基于Google Maps森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

齊懷琴，周 瓊，路旭明，萬(wàn)曉青

(齊齊哈爾大學(xué) 通信與電子工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾161006)

森林火災(zāi)對(duì)森林的破壞性極大，危害極深，造成的經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)嚴(yán)重。因此，如何長(zhǎng)期不間斷對(duì)森林進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)火災(zāi)做出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并在災(zāi)后能夠全面掌握森林的情況，幫助決策人員能夠做出正確的決策，使火災(zāi)對(duì)森林造成危害降到最低限度成為急需解決的問題。

目前森林火災(zāi)預(yù)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)氣象站發(fā)布風(fēng)速、溫濕度、降雨量等信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，但由于氣象站發(fā)布的數(shù)據(jù)范圍大，而且發(fā)布的周期較長(zhǎng)，無法體現(xiàn)森林環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)變化，導(dǎo)致火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)相對(duì)滯后。為了解決這一問題，本文采用集傳感器技術(shù)、GPS定位技術(shù)、視頻圖像采集技術(shù)、WCDMA無線傳輸技術(shù)于一體的監(jiān)測(cè)設(shè)備采集森林環(huán)境信息，并通過對(duì)Google Maps API的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的發(fā)布，有助于監(jiān)測(cè)人員實(shí)時(shí)掌握各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)信息，盡早控制火情。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含林區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、氣象設(shè)備、3G網(wǎng)絡(luò)、Web服務(wù)器、客戶端?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在防火期，將飛艇升到監(jiān)測(cè)區(qū)域高空，對(duì)森林進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)［1-3］。林區(qū)監(jiān)測(cè)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的溫濕度數(shù)據(jù)及視頻圖像信息進(jìn)行分析判斷，將處理結(jié)果通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送Web服務(wù)器，客戶端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)結(jié)合氣象設(shè)備發(fā)送的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃詾榛痣U(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)提供了技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐，為整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)、高效運(yùn)行提供保證。

2 信息采集終端設(shè)計(jì)

2.1 信息采集終端硬件設(shè)計(jì)

林區(qū)信息采集終端設(shè)備主要由360°變換角度掃描的高倍攝像機(jī)、高性能的ARM9系列處理器(S3C2440A)、溫濕度傳感器、GPS定位模塊、無線發(fā)射模塊組成。其中S3C2440A作為主控制芯片，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的綜合事務(wù)，控制溫濕度傳感器、視頻采集模塊、無線傳輸模塊及GPS定位模塊。該設(shè)備實(shí)時(shí)對(duì)森林監(jiān)測(cè)，為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了數(shù)據(jù)支持?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖

2.2 信息采集終端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)設(shè)備主要通過火焰圖像識(shí)別算法識(shí)別火焰圖像及對(duì)溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，當(dāng)達(dá)到報(bào)警指標(biāo)時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)及GPS定位信息發(fā)送到監(jiān)控中心;未達(dá)到報(bào)警指標(biāo)時(shí)則會(huì)定時(shí)將采集的溫濕度數(shù)據(jù)及GPS信息發(fā)送到監(jiān)控中心，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)做出火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)。監(jiān)測(cè)設(shè)備通過對(duì)溫濕度、圖像的分析判斷為監(jiān)控中心系統(tǒng)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持。實(shí)現(xiàn)軟件流程如圖3所示。

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 開發(fā)環(huán)境

該系統(tǒng)以My Eclipse 8.5作為開發(fā)平臺(tái)，以Tomcat 6.0為服務(wù)器，采用JSP(Java Server Pages)開發(fā)Java Web工程。系統(tǒng)采用JavaScript將Google Maps API V3內(nèi)嵌到自己的網(wǎng)頁(yè)中實(shí)現(xiàn)地圖信息操作，為了能夠迅速回應(yīng)用戶動(dòng)作并向服務(wù)器發(fā)送讀取所需數(shù)據(jù)，采用AJAX技術(shù)。用Servlet作為后臺(tái)的主控程序，采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理森林監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，整體采用B/S架構(gòu)［4-6］。平臺(tái)搭建結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 Google JavaScript Maps API V3

