三角島生態物聯網系統的設計與實現

摘 要：為探索海島監視監測新模式，以“和美海島”三角島為例，設計和實現了海島生態物聯網系統，并針對島內安全管理、環境監測、旅游活動三大場景，圍繞生態物聯網監視監測要素及指標，建立了三角島安全、環境、活力3個分項9個評價內容的評價標準及評價方法，實現了三角島生態物聯網監視監測要素—評價方法—業務應用評價體系構建，為海島生態物聯網監測信息化提供實例參考，豐富了無居民海島監視監測評價體系建設內涵。

關鍵詞：海島生態物聯網；監視監測；評價體系；系統設計與實現；WebGIS

中圖分類號：TP311；TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）15-0179-07

Design and Implementation of Triangle Island Ecological Internet of Things System

LU Xin1， SHEN Jian2， LU Lingyan2， Bao Yuyuan2， ZHANG Qunyao2， CHEN Hou2

（1.Guangdong South Digital Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510510， China;

2.Guangdong Ocean Development Planning Research Center， Guangzhou 510060， China）

Abstract： In order to explore a new mode of island monitoring， taking the “Hemei Island” triangle island as an example， an island ecological Internet of Things system is designed and implemented. For the three major scenarios of safety management， environmental monitoring， and tourism activities on the island， evaluation standards and methods are established for nine evaluation contents in three sub items of ecological Internet of Things monitoring elements and indicators， including safety， environment， and vitality. The construction of the ecological Internet of Things monitoring elements， evaluation methods， and business application evaluation system for the triangle island is achieved， providing reference examples for the informatization of island ecological Internet of Things monitoring and enriching the construction connotation of the monitoring and evaluation system for uninhabited islands.

Keywords： island ecological Internet of Things; monitoring; evaluation system; system design and implementation; WebGIS

0 引 言

我國是海洋大國，海島眾多[1]。《中國海域海島標準名錄》顯示，我國總計有11 000多個海島，其中無居民海島占96%。海島具有重要的生態、資源、經濟和權益價值[2]。同時，海島一般面積狹小，地域結構簡單，相對隔離，生態系統食物鏈層次低，生物多樣性少，生態系統不夠穩定，容易遭到損害，物種消失、環境改變都會對海島的整個生態系統造成很大的影響，一旦生境遭到破壞就難以或根本不能恢復[3]。自20世紀70年代以來，我國對海島的開發利用逐漸加強，但由于海島生態系統的獨特性以及缺乏海島保護和管理法規制度，海島開發利用方式粗放，生態保護意識薄弱，在推動海洋經濟發展的同時給生態環境帶來巨大壓力[4]。2010年，《中華人民共和國海島保護法》頒布實施，其中第十五條規定：“國家建立海島管理信息系統，開展海島自然資源的調查評估，對海島的保護與利用等狀況實施監視、監測”。因此，對海島生態進行動態監視監測以避免過度開發顯得尤為重要，也是落實海島保護法要求的重要措施。

對于海島實施監視監測，最重要的是要實現持續、快速、全覆蓋，常規的現場登島調查監測，時間周期長，成本高，難以滿足需求[5]。物聯網技術被稱為世界信息產業第三次浪潮，與5G、AI、大數據、云計算等技術發展迅猛，快速應用到社會發展的各行各業，為海洋領域的應用提供了新思路。近年來，通過物聯網技術對海島生態進行長期實時監視監測已從概念模型發展為可實踐的技術路徑。2019年，常立俠等[6]對海島生態物聯網的概念及模型進行了詳細闡述，并以廣東典型小海島——三角島為例展示了海島生態物聯網概念模型在具體海島上的構建應用；2018—2019年，中山大學彭少麟團隊[7]與廣東省海洋發展規劃中心共同承擔了三角島生態建設與生態物聯網監測項目，進行海島生態修復與生態監測實驗；2021年，路曉磊等[8]探討了物聯網在海洋觀測、海島生態監測、海洋牧場監測、智能船舶這4個海洋相關領域的研究與應用進展情況。

