物聯(lián)GIS及其應(yīng)用

吳長彬

一、物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)是時(shí)下非常時(shí)髦的一個(gè)名詞。所謂物聯(lián)網(wǎng)（the internet of things），指的是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識(shí)別裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)［1］。新事物總是容易受到追捧，如同當(dāng)初互聯(lián)網(wǎng)剛出現(xiàn)的時(shí)候，物聯(lián)網(wǎng)似乎正成為一種新的“概念經(jīng)濟(jì)”［2-3］。無錫正舉全市之力努力打造中國的“傳感中心”，把無錫建成傳感網(wǎng)信息技術(shù)的創(chuàng)新高地、人才高地和產(chǎn)業(yè)高地［4］。南京、蘇州緊隨其后，許多廠商正紛紛加入物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈。

從技術(shù)架構(gòu)上來看，物聯(lián)網(wǎng)可分為3層:感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。目前我國物聯(lián)網(wǎng)所需要的自動(dòng)控制、信息傳感、射頻識(shí)別等上游技術(shù)和產(chǎn)業(yè)已經(jīng)基本成熟，而物聯(lián)網(wǎng)所需要的整體系統(tǒng)架構(gòu)、基礎(chǔ)軟件體系平臺(tái)及多領(lǐng)域的感知應(yīng)用尚處于起步階段［5］。

二、空間信息技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)

1.物聯(lián)網(wǎng)中的地理位置特征

日常生活中的信息80%跟地理位置有關(guān)，因而GIS可以應(yīng)用于各個(gè)社會(huì)行業(yè)。GIS具備位置、時(shí)間、屬性三大特征，物聯(lián)網(wǎng)中被嵌入射頻識(shí)別裝置的“物”也同樣具備這三個(gè)特征，可將其看做設(shè)備或設(shè)施資源的一種［6］，正如目前的電力、給排水、銀行設(shè)施一樣，也需要空間位置的管理、路徑的查詢分析、資源配置和調(diào)度等功能，故物聯(lián)網(wǎng)仍然離不開GIS。為了與其他GIS應(yīng)用相區(qū)別，暫且給它一個(gè)名詞——物聯(lián)GIS，即與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的具備位置感知智能的GIS技術(shù)。而且，物聯(lián)網(wǎng)的普及可能是GIS社會(huì)化的又一重大契機(jī)，如同現(xiàn)在的地圖導(dǎo)航應(yīng)用一般?？梢栽O(shè)想，不久的將來，我們也可以在手機(jī)等電子設(shè)備里通過裝載地圖實(shí)時(shí)地查看、監(jiān)控各類物品的當(dāng)前位置和狀態(tài)，從而更加直觀和方便。

2.物聯(lián)網(wǎng)的空間信息采集

為了進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)下物體的空間定位，必須進(jìn)行空間信息的采集。紅外技術(shù)、GPS、遙感傳感器、三維激光掃描等先進(jìn)的技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代測(cè)繪和地理信息系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)的空間信息采集仍然離不開這些技術(shù)。反之，物聯(lián)網(wǎng)本身也為GIS提供了一種新的信息采集方法，拓展了GIS的管理范疇。從這個(gè)意義上看，物聯(lián)網(wǎng)與GIS是一種互相交融的關(guān)系。

3.物聯(lián)網(wǎng)與虛擬地理環(huán)境

在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的世界里，人們已經(jīng)習(xí)慣了網(wǎng)上的虛擬世界。物聯(lián)網(wǎng)的普及則將這個(gè)虛擬世界進(jìn)一步延伸到與我們生活息息相關(guān)的各種實(shí)物中。由此，我們過去所講的數(shù)字城市、虛擬社區(qū)等將被賦予新的內(nèi)涵。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)里的一個(gè)新的而且是最有力的神經(jīng)末梢。過去我們?cè)谔摂M地理環(huán)境中強(qiáng)調(diào)的以“人”作為本體也將延伸為以“人—物”為本體。

三、物聯(lián)GIS需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

1.復(fù)雜的空間關(guān)系和時(shí)空數(shù)據(jù)模型

空間關(guān)系是GIS里非常重要的一個(gè)問題，通常GIS下的空間關(guān)系包括拓?fù)潢P(guān)系、度量關(guān)系、順序關(guān)系。其中拓?fù)潢P(guān)系最為重要，目前GIS管理的大多數(shù)還是靜態(tài)的空間關(guān)系。關(guān)于GIS時(shí)空關(guān)系問題，目前比較常見的有基于快照、基態(tài)修正，以及基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。具備移動(dòng)特征的物體間復(fù)雜的空間關(guān)系及移動(dòng)物體的時(shí)空數(shù)據(jù)模型尚不成熟。

