處理等產生的海量數據，用戶可以進行智能處理分析并進行可視化，以提供決策支持信息。

2 系統技術架構設計與實現

2.1 系統體系設計

基于濕地保護與管理等各方面需求、濕地環境主要參數及GIS、物聯網等技術，從濕地環境監測與管理實際出發，綜合應用GIS 技術、無人機、物聯網等多種現代信息技術，開展空中無人機遙感監測、地面濕地氣象和蟲情等監測、地下土壤墑情監測，從而覆蓋濕地土壤、水文和動植物群體信息采集，構建一個集自然資源展示與采集、自然資源綜合調查、“空地一體”監測分析和生態大數據智能分析功能為一體的濕地生態綜合一體化監控體系，如圖1所示。

圖1 濕地生態綜合監測體系

2.2 系統技術架構

系統架構基于B/S 模式架構和Spring Cloud 微服務開發框架，如圖2所示。數據采集層主要由布設在濕地環境中的各類傳感器及其網絡組成，主要負責監測數據采集工作。數據傳輸層前端物聯網設備與服務端通過MQ 協議、Socket 協議連接，將數據傳輸至服務端并分類歸檔存儲至非關系型數據庫Mongo DB 中，通過建立數據規范、數據模型進行數據處理和存儲，并對海量監測數據進行智能處理、歸類和存儲。應用層采用面向服務的體系結構（SOA）設計，開發庫采用ArcGIS API for JavaScript，通過 ArcGIS Sever 平臺和本地服務器搭建服務端進行專題數據操作，用戶可以通過HTTP 請求與平臺服務器通信。

圖2 系統架構

3 系統主要功能實現

系統采用客戶端通過AndroidStudio2.3 進行開發，通過調用GIS Sever 接口實現底圖操作，基于HTTP 協議與服務器通信，服務器使用Spring Cloud 平臺開發，數據庫采用PostgreSQL、MySQL 和Geo database 相結合的方式。通過調用傳感器端接口和物聯網端集成接口實現基礎環境數據采集，用戶通過Web 端和APP 實現濕地環境質量查詢、濕地污染地圖分布查看等。

3.1 濕地資源數據展示與采集

系統實現了包括濕地的地質地貌、水文水質等基礎空間數據，森林資源、氣象水文、有害生物分布等專題數據，物聯網設備分布數據的采集和監測，以及科研觀察和巡護等業務數據的集中管理、分析及展示。基于GIS 的可視化管理，將濕地的監測、巡護、攝像等所有日常工作統一到二三維系統中，有效反饋濕地監測信息，幫助制定治理和預防措施并提供決策支持。綜合基礎數據：濕地分布、濕地自然資源分布、濕地衛星遙感影像、水體分布、土壤分布、林班分布等。

3.2 自然資源綜合調查

自然資源綜合調查系統集成Web端各大功能模塊和移動端數據采集與上報、工程任務管理等功能，包含調查數據導入導出、調查點智能導航、生物智能識別、物聯網設備可視化管理、AI 技術實現生物種類及病蟲害在線識別，實時將結果反饋至系統平臺并自動形成地圖分布，如圖3所示。

圖3 移動端APP 數據采集與上報

3.3 “空地一體”監測分析

利用空（無人機應用）+地（地面物聯網設備及自然資源調查APP），從多個維度，針對濕地生態環境資源管理、災害防治等業務需求進行一體化監測預警。實現無人機空中遙感監測設備、地面物聯網監測設備、自然資源綜合調查系統以及人工監測和調查等方面數據的上傳統計，濕地整體情況清晰展現，并做到科學、有效地管理，如圖4所示。

圖4 “空地一體”監測

3.4 生態大數據可視化與智能分析

通過對濕地監測多源數據的抓取及融合，實現濕地生態場景感知、氣象預報、污染預報、數據動態變化監測、無人控制、數據挖掘、視頻監控、氣象土壤數據匯總統計、林地資源統計、實時數據儲存處理及各項監測數據的動態變化展示，全方位挖掘與展現濕地資源數據信息，全面掌握濕地的動態變化情況，提供科學決策的依據，如圖5所示。

圖5 可視化分析功能

3.5 濕地保護遙控監測

濕地保護遙控監測系統通過系統平臺，實現在線遠程對濕地環境進行監測。首先在室內在線繪制、規劃巡查路線，指定執行任務無人機，并在移動端使用專用APP 進行任務接收；結合APP 自動導航功能，遠程控制攝像頭旋轉拍照，最終數據采集任務結束并自動上傳到監測平臺，任務執行結束，平臺自動獲取所有信息，標識任務結束。濕地保護遙控監測系統具有一鍵執行監測任務并將監測結果自動上傳、采集圖庫分類匯總管理以及支持矢量數據導入、歷史記錄查詢等功能，全程自動化、智能化，如圖6所示。

圖6 濕地保護遙控監測平臺

3.6 數據推送與預警

系統實現了風向、環境溫度、環境濕度、土壤含水率、蒸發量、降水量、二氧化碳、風速、氣壓等指標的實時一體化監測預警并將數據實時推送至濕地監測平臺。同時還可實現水污染、空氣污染、緊急事件、災害防治等業務需求自動預警功能，通過其他部門告警聯動，及時將危害濕地的環境信息傳遞給相關人員，從而提高預防和處置突發性事件和風險的能力，以及提升生態監測的信息化、科學化、智能化水平。

4 結語

結合GIS、物聯網、大數據、互聯網等技術，通過MQ、Socket 協議接收物聯網傳感器采集的數據，采用B/S 模式構建濕地生態綜合監測系統的方法，實現對濕地生態系統“實時監測-數據傳輸-智能分析-智能處理-智能預警”全程信息化、智能化等多方位的綜合監測和管理，解決了濕地生態環境監測體系中的物聯信息相互獨立、監測指標不全面、管理缺乏信息透明化和智能化等問題，建立了“空地一體”的濕地生態綜合監測體系，實現對濕地生態環境的實時監測、信息處理分析與災害預警。該系統的建立將有效地解決濕地生態環境監測中管理手段缺乏信息化和智能化的現狀，為環保部門科學監測提供技術參考。