為探索海島自然資源管理新模式，更好保護與開發利用海島，廣東提出將三角島打造成無居民海島保護修復與利用的示范基地，并在該島開展了生態物聯網監測的研究和實踐。

1 三角島概況

三角島（22° 08′ 30″ N，113° 42′ 34″ E）位于廣東省珠江口萬山群島西北部，粵港澳大灣區的幾何中心，如圖1所示，海島面積0.86平方千米，海島岸線總長5.38千米，是南海海域眾多小型無居民海島的典型代表[9]。得天獨厚的地理位置和自身稟賦，使得三角島具有巨大的開發價值。但由于20世紀80年代采石活動的影響，島上原生植被受損嚴重，約2/3區域被挖成裸地，天然沙灘被破壞，生態環境問題突出。

2010年三角島被列入國家海洋局無居民海島修復試點海島，次年被列入全國第一批可開發利用無居民海島名錄，主導用途為旅游與交通用島。2014年，廣東啟動珠海市三角島“公益+旅游”模式市場化出讓探索工作。2015年12月，經廣東省政府同意，由原省海洋與漁業廳批復省海洋發展研究中心作為三角島公共服務用島項目主體，其中部分使用權（64公頃）用于適度旅游開發，并于2016年12月以掛牌方式成功轉讓。三角島由此成為全國首個掛牌出讓的無居民海島，經過“整體規劃、整體修復”，以“公益+旅游”模式進行保護性開發，島上生態面貌已煥然一新、基礎設施齊備，成功入選自然資源部首批“和美海島”名單，已然成為無居民海島保護修復與利用的標桿與典范。

2 系統設計

2.1 設計思路

物聯網是將傳感器技術與互聯網技術相結合，利用智能傳感器將互聯網用戶終端延伸到任何需要實時管理的物品，實現人與人、人與物、物與物在任何時間、任何地點的互聯[10]。生態物聯網（Ecological Internet Of Things， EIOT）是將網絡和感應器嵌入生態應用對象，監測生態信息（水體、土壤、大氣、生物）、社會經濟數據和環保數據（污染狀況、環境效應、管理策略）等[11]。

在三角島保護修復與開發利用過程中，為了實現對島內資源環境狀態的監測以及人為活動的監控，開展了海島生態物聯網的建設。依據島體地形地貌、環境特點及應用需要，三角島生態物聯網按照“物聯感知、無線組網、大屏應用”的思路進行設計，全島部署7臺攝像機（1臺可見光攝像機、4臺熱紅外攝像機、2臺客流統計攝像機）、2臺多參數水質在線分析儀、2個環境感知節點、5個無線微環境安防終端，如表1所示，采用太陽能供電系統取電，LoRa無線自組網的方式進行設備與機房的數據通信，通過大屏系統實現監視監測數據處理、展示、應用，進而實現三角島常態化監視監測與預警，促進海島資源的科學合理利用，推進海島的可持續發展。

2.2 總體架構

系統按照物聯網體系感知層、網絡層、應用層3層架構設計建設。總體架構圖如圖2所示。具體介紹如下：

1）感知層。通過可見光/熱紅外攝像機、客流統計攝像機、多參數水質在線分析儀、環境感知節點、無線微環境終端等傳感器設備，實現海島天氣、空氣質量、土壤、水質等生態要素監測及人員流動和安全監控。

2）網絡層。通過無線基站、物聯網網關、交換機、4G/5G、光纖等將實時監視監測數據傳輸匯聚到各數據庫表中。

3）應用層。將島上生態物聯網監視監測數據進行分析處理，設計系統功能模塊，通過大屏終端展示應用，支撐業務需求。

2.3 技術架構

系統采用B/S架構，部署在島內局域網中的兩臺服務器上，使用主流技術框架，按照前后端分離的理念開發。

在前端，選取漸進式前端框架VUE，圖表框架Echarts，二維地圖框架Openlayer。

在后端，框架服務采用Spring Boot，選取物聯網生態廣泛使用的NodeJS進行高頻、大數據量的處理，地圖服務引擎采用ArcGIS Server，基礎服務采用Java開發。

