傳感器技術(shù)在GIS系統(tǒng)中的應(yīng)用情況分析

GIS系統(tǒng)與傳感器技術(shù)的融合的產(chǎn)物是由萊斯馳所提出的實(shí)況地理學(xué)。實(shí)況地理學(xué)實(shí)現(xiàn)了地理環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、分析與應(yīng)用，也是地理控制動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)獲取的重要手段。實(shí)況地理學(xué)與地理控制改變了許多傳統(tǒng)地理學(xué)應(yīng)用模式，將給GIS帶來(lái)廣泛的影響。

【關(guān)鍵詞】傳感器技術(shù) GIS 應(yīng)用 分析

在第三次科技革命中，計(jì)算機(jī)技術(shù)的跨越式進(jìn)步也給GIS技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)支持。GIS技術(shù)是一個(gè)采集、存儲(chǔ)、管理、分析、描述和應(yīng)用整個(gè)或部分地球表面與空間地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)是對(duì)之前的升級(jí)，其突出的表現(xiàn)是在于將硬件、軟件、數(shù)據(jù)和用戶四大要素進(jìn)行了很好的融合。系統(tǒng)的建立是為獲得地理空間數(shù)據(jù)，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、管理、分析、統(tǒng)計(jì)和制圖等等。

上世紀(jì)60年代，美國(guó)和加拿大首先研發(fā)GIS技術(shù)，其后大批國(guó)家步入到研發(fā)行列。時(shí)至今日，該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到城市規(guī)劃、市政管理、政府管理、資源調(diào)查、環(huán)境評(píng)估、災(zāi)害預(yù)測(cè)、國(guó)土管理等與地理信息相關(guān)的幾乎所有領(lǐng)域。并將為今后的社會(huì)進(jìn)步和發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

1 GIS系統(tǒng)的構(gòu)成及原理介紹

GIS技術(shù)由五個(gè)主要元素所組成：硬件、軟件、數(shù)據(jù)、人員和方法（流程圖見(jiàn)圖1）。所謂硬件就是指該系統(tǒng)操作所使用的物理設(shè)備，設(shè)備主要包括計(jì)算機(jī)；所謂軟件，首先要了解軟件的作用，軟件就是實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并且能自動(dòng)分析數(shù)據(jù)，最終通過(guò)分析達(dá)到顯示地理信息的作用。了解其功能作用之后還需要對(duì)軟件本身的構(gòu)成有一個(gè)初步的概念，軟件中主要的部分對(duì)收集信息進(jìn)行處理的工具、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、為用戶進(jìn)行查詢的工具；數(shù)據(jù)是整個(gè)系統(tǒng)最為重要的部分，是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂和存在的最終價(jià)值；人員主要是指GIS系統(tǒng)的應(yīng)用人員；方法也可以稱為模型，在整個(gè)系統(tǒng)中起到骨架的作用，是指系統(tǒng)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所使用的技術(shù)手段，解決方案。

GIS系統(tǒng)解釋開(kāi)來(lái)就是通過(guò)電腦對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存并且處理的一種技術(shù)手段和工具。在利用計(jì)算機(jī)的前提下將得到的各種信息和參數(shù)按照一定的標(biāo)準(zhǔn)并以固定的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，處理。其最終是為需要它的人造福。信息在傳送到用戶面前的是圖形和圖片等直觀具體的東西。也就是說(shuō)數(shù)據(jù)的使用對(duì)用戶來(lái)說(shuō)并不是一件難事。

2 傳感器技術(shù)的介紹

所謂傳感器，是指能感覺(jué)規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蛳鄳?yīng)被測(cè)量（輸入量）的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺艿幕蝽憫?yīng)的被探測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)的部分，見(jiàn)圖2。