Google為Google Maps API用戶提供一種注冊(cè)碼，在非盈利和合法的前提下是可以免費(fèi)注冊(cè)的［7-9］。開發(fā)人員可以采用JavaScript通過Google公司提供的Google Maps API直接在HTML頁(yè)面上內(nèi)嵌Google Maps信息服務(wù)。通過HTML自身的信息與Google Maps API相結(jié)合，可以大大提高其開發(fā)效率，增強(qiáng)設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)的功能，減少系統(tǒng)功能的重復(fù)開發(fā)，降低了開發(fā)的難度和工作量。

Google JavaScript Maps API V3是一項(xiàng)免費(fèi)服務(wù)，在用戶可免費(fèi)訪問的任何網(wǎng)站上均有提供，其反應(yīng)速度更快，適用于傳統(tǒng)的桌面瀏覽器應(yīng)用程序。該API提供了大量實(shí)用工具用以處理地圖，并通過各種服務(wù)向地圖添加內(nèi)容，從而使網(wǎng)站能夠創(chuàng)建功能全面的地圖應(yīng)用程序。

3.2.2 Ajax+JSP技術(shù)應(yīng)用

Ajax技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在不更新整個(gè)頁(yè)面的前提下維護(hù)數(shù)據(jù)，僅向服務(wù)器發(fā)送和取回必需的數(shù)據(jù)，不再發(fā)送和取回相同的內(nèi)容，這使得Web應(yīng)用程序能夠迅捷地回應(yīng)用戶動(dòng)作，且避免了發(fā)送沒有改變過的信息。

JSP頁(yè)面由HTML代碼和嵌入其中的Java代碼組成。當(dāng)用戶請(qǐng)求JSP網(wǎng)頁(yè)時(shí)，首先執(zhí)行其中的程序段，然后將執(zhí)行結(jié)果連同JSP文件中的HTML代碼一起返回給客戶。插入的Java程序段可以操作數(shù)據(jù)庫(kù)、重新定向網(wǎng)頁(yè)等，以實(shí)現(xiàn)建立動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)所需要的功能。

本文在客戶端用戶通過JavaScript調(diào)用Ajax中間層，向Web應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送Http請(qǐng)求，Web應(yīng)用服務(wù)器通過JSP負(fù)責(zé)界面處理以及后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的處理，將獲取的數(shù)據(jù)通過XML文本傳遞到客戶端，并采用Ajax中間層對(duì)DOM進(jìn)行解析來更新HTML頁(yè)面，使用戶獲得需要的信息。

3.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)以Google Map為模擬載體，以Java算法為后臺(tái)，負(fù)責(zé)對(duì)火情信息識(shí)別、判斷、分析等處理;在HTML頁(yè)面上采用對(duì)Google Maps API，JavaScript算法設(shè)計(jì)，完成對(duì)現(xiàn)實(shí)火災(zāi)的預(yù)警與處理的模擬。系統(tǒng)所用到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)

根據(jù)林區(qū)信息采集終端的處理數(shù)據(jù)結(jié)果，后臺(tái)系統(tǒng)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先判斷是否有報(bào)警信息，當(dāng)有報(bào)警信息時(shí)根據(jù)GPS數(shù)據(jù)在地圖定位該站點(diǎn)，查看該站點(diǎn)視頻監(jiān)測(cè)信息及最新發(fā)布環(huán)境參數(shù)信息;當(dāng)沒有報(bào)警信息時(shí)，后臺(tái)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的溫濕度數(shù)據(jù)，通過黑龍江森林保護(hù)研究所設(shè)計(jì)的801火災(zāi)預(yù)警模型結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)中氣象設(shè)備采集的風(fēng)速、降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)并發(fā)布。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 后臺(tái)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)流程圖

數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)在地圖上顯示的功能是首先通過Fire-DisplayAction.java與數(shù)據(jù)庫(kù)取得連接，讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中所需變量的值，如溫濕度、風(fēng)速、降雨量，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理得到FIRE_GRADE的值，再通過配置web.xml和struts.xml文件，在firedisplay.jsp文件中通過表單將數(shù)據(jù)庫(kù)中所需要的值取出，并在站點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)顯示。具體的代碼如下所示:

/*取得數(shù)據(jù)庫(kù)連接*/

public Connection getCon(){

try{Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver").newInstance();

String url="jdbc:mysql://localhost:3306/firedatabase?user=root&password=root&useUnicode=true&characterEncoding=gb2312";

con=DriverManager.getConnection(url);