物聯(lián)網(wǎng)下的“物”作為新的一種空間對(duì)象，除了具備位置特征外，還有一種很強(qiáng)的特征，即“移動(dòng)”特征。它會(huì)不停地變換空間位置，是一種連續(xù)運(yùn)動(dòng)的、沒有規(guī)律的時(shí)空對(duì)象，信息必須進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新。其空間拓?fù)潢P(guān)系更應(yīng)是一種復(fù)雜的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型無法很好地描述。因而，如何表達(dá)和描述物聯(lián)網(wǎng)的“物”之間復(fù)雜的關(guān)系和關(guān)聯(lián)問題，成了亟待解決的一個(gè)課題。

2.海量空間數(shù)據(jù)管理與云計(jì)算

有人預(yù)測(cè)，物聯(lián)網(wǎng)將有億萬級(jí)的設(shè)備加入［4，8］，且不斷增長，這樣的信息將是海量的。隨著計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫等的發(fā)展，目前在GIS里已經(jīng)能夠存儲(chǔ)和管理海量的數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量與其他的空間數(shù)據(jù)相比，應(yīng)該不算什么。但是由于它們是實(shí)時(shí)更新的，而不像通常的GIS里隔一段相對(duì)較長的時(shí)間更新，它們的歷史數(shù)據(jù)也需要被存儲(chǔ)，其數(shù)據(jù)量將呈級(jí)數(shù)增長，加上關(guān)聯(lián)的其他信息，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)仍會(huì)是一個(gè)巨大的考驗(yàn)。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元上，筆者認(rèn)為不適合以行政區(qū)為單位，因?yàn)檫@些“物”會(huì)經(jīng)常變換地理位置，采用網(wǎng)格單位的管理模式劃分是比較適宜的。物聯(lián)網(wǎng)的地理信息服務(wù)要求非?？旖?，對(duì)空間查詢和分析的效率要求極高，在云計(jì)算成熟的情況下應(yīng)該是可以做到的。

3.面向大眾“人—物”公共信息共享平臺(tái)

另外一個(gè)需要解決的問題就是信息共享問題。通過不同途徑、不同部門采集的各種電子信息（包括空間信息）可能是多源異構(gòu)的，這些信息如果不能互聯(lián)共享，則必然會(huì)出現(xiàn)障礙。近年來，我國加大了數(shù)字城市建設(shè)的力度，在多個(gè)城市打造了城市公共信息平臺(tái)，目的就是使各行各業(yè)能夠通過城市“一張圖”共享信息。物聯(lián)網(wǎng)采集的空間數(shù)據(jù)也應(yīng)該能夠加入這個(gè)信息共享平臺(tái)，它應(yīng)該是真正面向大眾，基于面向服務(wù)SOA架構(gòu)的，支持語義、語音等形式，聯(lián)接諸如智能社區(qū)管理系統(tǒng)等應(yīng)用系統(tǒng)的，實(shí)現(xiàn)人與物自由暢通交流的平臺(tái)。這才是真正的“智慧城市”。物聯(lián)網(wǎng)即將全面影響城市空間結(jié)構(gòu)與布局［7］。

根據(jù)以上分析，可以初步得到物聯(lián)GIS的技術(shù)解決架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)GIS技術(shù)架構(gòu)

四、應(yīng)用實(shí)例

下面以一個(gè)數(shù)字化礦山系統(tǒng)為例說明物聯(lián)GIS的具體應(yīng)用。由于采礦井下作業(yè)處于地表深處，地質(zhì)條件復(fù)雜，環(huán)境惡劣，瓦斯、粉塵、水害、頂?shù)装迨鹿省⒒馂?zāi)隱患等難以探測(cè)和辨識(shí)，大型事故時(shí)有發(fā)生，給我國采礦生產(chǎn)造成了重大損失，也極大地危及了礦工的人身安全。無法對(duì)各種設(shè)施進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)和監(jiān)控，往往導(dǎo)致礦山在開拓設(shè)計(jì)、巷道布置、采掘設(shè)計(jì)、接替安排、進(jìn)尺計(jì)劃等生產(chǎn)方面沒有充分的安全性、可靠性和合理性保障。利用物聯(lián)網(wǎng)的射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)可自動(dòng)完成礦山各類信息的自動(dòng)采集，而這些采集好的信息通過GIS則可以得到實(shí)時(shí)的定位、展現(xiàn)和監(jiān)控。該系統(tǒng)提供了礦山全景三維視圖，并在場(chǎng)景中集成自動(dòng)化控制設(shè)備（提升系統(tǒng)自動(dòng)化、充填系統(tǒng)自動(dòng)化、選礦系統(tǒng)自動(dòng)化、運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化、數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安全監(jiān)管自動(dòng)化等），可與現(xiàn)有的生產(chǎn)管理系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系、視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，以實(shí)現(xiàn)人員定位、安全監(jiān)測(cè)、設(shè)備管理、應(yīng)急管理、安全巡檢等場(chǎng)景全息化、生產(chǎn)可視化管理功能，見圖2。

