基于GIS的林業環境監測系統設計

摘 要：開展林業環境監測可為林業管理提供數據支持。基于地理信息系統（Geographic Information System，GIS），以林業環境監測系統架構設計、數據采集端設計、存儲數據庫設計、系統服務器設計為切入點，開發林業環境監測系統，并在已搭建成功的林業環境監測系統上，再次細化監測系統應用所需要的開發環境、設備及應用程序配置，達成林業環境監測系統的有效應用，最終實現對林業環境的實時動態監測，為林業管理提供有效助力。

關鍵詞：GIS技術；林業；環境監測；物聯網技術；數據采集端

中圖分類號：S757；TP274 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909-（2023）11-153-5

0 引言

在“雙碳”目標、生態文明建設目標等戰略目標引導下，林業資源經營管理工作已成為關系社會經濟可持續發展的關鍵任務之一。而林業環境監測是林業資源經營管理的核心工作之一，也是林業管理的重要基礎性工作。現階段，隨著科技的發展與進步，創新林業環境監測模式早已成為我國學者研究的熱點內容。李德政［1］在其文章中指出，為避免森林面積減小、植物多樣性銳減等現象，保障森林資源實現正常自我修復，林業資源監測應成為當下林業資源經營管理工作的重點內容。殷長梅［2］也在其文章中提出，地理信息系統（Geographic Information System，GIS）的應用，可滿足當下智慧林業管理工作需求，利用GIS可有效管理具有空間屬性的各種資源環境信息，能對不同時間段下林業環境狀況進行動態監測和分析比較。基于不同學者對林業環境監測工作提出的改善建議，筆者借鑒相關經驗，提出基于GIS的林業環境監測系統設計思路，進一步細化GIS在林業環境監測系統中的應用路徑，并通過物聯網技術、無線傳感技術等信息技術，實現林業環境監測系統的高效搭建，為林業環境監測工作的高效開展提供技術支撐。

1 GIS

地理信息系統是一種通過分析基于地理空間的地理模型來提供實時動態地理信息的計算機系統。近年來，GIS在資源和環境監測領域發揮著先導性的技術優勢，其主要功能為數據采集與輸入、數據編輯與更新、數據存儲與管理、空間數據分析與處理、數據與圖形的交互顯示。而空間數據的分析和處理是GIS的關鍵功能，可通過廣泛的數據處理和分析，獲得與實際地理位置有關的重要信息［3］。顯示交互式數據和圖形是GIS區別于其他信息系統的鮮明優勢，不僅可提供文字性的數據描述，還可提供三維立體的地理數據模型與數據分析結果，便于技術人員理解與管理操作。目前，GIS憑借自身鮮明的技術優勢，已在我國很多領域得到了廣泛應用。例如，GIS在農業資源與環境領域主要作為農業資源調查工具、農業資源分析工具、農業生產管理工具、農業管理輔助決策工具，有助于實現對農業資源環境的動態管理，對農業生產經濟效益提升給予了技術支撐。又如，GIS在土地資源開發與管理上的應用主要體現在土地利用現狀和城鎮地籍調查中，為查清我國土地資源，特別是耕地資源起到了有效助力［4］。在GIS被高效應用的背景下，筆者再次細化了GIS在林業調查中的應用方向，通過設計基于GIS的林業環境監測系統，以突破森林環境監測中地域遼闊、地勢復雜的局限，為林業管理工作提供數據支持。

2 林業環境監測系統設計

2.1 林業環境監測系統架構設計

因森林面積較大且地勢復雜，較多區域林業管理人員無法涉足，也因森林區域內環境變化復雜，動物生存軌跡較多，所以造成了林業環境監測工作的復雜性、特殊性與困難性［5］。基于此，筆者在設計基于GIS的林業環境監測系統時，先設計了一種基于物聯網的林業環境監測系統架構，以滿足林業環境監測系統低功耗、可視化、實時性的要求。林業環境監測系統架構如圖1所示。

由圖1可知，基于物聯網的林業環境監測系統架構分為感知識別層、管理服務層、網絡構建層、綜合應用層4個層次。

2.1.1 感知識別層。感知識別層是林業環境監測系統架構中的基礎部分。該層次通過無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）連接傳感器采集終端與數據中心，其中傳感器節點是用于實時監測森林中的溫度、濕度、風速等參數及環境監測的單元；通過全球定位系統（Global Positioning System，GPS）的定位模塊，可將各類參數信息匯總，上傳至WSN中的匯聚節點；聚合節點利用通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）進行通信處理和發送數據，將處理后的數據上傳至下一系統層次中。為保證感知識別層的數據采集準確率，筆者在感知識別層應用賽靈思公司開發的EK-Z7-ZC702-G開發板作為數據采集終端，依托其可編程陣列邏輯實現了其他外設的接入需求。