傳感器的種類(lèi)繁多，功能各異，有不同的分類(lèi)。按照傳感器所用的方向的不同，所謂的方向是諸如力學(xué)熱量，磁等分為眾多種類(lèi)。這也從側(cè)面說(shuō)明了傳感器在應(yīng)用范圍的廣泛性。傳感器發(fā)展至今已經(jīng)經(jīng)歷了三代的演進(jìn)。其中第一代的原理是通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的波動(dòng)，通過(guò)傳感器對(duì)波動(dòng)的數(shù)值進(jìn)行感應(yīng)，并在感應(yīng)后將其轉(zhuǎn)化為信號(hào)。第一代的名字叫做結(jié)構(gòu)型傳感器；第二代傳感器是70年代興起的，由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成的固體傳感器；發(fā)展到現(xiàn)在是第三代傳感器，也稱為智能傳感器。

傳感器技術(shù)在未來(lái)人類(lèi)生活的四個(gè)方面起到巨大的推動(dòng)作用：首先是工業(yè)制造業(yè)，傳感器技術(shù)將改變之前工業(yè)革命期間給工作人員造成的惡劣環(huán)境，現(xiàn)代的傳感器技術(shù)為人們?cè)诠I(yè)制造過(guò)程中及時(shí)獲知信息、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題提供了更多的先決條件；其次是醫(yī)學(xué)衛(wèi)生領(lǐng)域，在傳感器的幫助下，醫(yī)生可以最為直觀地觀測(cè)到病人的真實(shí)情況；第三是安全防范領(lǐng)域，傳感器的出現(xiàn)能最大限度的避免事故的發(fā)生，一旦發(fā)生異常情況，該系統(tǒng)可以向相關(guān)人員及時(shí)尋求救助；最后市可穿戴式運(yùn)動(dòng)設(shè)備，傳感器可以矯正人們的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)，并且能夠捕捉運(yùn)動(dòng)中人體信息，為不同人群運(yùn)動(dòng)提供最適合自身的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3 傳感器技術(shù)在GIS系統(tǒng)中的應(yīng)用情況分析

傳感器技術(shù)在近些年迅速發(fā)展，其應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，科技人員充分發(fā)揮其在數(shù)據(jù)采集中的技術(shù)，開(kāi)始在地理和環(huán)境數(shù)據(jù)采集、管理和分析中發(fā)揮重要作用。我們可以看到，傳感器技術(shù)在GIS未來(lái)發(fā)展中所占有的重要地位。

傳感器應(yīng)用到GIS技術(shù)當(dāng)中并不是在最近幾年才開(kāi)始流行的。早在上世紀(jì)末，美國(guó)的一家報(bào)紙上就刊登了一篇題為“地球?qū)伾弦粚与娮悠つw”的文章。這篇文章的作者認(rèn)為，在不久的將來(lái)，地球表面將會(huì)有一層“電子皮膚”。所謂的“電子皮膚”當(dāng)然是虛指，其真正的含義是在地球表面通過(guò)電子測(cè)量裝備嵌入到其中，將設(shè)備所獲得的數(shù)據(jù)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)感知。這種工作原理很大程度上類(lèi)似于攝像機(jī)、心電圖。這里所要檢測(cè)的數(shù)據(jù)包括城市環(huán)境，大氣層甚至于在馬路上飛奔的汽車(chē)也在檢測(cè)的行列里。這樣的大規(guī)模數(shù)據(jù)收集和分析最終也是為解決復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題。

目前，傳感器技術(shù)已滲入到人們?nèi)粘５纳钪校貏e是物聯(lián)網(wǎng)的興起，將更加激發(fā)這一技術(shù)的發(fā)展，UN-GGIM估計(jì)，到2020年世界將有500億個(gè)傳感器聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。尼爾·葛洛斯的“地球電子皮膚”這一概念正在逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