五、物聯(lián)網(wǎng)在行業(yè)中的應(yīng)用展望

物聯(lián)網(wǎng)可廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)、物流運(yùn)輸、公共安全、智能交通、智慧醫(yī)療、智慧教育、智慧能源、智能電網(wǎng)、智慧海洋［9］等多個(gè)領(lǐng)域［10］，某些行業(yè)目前已經(jīng)出現(xiàn)一些成功的案例。以智能交通為例，采用射頻識(shí)別技術(shù)，在汽車上安裝“電子標(biāo)簽”，使高速運(yùn)行的車輛能夠“被感知”，相關(guān)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)采集、整理和分析，有效解決車輛自動(dòng)識(shí)別、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及流量精確預(yù)測(cè)等難題。據(jù)報(bào)道，南京將在兩年內(nèi)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)以全面“感知”為基礎(chǔ)的新型智能交通系統(tǒng)，從而加強(qiáng)城市交通管理。

圖2 礦山設(shè)備的虛擬三維管控界面

再以國土資源管理為例，也涉及一些需要被實(shí)時(shí)“感知”的信息，如地質(zhì)災(zāi)害，滑坡、泥石流都等都可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和掌握，甚至可以根據(jù)采集的一些前兆信息進(jìn)行及時(shí)的識(shí)別并預(yù)報(bào)，盡可能降低危險(xiǎn)。另外物聯(lián)網(wǎng)未來可廣泛應(yīng)用于局部重點(diǎn)地區(qū)，如基本農(nóng)田、礦產(chǎn)資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。目前全國正在著力建立國土資源的“一張圖”，將遙感、土地利用現(xiàn)狀、基本農(nóng)田、遙感監(jiān)測(cè)以及基礎(chǔ)地理等多源信息有效地整合起來。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，將使全天候、自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)成為可能，不再需要土地執(zhí)法人員肉眼巡查?？梢酝ㄟ^植入芯片，將每個(gè)私挖濫采點(diǎn)、土地的地塊進(jìn)行連接，只要出現(xiàn)違法行為，第一時(shí)間就可以將信息反饋到執(zhí)法人員那里，進(jìn)行查處、制止，從而實(shí)現(xiàn)國土資源執(zhí)法的“早發(fā)現(xiàn)、早制止、早預(yù)防”。

六、結(jié)束語

地理信息最本質(zhì)、最重要的就是信息的整合、共享，即提供地理信息服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)采用的是給在流動(dòng)的物件賦予特定的身份標(biāo)記，其目的也是實(shí)現(xiàn)信息的有效整合、共享，并為社會(huì)大眾提供服務(wù)，地理信息服務(wù)是其中的重要一項(xiàng)內(nèi)容。因而，可以預(yù)見，物聯(lián)網(wǎng)的普及必將進(jìn)一步推動(dòng)空間信息技術(shù)的發(fā)展。從產(chǎn)業(yè)上講，物聯(lián)網(wǎng)也將為空間信息技術(shù)提供廣闊的舞臺(tái)，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。

［1］ 百度百科.物聯(lián)網(wǎng)［EB/OL］.［2012-04-01］http:∥baike.baidu.com/view/1136308.html?wtp=tt.

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［3］ 揚(yáng)帆.“物聯(lián)網(wǎng)”——熱概念的冷思考［J］.通訊世界，2009（10）:52-52.

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［7］ 陳曦，翟國方.物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展對(duì)城市空間結(jié)構(gòu)影響初探——以長春市為例［J］.地理科學(xué)，2010，30（4）:529-535.

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［9］ 周立，謝宏全，董春來，等.海洋物聯(lián)網(wǎng)展望［C］∥地理信息與物聯(lián)網(wǎng)論壇暨江蘇省測(cè)繪學(xué)會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì).南京:［s.n.］，2010.

［10］ 陳云，張華，張益平.關(guān)于我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思考與建議［J］.科技管理研究，2010（20）:103-106.