2.1.2 管理服務層。管理服務層主要負責林業環境監測系統中空間數據的整理與發布。通過GPRS通信將不同林區的環境參數數據匯總到SQL Server數據庫中，ArcSDE立即對其進行分析和處理。同時，此服務層將林業地圖圖層分化為在線影像數據與離線影像數據，不同屬性數據與區域信息會通過Arc GIS Server服務發布，使技術人員可通過此服務層隨時訪問林業相關地圖信息與傳感器所采集到的環境參數數據［6］。

2.1.3 網絡構建層。網絡構建層是林業環境監測系統中的傳輸網絡，主要負責林業環境參數數據的遠程傳輸。此次設計的遠程數據傳輸方式共有兩種。第一種為GPRS通信傳輸：利用WSN中的匯聚節點，收集匯總不同傳感器采集終端所收集到的環境參數數據，再利用5G通信傳輸模塊，通過GPRS通信傳輸，將獲得的數據傳輸到以太網，并最終存儲在服務器上。第二種為互聯網技術傳輸：利用互聯網技術搭建客戶端與服務器之間的數據傳輸網絡，與通信企業簽訂入網協議，使用JSON數據傳輸格式，實現各類數據的傳輸與獲取［7］。

2.1.4 綜合應用層。綜合應用層即為林業環境監測系統終端。此設計將手機、平板等智能移動設備接入林業環境監測系統，使技術人員通過5G或無線局域網的數據傳輸方式，從林業環境監測系統中獲取所需要的環境參數信息或地圖信息，了解各監測區域林業建設情況，實現對林業環境的高質量監測。

2.2 數據采集端設計

為更好地節省研發成本、縮短研發周期，此研究的數據采集端直接采用了賽靈思公司開發的EK-Z7-ZC702-G開發板作為核心處理控制板。該開發板的原理圖如圖2所示。

由圖2可知，該開發板，結合了GPS、傳感器、處理控制器等多個模塊，帶有多樣的資源數據接口。除1 GB的DDR3組件內存、以太網接口、USB接口、SD卡連接器、顯示接口等典型接口外，該主板還設置了可接入視頻圖像的視頻圖形陣列接口（Video Graphics Array，VGA）與高清晰度多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）的接口平臺，可實現林業環境監測的圖像傳播。同時，該開發板仍處于創新升級的過程中，筆者希望通過系統的實際使用，各接口平臺會日趨完善，以達到最佳使用效果。另外，在此林業環境監測系統設計中，筆者針對數據采集端的工作流程進行了再次細化。首先，開始進行數據收集后，GPS模塊將接收導航衛星直接發送的位置數據（如經度、緯度、高度等）并開始分析，此時速度、風向、溫度、濕度、PM2.5和負氧等傳感器開始收集重要的環境參數［8］。其次，GPS和相關傳感器將根據標準協議分析處理收集到的位置信息和傳感器數據，并使用RS485通信方式，通過串口將數據發送到控制處理模塊。最后，控制處理模塊接收到數據后，基于設定的信息篩選流程，提取環境參數信息，再將提取出的信息傳送到串口，至此完成數據采集端的整個工作流程。

2.3 存儲數據庫設計

合理設計存儲數據庫，既能提高林業環境監測系統的指令執行效率與應答性能，還可大量節省服務器的數據存儲空間［9］。在此系統中，系統數據庫所要存儲的數據共分為空間數據、屬性數據與地理空間數據3類。

第一，空間數據結構的邏輯設計主要分為兩個部分。一部分地理數據是基于數據的塊結構和地圖的地理分布設計的，將空間數據分為規則塊和不規則塊。另一部分是基于圖層分層結構設計的，以要素屬性為評定依據，將相同類型和特征的數據組合成一個圖層并儲存。這樣，空間數據庫的邏輯結構被劃分為具有水平和垂直部分的分層和塊結構，實現了兩個獨立部分的邏輯集成。第二，屬性數據是指空間中不同對象的特征，這些特征由屬性元素反映。盡管其具有非地理特征，但不同類型的數據被組合在一起以創建地理特征，如環境區域和森林區域的周長。在存儲庫數據庫中，二維屬性表用于存儲屬性數據，其中行表示不同林區中對象的目標，列表示相應的屬性，行和列之間有密切的對應關系。在林業環境監測系統存儲數據庫中，空間數據和屬性數據之間也有一定的相關性（見圖3），屬性數據可以說是空間數據的一部分，可為技術人員精準識別各區域環境參數數據提供技術支撐。第三，因地理空間數據包括遙感影像圖數據和地形圖兩種數據，所以此系統選擇以點→線→面的流程對地理空間數據進行邏輯處理，其處理流程如圖4所示。通過此邏輯結構，地理空間數據與屬性數據充分結合。當技術人員在移動端對數據庫進行查詢、更新、刪除等操作時，只需要操作某一數據模塊，就可獲取相應的數據信息，使整個存儲數據庫工作更加高效，系統工作效率得到了明顯提升。