2009 年，萊斯馳在其博士論文中就提出了實(shí)況地理學(xué)的概念。他和他的合作者認(rèn)為傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠幫助GIS系統(tǒng)獲取地理環(huán)境信息，并對(duì)信息進(jìn)行分析處理。這種技術(shù)方式被他們稱之為實(shí)況地理學(xué)。在此之后，雖然其概念使用頻率并不甚高，但就其研究?jī)?nèi)容已經(jīng)逐步形成了一套技術(shù)體系，并且在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)有。隨著研究的深入，費(fèi)舍爾開(kāi)始就實(shí)時(shí)地理學(xué)提出其含義：對(duì)當(dāng)前人類(lèi)活動(dòng)以及所處的地理環(huán)境信息采集，將采集的數(shù)據(jù)與專業(yè)人員進(jìn)行共享的過(guò)程。當(dāng)前人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到傳感器在GIS系統(tǒng)中的應(yīng)用為其帶來(lái)的顯著技術(shù)進(jìn)步。

城市環(huán)境監(jiān)測(cè)就是實(shí)況地理學(xué)技術(shù)方法的應(yīng)用范例，為進(jìn)一步了解該技術(shù)，我們需要進(jìn)一步認(rèn)識(shí)檢測(cè)的整個(gè)過(guò)程，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)傳感器收集所需要的數(shù)據(jù)，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，建立一個(gè)數(shù)據(jù)模型，將檢測(cè)的數(shù)據(jù)以圖形圖像等形式呈現(xiàn)在用戶面前。這一工作的重點(diǎn)在于要將異質(zhì)數(shù)據(jù)在服務(wù)器端進(jìn)行集成；還有一點(diǎn)就是需要將獲得的數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)集成服務(wù)器上進(jìn)一步處理，融合，然后才能進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)分析，以便完成其服務(wù)功能，如圖3。

通過(guò)上面的研究我們可以看到，所謂的實(shí)況地理學(xué)簡(jiǎn)單的理解來(lái)就是傳感器技術(shù)在GIS中的應(yīng)用。實(shí)況地理學(xué)就是通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、融合、處理、最終通過(guò)圖形圖像等形式將數(shù)據(jù)展現(xiàn)在人們面前的學(xué)科。當(dāng)然實(shí)況地理學(xué)不僅僅是GIS技術(shù)與傳感器技術(shù)的融合，這里涉及到多個(gè)技術(shù)門(mén)類(lèi)。在實(shí)況地理學(xué)的整個(gè)技術(shù)過(guò)程中最重要的一步是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。這一步是整個(gè)技術(shù)能夠正常使用的關(guān)鍵所在，也是保證技術(shù)準(zhǔn)確度的最重要環(huán)節(jié)。

傳感器有兩種英文表達(dá)方式，一種是Sensor Web ，另一種是Sensor Network。這兩種表達(dá)我們從單詞上就可以看到兩者的不同。其區(qū)別在于第二個(gè)英文單詞上，前一種英文表達(dá)主要落腳點(diǎn)在Web上，解釋開(kāi)來(lái)就是將通過(guò)傳感器收集的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)共享。并且數(shù)據(jù)的取得如同診斷結(jié)果一般能夠?qū)鞲衅鞫它c(diǎn)的狀況進(jìn)行反饋，通過(guò)反饋的信息來(lái)調(diào)整其他傳感器端點(diǎn)的行為；而第二種英文表達(dá)是只有之前解釋內(nèi)容的前一部分功能，而缺乏另一部分反饋的功能。其實(shí)，Sensor Web發(fā)展到現(xiàn)在，功能不斷強(qiáng)大，同時(shí)它是一個(gè)開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)，一切數(shù)據(jù)都建立在共享的基礎(chǔ)上。

在整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)與共享是其關(guān)鍵性的問(wèn)題，因用處的差異導(dǎo)致傳感器的種類(lèi)繁多，諸如環(huán)境監(jiān)測(cè)影像、航空影像、衛(wèi)星影像、網(wǎng)絡(luò)攝像等，在不同的種類(lèi)傳感器中彼此之間的標(biāo)準(zhǔn)不同就無(wú)法將彼此的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做到共享，為此，開(kāi)放地理空間信息聯(lián)盟（OGC）提出了傳感器使能（SWE -Sensor Web Enablement），并制定了一系列SWE 標(biāo)準(zhǔn)。SWE的出現(xiàn)對(duì)于科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理等多個(gè)方面具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