數據庫采用MySQL存儲系統配置運行信息，Oracle存儲結構化數據，Oracle SDE存儲空間數據，MongoDB存儲非結構化數據。技術架構圖如圖3所示。

3 關鍵技術

3.1 NodeJS技術

NodeJS是一個讓JavaScript運行在服務端的開發平臺，采用Google-V8引擎作為編譯器，使得JavaScript的執行速度遠超Ruby、Python等腳本語言；另外，Nodejs具有開發實時監控系統的能力，它采用事件驅動、異步編程、非阻塞模式的IO處理工作機制，為其帶來在相對低系統資源耗用下的高性能與出眾的負載能力，非常適合用作依賴各種IO資源的中間層服務，可完美解決數據IO密集型、分布式部署環境下的實時應用系統[12]。

3.2 無線多跳自組網技術

無線多跳自組網絡是由一組帶有無線收發裝置的通信終端組成的一個多跳的、機動的自治網絡系統，終端兼具收發信號、路由和報文轉發的功能，彼此之間可以構成任意的網絡拓撲結構。該種網絡中，若某節點發生移動、信號阻隔或失聯，依靠其中繼節點可以自動尋找其他可用的中繼節點進行數據的轉發，網絡自愈合能力很強[13]。目前，該技術已在農業、水利、海事等行業遠程監測監控系統中得到實踐應用，為海島生態物聯網的應用實踐提供積極參考。

3.3 WebGIS技術

WebGIS是以Web界面展示的網絡地理信息系統，通過服務器端的地圖服務發布引擎（如Geoserver、Arcgis server等）將地理空間數據、地理分析處理工具等發布為各種Web服務，如地圖服務、影像服務、要素服務、地理處理服務、地理編碼服務、Globe服務、幾何服務等，這些服務使用標準Web接口，包括：REST；SOAP XML；KML；OGC服務（如WMS、WCS、WFS、WPS和WMTS）；用于多用戶地理數據庫管理的SQL等。

以實現空間數據在互聯網的共享和互操作。作為將Internet技術應用于GIS的產物，WebGIS使得Intermet用戶可以通過任意一個Web節點來瀏覽WebGIS站點中的空間數據、制作專題圖，以及進行各種空間檢索和空間分析等，極大促進了地理信息技術的發展。

4 系統功能實現

根據三角島物聯網監視監測信息分類展示、查詢下載、預警監測、地圖聯動及深化應用需求，系統實現了智能安防、環境監測、地圖展示、告警處理和海島評價5個主要功能模塊，為海島管理人員全面、直觀、高效掌握三角島安全態勢、環境狀態、人員活動等提供信息化支撐，服務海島精細化管理。

4.1 智能安防

接入全島5個監控站位7個攝像機的實時監控畫面，如圖4所示。可在線進行音視頻控制，如抓圖、錄像，以及操控云臺轉向不同方位，設置攝像機變倍、變焦、光圈大小等。

4.2 環境監測

以折線圖方式，直觀呈現全島環境監測站位的傳感器實時監測指標值，如圖5所示。

同時通過系統設置各監測指標的告警閾值，可以及時發現監測要素或監測設備的異常狀態，起到預警監測的作用。系統提供對歷史監測數據的查詢、導出功能，以支撐業務多樣化需求，如圖6所示。

4.3 地圖展示

地圖展示模塊基于WebGIS技術開發，地圖數據目錄集中展示基礎地理數據、海島開發利用數據、海島保護規劃數據等圖層，支持各類地圖服務接入系統，如ArcGIS動態地圖服務、ArcGIS影像服務、WMTS服務、WFS服務、WMS服務等。地圖工具箱支持坐標查詢、測距測面、分屏比對、卷簾地圖等功能。三角島監視監測設備通過所在地理坐標在地圖上進行映射，用設備符號及其顏色實時呈現監測數據告警情況，如紅色表示監測到告警記錄，藍色表示監測正常，如圖7所示。

4.4 告警處理

告警處理功能展示告警統計與告警處理效率信息。按照監視監測站位和設備類型統計報警數量和告警記錄響應時間。同時可根據篩選條件過濾查看歷史監視監測告警信息，如圖8所示。

