基于移動GIS的生態(tài)環(huán)境智能感知方法

楊 志，張 華,張 磊,王 成，張春菊

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

2018年全國兩會審議通過了《深化黨和國家機(jī)構(gòu)改革方案》，不再保留國土資源部、國家海洋局、國家測繪地理信息局，將其職責(zé)整合，組建自然資源部，建立自然資源有償使用制度[1]。生態(tài)環(huán)境是自然資源的重要組成部分。我國長期以來的粗放式發(fā)展，對資源的掠奪、對環(huán)境的巨大破壞，造成生態(tài)環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)重[2]。在這樣的長期快速發(fā)展中累積的資源環(huán)境約束問題日益突出，生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)嚴(yán)重制約了我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。黨的十九大報告將堅(jiān)持人與自然和諧共生作為新時代堅(jiān)持和發(fā)展中國特色社會主義的基本方略之一，將建設(shè)美麗中國作為全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的重大目標(biāo)，提出著力解決突出環(huán)境問題。習(xí)近平總書記更是著重強(qiáng)調(diào)了“綠水青山就是金山銀山”的理念，在決勝全面建成小康社會的階段，不可否認(rèn)的是，小康全面不全面，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是關(guān)鍵。

隨著全球范圍移動互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，新一代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式逐漸成為人的“第二生命”，人們作為“傳感器”行走在真實(shí)社會中制造實(shí)時的、實(shí)地環(huán)境的、大范圍的地理信息[3-4]。特別是具有互動性和實(shí)時性的區(qū)域環(huán)境狀況的地理信息。這類數(shù)據(jù)具有交互性、實(shí)時性、豐富性、社會性等特點(diǎn)，成為數(shù)據(jù)科學(xué)家眼中的金礦[4-5]。隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，越來越多的人開始思考，將“互聯(lián)網(wǎng)+”的思想運(yùn)用于環(huán)保領(lǐng)域，以及將移動客戶端、云計算、大數(shù)據(jù)這些新技術(shù)方法與環(huán)境保護(hù)相結(jié)合。許多歐美國家開始將互聯(lián)網(wǎng)與環(huán)境信息監(jiān)管相結(jié)合，提出智慧環(huán)保的理念。例如，英國環(huán)保局制作了可以讓公眾查到環(huán)境質(zhì)量信息、污染源信息和歷史污染源信息的網(wǎng)站[6]，哈佛大學(xué)和BBN公司合作開發(fā)出的城市環(huán)境監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)City Sense可以報告整個城市實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目[7]。相比于國外，中國起步較晚，但近年來在“互聯(lián)網(wǎng)+”的浪潮中，學(xué)者研究人員、地區(qū)政府部門及環(huán)保產(chǎn)業(yè)公司等各方都紛紛進(jìn)行了該思想的嘗試。例如，陜西省正式上線環(huán)保公眾監(jiān)督互動平臺[8]，阿里巴巴發(fā)布蔚藍(lán)地圖，嘗試將互聯(lián)網(wǎng)和環(huán)保行業(yè)結(jié)合等[9]。但是，這些新的嘗試更傾向于政府部門或科研機(jī)構(gòu)與公司進(jìn)行合作，缺乏公眾參與環(huán)節(jié)，尤其是國內(nèi)，這種情況尤為突出。公眾對環(huán)境保護(hù)的關(guān)注度低，參與渠道單一。然而，引導(dǎo)和鼓勵公眾參與是環(huán)境保護(hù)的重要內(nèi)容之一[10]，我國目前公眾參與環(huán)境保護(hù)在廣度和深度兩方面都有較大的發(fā)展空間。

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”時代背景，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、移動GIS技術(shù)和LBS技術(shù)日趨成熟，本文提出基于移動GIS的生態(tài)環(huán)境智能感知方法，研發(fā)生態(tài)環(huán)境智能感知系統(tǒng)，從大眾的視角感知和獲取生態(tài)環(huán)境信息，為大眾提供實(shí)時動態(tài)環(huán)境信息查詢方式，引導(dǎo)鼓勵公眾參與環(huán)境保護(hù)，提供治理環(huán)境污染新思路。