實(shí)況地理學(xué)在很多方面發(fā)揮著重要的作用，比如在環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)方面，在工業(yè)進(jìn)程不斷加快，環(huán)境日益惡化的今天或許該技術(shù)的功能更能引起人們的關(guān)注。在對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)采集分析使用的過(guò)程中，很重要的一步是要將傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等異質(zhì)或異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。在GIS系統(tǒng)與傳感器技術(shù)結(jié)合技術(shù)在環(huán)境檢測(cè)的理論研究中，我國(guó)眾多科技人員提出了先進(jìn)的理論，比如郭浩等人對(duì)空間位置和視頻空間之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)查詢顯示等功能；李德仁等提出的將可量測(cè)的地面實(shí)景影像與4D產(chǎn)品集成。

GIS系統(tǒng)的不斷升級(jí)也為實(shí)況地理學(xué)的產(chǎn)生提高技術(shù)可能性。因?yàn)閷?shí)況地理學(xué)對(duì)GIS系統(tǒng)的要求很高。在這樣技術(shù)中要求數(shù)據(jù)的融合，并且進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬等等。實(shí)況地理學(xué)發(fā)展的前景廣闊，在未來(lái)城市發(fā)展中有著舉足輕重的地位，該技術(shù)有利于構(gòu)建智慧城市建設(shè)和生態(tài)城市建設(shè)中發(fā)揮舉足輕重的作用，直接能夠改變?nèi)藗兊纳罘绞健Ｒ虼嗽摷夹g(shù)擁有巨大的市場(chǎng)需求，這也敦促該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著時(shí)代的迅速發(fā)展和信息技術(shù)水平的不斷提高，對(duì)GIS的改革和進(jìn)展提出了更高的要求，起到了督促作用，傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也為傳感器技術(shù)應(yīng)用到GIS系統(tǒng)中提供了必要的技術(shù)準(zhǔn)備。當(dāng)代科學(xué)家將傳感器網(wǎng)絡(luò)與GIS的集成融合發(fā)展成為一門(mén)學(xué)科，并將其命名為實(shí)況地理學(xué)。這種技術(shù)不僅能夠保證地理環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并能對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行處理和分析這也在很大程度上改變了傳統(tǒng)地理學(xué)的應(yīng)用模式。

事實(shí)上，現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)的分支彼此并不是互不相關(guān)的，眾多成功的案例表明，兩種技術(shù)的融合能夠在很大程度上促進(jìn)科技的發(fā)展，改變?nèi)藗兊恼J(rèn)知，同時(shí)也通過(guò)科學(xué)技術(shù)改變著人們的生活方式。

參考文獻(xiàn)

[1]馬自強(qiáng)，陳鍇.GPS/GIS與多傳感器技術(shù)在智能交能系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].測(cè)繪科學(xué)，2013（01）：53-57.

[2]鐘耳順.地理控制與實(shí)況地理學(xué)——關(guān)于GIS發(fā)展的思考[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2013（06）：63-67.

[3]周樂(lè)群，康大寧.3S技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其在資源和環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用[J].資源環(huán)境與工程，2014（04）：35-38.

[4]馬奎，王博，魏寧等.一種新型碳納米管氣體傳感器的響應(yīng)特性研究[J].高壓電器，2013（01）：81-84.

[5]王宜永.基于UHF的新型GIS局放傳感器設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009（01）.

[6]吳秋莉，張煒，俸波.基于抗干擾性分析的UHF與HFCT傳感器集約化應(yīng)用[J].電工材料，2015（02）：45-48.

[7]樊蕊娣.基于GIS的數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2014（03）.

[8]劉洪正，曲文韜，平海濤.GIS智能化設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用[J].山東電力技術(shù)，2014（05）：58-62.

作者簡(jiǎn)介

熊昊然（1997-），男，湖北省宜昌市人。現(xiàn)為長(zhǎng)沙理工大學(xué)大學(xué)本科在讀學(xué)生。主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。

作者單位

長(zhǎng)沙理工大學(xué) 湖南省長(zhǎng)沙市 410076