2.4 系統服務器設計

系統服務器主要包括網絡服務器與移動GIS服務器。網絡服務器負責將林業環境監測系統連接到移動終端。網絡服務器可以將采集終端接收到的信息存儲在數據庫中，允許數據節點發送處理命令、與移動終端進行通信，并根據技術人員的指示對數據內容進行各種操作。網絡服務器操作流程如圖5所示。從網絡服務器的工作流程可以看出，網絡服務器通過對數據庫的請求訪問與操作，實現對存儲數據庫中空間數據、屬性數據與地理空間數據的刪減操作，可為林業環境監測系統軟件數據監測功能實現提供有力支撐［10］。

移動GIS服務器是實現實時傳輸地理空間信息數據的服務器，可完成多目標對象間的信息交互活動。在此系統中，移動GIS服務器分為移動客戶端、應用服務器兩大部分［11］。移動客戶端是指林業技術人員運用的智能移動設備，如手機、平板電腦等，在載有GIS的平臺上，完成對林業環境數據的監測、分析與修改。應用服務器可對數據采集端的操作請求給予實時響應，是移動GIS服務器的核心組成部分。此系統所使用的應用服務器為ArcGIS for Server。該服務器是ArcGIS配套的服務平臺，具備對空間數據編輯與分析的功能，同時服務器的集中管理模式為后期服務器維護提供了較大便利。例如，當監控系統需要維護、管理或升級時，技術人員不需要在每個操作終端（如數據采集端、存儲數據庫等）上依次更新。在系統實際使用時，技術人員可直接利用以太網絡訪問服務器中的各項數據，以滿足其在戶外使用該系統的需求。

3 林業環境監測系統的應用實現

3.1 開發環境和設備

適用于此系統的開發環境與系統運行環境設備如表1所示。

由表1可知，基于GIS的林業環境監測系統的設計需求較為嚴苛，對于開發環境與系統運行環境設備都有著明確的技術要求。因此，為保證筆者所提出的基于GIS的林業環境監測系統順利工作，各林場應選擇符合上述要求的林業環境監測系統開發環境與系統運行環境設備。只有滿足環境監測系統的軟硬件需求，才可實現林業環境的動態化監測。

3.2 應用程序配置

為保證基于GIS的林業環境監測系統正常應用，對于移動端應用程序的配置可參考Xcode調動ArcGIS Runtime SDK for iOS第三方應用框架進行GIS方面的二次開發，使林業環境監測人員利用移動端應用程序就可訪問林業環境監測系統，實現高效化辦公［12］。筆者提出使用CocoaPods導入ArcGIS SDK的方式完成移動端應用程序配置。

第一，下載并使用CocoaPods安裝SDK。在移動設備上安裝Ruby，然后在終端上輸入“sudo save Install cocoapods”命令，在項目安裝過程中完成SDK Set文件的安裝，并將“Under ArcGIS Runtime SDK iOS”指令添加到相應的project Pod文件中。通過終端運行“pod install”命令，達到正確導入ArcGIS框架的最終目的。第二，在正確導入ArcGIS框架后，需要添加ArcGIS資源包，以便實現GIS方面的二次開發。例如，Esri和Bing徽標圖形、GPS位置符號、當地化字符串等可以集成到ArcGIS.bundle文件中，將其作為應用程序的應用程序接口（Application Program Interface，API）資源，同時要將“ipmart ArcGIS”指令添加到項目API使用的Objective-C文件中，做到ArcGIS文件的正確導入，為系統運行提供充足的數據支持。

4 結語

筆者通過分析GIS的應用特點與使用現狀，同時結合物聯網技術、無線傳感技術等信息技術的技術優勢，提出開發設計一種可實時動態監測林業環境的智慧系統，并從開發環境和設備、應用程序配置兩方面闡述該監測系統應用實現的必要條件。該系統通過對不同傳感器采集端數據的集中處理與動態傳輸，達到動態采集林業環境參數數據的效果，可為林業發展與資源管控提供重要的數據支撐。因此，基于GIS的林業環境監測系統設計滿足了建設智慧林業的根本需求，對提高林業資源經營管理工作效率可提供有效助力，具有較高的實踐推廣價值。

參考文獻：

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［12］李秀峰.基于Android平臺的林業調查輔助APP的設計研發［J］.南方林業科學，2022（5）：61-64.

作者簡介：李喜友（1983—），男，本科，工程師，研究方向：林業勘測設計。