1 環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1.1 需求分析

目前，公眾對環(huán)境保護(hù)的認(rèn)知程度低，參與的形式單調(diào)、渠道單一[11]。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、移動GIS技術(shù)和LBS技術(shù)日趨成熟，基于移動GIS的生態(tài)環(huán)境感知需求如下：當(dāng)用戶使用客戶端軟件時，系統(tǒng)能夠向用戶提供環(huán)境概況信息，向用戶展示污染地圖，以及對于用戶出行、著裝建議等；當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)污染問題時，用戶可以用帶有GPS定位功能的終端設(shè)備通過拍照、文字的方式將污染問題上傳到系統(tǒng)，并且可以瀏覽、評論其他用戶分享的環(huán)境問題；管理員可以對污染問題進(jìn)行處理，與用戶互動，并且基于系統(tǒng)提供的專題圖、統(tǒng)計信息進(jìn)行決策[12]。另外，系統(tǒng)的性能需求包括：計算機(jī)系統(tǒng)能夠滿足所有功能和數(shù)據(jù)處理的要求；兼容性高，易于同現(xiàn)有設(shè)備相連接；網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)，系統(tǒng)建立在一個強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能基礎(chǔ)上；使用方便、穩(wěn)定性高。

1.2 數(shù)據(jù)庫邏輯模型

環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)包括用戶信息數(shù)據(jù)、污染事件數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)等，邏輯模型如圖1所示，可以對空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理、查詢、增刪和修改。環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫采用MySQL與Geodatabase相結(jié)合的方式進(jìn)行組織和存儲，包括基礎(chǔ)環(huán)境信息表、用戶上傳的環(huán)境信息表、污染評論回復(fù)表、用戶個人信息表、專題數(shù)據(jù)表?；A(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)由已有的監(jiān)測站的監(jiān)測信息和通過智能檢測傳感器獲得，具體包括監(jiān)測站編號、監(jiān)測站名稱、位置信息、環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)。用戶上傳的污染信息主要為用戶在某地發(fā)現(xiàn)污染事件，經(jīng)過拍照、視頻、文字對產(chǎn)生的污染事件進(jìn)行的描述，主要包括污染信息ID、媒體數(shù)據(jù)、文字信息、位置信息等。污染評論與回復(fù)表主要包括公眾和管理人員之間關(guān)于解決環(huán)境問題的互動數(shù)據(jù)，其內(nèi)容包括污染事件ID、評論、回復(fù)內(nèi)容事件、事件、用戶ID等。用戶個人信息表主要存儲用戶名、密碼、ID、積分等個人數(shù)據(jù)。專題圖數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)屬性層、用戶上傳的污染情況屬性層，用于進(jìn)行空間分析和可視化表達(dá)。

2 基于移動GIS的生態(tài)環(huán)境智能感知系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

本文系統(tǒng)采用B/S、C/S體系架構(gòu)，如圖2所示，底層數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)、用戶信息、用戶環(huán)境數(shù)據(jù)、專題圖數(shù)據(jù)[13]。采用MySQL存儲和管理各種位置信息、屬性信息，Geodatabase存儲專題圖數(shù)據(jù)。應(yīng)用服務(wù)層由Apache Tomcat服務(wù)器結(jié)合百度Map服務(wù)器和ArcGIS Server組成，采用Myeclipse10.0+Java JDK1.7平臺開發(fā)本地服務(wù)端，地圖操作部分由百度地圖完成，由ArcGIS Sever平臺和本地服務(wù)器搭建服務(wù)端進(jìn)行專題圖操作，客戶層由客戶端和網(wǎng)頁端組成，采用Android平臺和JavaScript嵌入百度地圖API、ArcGIS API，以及將用戶的查詢、訪問操作通過HTTP請求與服務(wù)器通信。

2.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本文系統(tǒng)采用客戶端通過Android Studio 2.3進(jìn)行開發(fā)，通過調(diào)用百度Map接口實(shí)現(xiàn)地圖操作，基于HTTP協(xié)議與服務(wù)器通信，服務(wù)器使用Myeclipse10.0+Java JDK1.7平臺開發(fā)、數(shù)據(jù)庫采用MySQL和Geodatabase相結(jié)合的方式。通過調(diào)用PM25.in接口和天氣接口實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)采集，用戶通過智能終端使用APP進(jìn)行實(shí)現(xiàn)查詢環(huán)境質(zhì)量指數(shù)、查看環(huán)境污染地圖、污染分享和解決。

2.2.1 用戶位置環(huán)境概況查詢

如圖3所示，該系統(tǒng)軟件通過騰訊天氣的接口，定位到用戶目前所處位置，用戶可以查詢具體各個時段的天氣狀況，同時包含了天氣預(yù)報、穿衣指數(shù)、交通指數(shù)、運(yùn)動指數(shù)、出游指數(shù)等信息，旨在為用戶提供更全面、更便捷的生活服務(wù)。