}catch(Exception ex){

ex.printStackTrace();

}return con;

public ResultSet query(String sql){

try{con=getCon();

stat=con.createStatement();

rs=stat.executeQuery(sql);

}catch(Exception ex){

ex.printStackTrace();

}return rs;

}

}

/*遍歷數(shù)據(jù)庫(kù)中所需變量的值*/

public String fireDispaly()throws Exception{

rs=query("select*from firetable");

while(rs.next())

{setdata1(rs.getString("AIR_TEMP"));

setdata2(rs.getString("AIR_HUMI"));

setdata3(rs.getString("WIND_GRADE"));

setdata4(rs.getString("RAINFALL"));

setdata5(rs.getString("FIRE_GRADE"));

}

Belt samples size on tensile experiment is shown in the following Figure 2, according this size to cut conveyor belt materials, gage′s length is 20 mm, gage′s cross section area is 25 mm×10 mm, the tensile rate is 500 mm/min.

HttpServletResponse response=ServletActionContext.getResponse();

return"firedisplay";

}

/*通過表單讀取所需變量的值*/

＜form action="firedisplay.action"＞

＜input value="提交"type="submit"/＞

＜/form＞

＜input type="hidden"id="data1"name="data1"value=MYM{data1}＞＜br/＞

＜input type="hidden"id="data2"name="data2"value=MYM{data2}＞＜br/＞

＜input type="hidden"id="data3"name="data3"value=MYM{data3}＞＜br/＞

＜input type="hidden"id="data4"name="data4"value=MYM{data4}＞＜br/＞

＜input type="hidden"id="data5"name="data5"value=MYM{data5}＞

/*在地圖上單擊站點(diǎn)坐標(biāo)顯示采集參數(shù)信息*/

//在用戶單擊的地圖位置上添加標(biāo)記

GRulerControl.prototype.onMapClick_=function(marker，latlng){var me=this.rulerControl_;

var address=me.createInfoWindow_(newMarker);

var data1=document.getElementById("data1").value;

var data2=document.getElementById("data2").value;

var data3=document.getElementById("data3").value;

var data4=document.getElementById("data4").value;

var data5=document.getElementById("data5").value;

var information='溫度(攝氏度):'+data1+'＜br/＞濕度(%):'+data2+'＜br/＞風(fēng)力(級(jí)):'+data3+'＜br/＞降雨量(mm):'+data4+'＜br/＞預(yù)測(cè)火險(xiǎn)等級(jí):'+data5;

var tabs=［new GInfoWindowTab('站點(diǎn)坐標(biāo)'，address)，

new GInfoWindowTab('監(jiān)控信息'，information)］;

//為標(biāo)記添加事件處理函數(shù):單擊標(biāo)記時(shí)顯示信息窗口

GEvent.addListener(newMarker，'click'，

function(){ newMarker.openInfoWindowTabs(tabs，{max-Width:400，selectedTab:0});});

//將創(chuàng)建的標(biāo)記添加到地圖中me.map_.addOverlay(newMarker);

}

以上代碼顯示了沒有報(bào)警信息時(shí)站點(diǎn)信息顯示，有報(bào)警信息時(shí)信息顯示方法和上述代碼類似，不同的是視頻信息顯示需要添加VIDEO_ADDR變量，該變量是視頻存儲(chǔ)的地址，通過鏈接視頻存儲(chǔ)的地址來讀取。

本文對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，當(dāng)沒有報(bào)警信息時(shí)，通過定位站點(diǎn)可以顯示站點(diǎn)坐標(biāo)和監(jiān)控信息，如圖6所示。當(dāng)有報(bào)警信息時(shí)，可以顯示站點(diǎn)坐標(biāo)、監(jiān)控信息(最新發(fā)布的)和監(jiān)測(cè)視頻信息，如圖7所示。

4 小結(jié)

本文通過對(duì)Google Maps API的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集終端的數(shù)據(jù)分析、處理以及在Google地圖上的發(fā)布，不僅提高了監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，也使決策人員非常方便、直觀了解站點(diǎn)的火險(xiǎn)情況，幫助其采取合適的措施控制火情。同時(shí)Google Maps API有強(qiáng)大尋路功能，這使得其Google Maps API在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用具有很大的實(shí)用價(jià)值。

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