4.5 海島評價

三角島是以“公益+旅游”模式開發的海島，開通有珠海九洲港—三角島交通航線，可實現30分鐘登島。據相關數據顯示，2023年“五一”試運營期間，登島人數近4 000人次[14]。針對島內安全管理、環境監測、旅游活動3大場景監測需要，系統設計了海島評價模塊，依據三角島生態物聯網監視監測要素及指標，建立了三角島安全、環境、活力3個分項9個評價內容的評價標準及評價方法，實現了三角島生態物聯網監視監測要素—評價方法—業務應用場景評價體系構建，如表2所示。

在三角島評價體系中，海島安全評價由區域入侵、森林防火、地形地貌、煙感監測四項評價內容組成，通過監控設備、煙感設備實時感知環境中監測對象的狀態，判斷監測內容的正常和異常，從而實現海島安全態勢的評價。

海島環境評價由舒適度、空氣質量、水質指數、土壤指數四項評價內容組成，利用環境感知節點監測指標數據，按照相關標準規范計算評價內容結果值，進而判定出評價等級，為海島環境狀況作出指示。

海島活力評價主要反映三角島客流強度特征，通過客流統計攝像機進行人員進出島統計，以每日登島人次和每日離島人次計算當日客流量，再與三角島最大日客流接待量數據進行比較，判定海島客流強度。

系統直觀呈現海島安全態勢、環境狀況、客流強度的評價結果，方便海島管理人員進行態勢感知、研判決策，如圖9所示。

5 結 論

三角島，已逐漸成為廣東省乃至全國無居民海島保護性開發的樣板。本文通過三角島生態物聯網系統的設計與實現，構建了一個將物聯網技術應用在典型海島監視監測方面的具體實例，推進了海島生態物聯網建設發展，同時針對島內安全管理、環境監測、旅游活動監測等主要場景，構建了一套生態物聯網監視監測評價體系，豐富新時代海島自然資源監測評價管理內涵。

系統正式運行后能較好地滿足海島監視監測新模式探索及精細化管理業務的需要，積累了在海島建設生態物聯網的一定經驗，如應注意：

1）海島生態系統的特殊性。海島被海水隔離大陸，使其形成了一個獨立的生態系統，包括島陸、潮間帶、近海海域三個生態子系統。針對海島生態系統的異質性、獨特性和脆弱性，海島生態物聯網建設時可以考慮分區分類、點面結合、立體監測。

2）海島基礎設施的齊備性。海島通常距離海岸一定距離，交通不便，而實施海島生態物聯網建設，需要人員來往于海島與陸地，運送相關設施、設備，對陸島交通、通信、供電、用水等海島基礎設施均提出一定的要求。因此，系統的建設應充分考慮海島基礎設施的齊備性。

3）海島氣候環境的適應性。海島上通常晝夜溫差較大，海風頻繁、風力強且無阻擋，攜帶的水氣多、濕度大、鹽度高，對島上生態物聯網建設設施材料及設備有較強的腐蝕性，而這些設施材料、設備由于長期暴露在海島自然環境中，需要匹配環境溫度、抗風、耐鹽耐腐蝕，因此系統建設時要兼顧對海島惡劣氣候環境的適應性。

同時，建議未來從感知層、網絡層、應用層不斷拓展三角島生態物聯網系統的建設，以加強系統自動化監視監測能力，深化系統智能分析應用，提升技術創新和服務管理水平。

1）在感知層，豐富各類監視監測傳感器設備以獲取更多更精細三角島監視監測對象或要素信息，如通過激光、聲吶、攝影測量等技術手段，開展島體形態、沙灘、島體及周邊海域重要生物等的感知監測。

2）在網絡層，通過島陸專網形式開展海島物聯網監視監測數據中心建設，實現數據匯聚、質檢、抽取、應用、銷毀全生命周期安全管理，島陸數據同步控制。

3）在應用層，結合實景三維、AI、數字孿生技術，對物聯網監視監測場景進行實體建模，動態多維虛實映射，同時構建海島生態評估模型，持續提高海島生態物聯網監視監測智能化分析、應用水平，助力三角島“公益+旅游”保護性開發穩健發展，保障海島生態、資源、經濟和權益協調統一。

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作者簡介：盧鑫（1993—），男，漢族，河南信陽人，工程師，本科，研究方向：自然資源信息化、GIS系統建設；通訊作者：申鍵（1979—），男，漢族，廣東廣州人，高級工程師，本科，研究方向：海域海島管理。