2.2.2 用戶信息管理

用戶分為普通用戶和管理者，普通用戶即民眾，管理者為各地區(qū)環(huán)境監(jiān)管部門及環(huán)保協(xié)會等組織，各地區(qū)管理者針對用戶所共享的問題進(jìn)行協(xié)調(diào)解決并反饋至系統(tǒng)中，用戶可以查詢到問題的解決進(jìn)度。

2.2.3 大氣環(huán)境質(zhì)量獲取及分析

人們對所生活的環(huán)境中空氣質(zhì)量非常關(guān)切，能否實(shí)時地反映周邊的空氣質(zhì)量成為人們迫切關(guān)注的問題。通過百度地圖API，以合肥市為例，通過PM25.in網(wǎng)站可以獲取設(shè)立在合肥市的監(jiān)測站所采集到的基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析，從而用戶可以使用該系統(tǒng)軟件隨時查看自己所處位置的空氣質(zhì)量指數(shù)、污染指數(shù)及首要污染物等信息(如圖4所示)。

2.2.4 環(huán)境問題的共享及問題追蹤

環(huán)境是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，而環(huán)境問題往往與地理空間是相結(jié)合的。在進(jìn)行一個地區(qū)環(huán)境質(zhì)量評價和分析時，大多以行政單位為對象進(jìn)行評價，從而每個地區(qū)只能反映出一個平均值，然而卻掩蓋了無法實(shí)際反映一個點(diǎn)的環(huán)境狀況的問題，精度不高[14]。用戶可以通過該系統(tǒng)隨時將自己所發(fā)現(xiàn)的環(huán)境問題及其位置上傳到網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行共享，從而引起更多人的關(guān)注。同時其他用戶可以查看到這一問題的實(shí)際地點(diǎn)，從而精確定位并解決問題。管理員可以是環(huán)保部門人員也可以是政府部門人員或社區(qū)物業(yè)人員，他們可以對于污染問題及時進(jìn)行實(shí)地了解并聯(lián)系有關(guān)部門進(jìn)行處理，向公眾回復(fù)處理進(jìn)程。環(huán)境問題共享及問題追蹤如圖5所示。

2.2.5 空間插值分析功能

本文系統(tǒng)采集的監(jiān)測站數(shù)據(jù)只是局部、離散、有限空間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，需要通過空間插值的方法來獲得連續(xù)有序的空間數(shù)據(jù)?？臻g插值的方法有反距離加權(quán)法、泰森多邊形法、多項(xiàng)式回歸法、克里金法等。克里金空間插值方法是基于一般最小二乘算法的隨機(jī)插值技術(shù)，用方差圖作為權(quán)重函數(shù)，可被應(yīng)用于任何需要用點(diǎn)數(shù)據(jù)估計其在地表上分布的現(xiàn)象，被廣泛應(yīng)用于地理科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、大氣科學(xué)研究[15]。本文采用克里金空間插值方法生成專題圖，將離散的監(jiān)測站數(shù)據(jù)通過克里金空間插值可得到連續(xù)區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量狀況，并且輔助圖表展示各種污染物的變化趨勢，幫助用戶了解自己所在位置的空氣質(zhì)量和在空間上污染分布情況，并且有助于管理者進(jìn)行規(guī)劃決策和環(huán)境治理工作。可視化分析功能如圖6所示。

3 結(jié) 語

本文基于移動互聯(lián)網(wǎng)的高速普及和“互聯(lián)網(wǎng)+”浪潮的時代背景，綜合利用地理信息系統(tǒng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、LBS服務(wù)等技術(shù)，開展基于移動GIS的生態(tài)環(huán)境智能感知方法研究，開發(fā)基于Android平臺的APP，實(shí)現(xiàn)查詢環(huán)境質(zhì)量指數(shù)、查看環(huán)境污染地圖、污染一鍵分享和解決等功能，從而引導(dǎo)更多的社會公眾參與環(huán)保工作，掌握公眾參與環(huán)保的態(tài)度和行為模式，從公眾的角度反映環(huán)保工作的重難點(diǎn)， 形成測繪地理信息資源獲取的新思路，推動測繪地理信息科學(xué)的社會化、大眾化和智能化發(fā)展。