基于景感生態(tài)學(xué)的生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)框架構(gòu)建

鄭淵茂,王業(yè)寧,周 強(qiáng),王豪偉

1 中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所 城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廈門(mén) 3610212 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

快速的城市化率需要啟動(dòng)和促進(jìn)城市生態(tài)環(huán)境的科學(xué)研究,來(lái)耦合城市發(fā)展和生態(tài)環(huán)境過(guò)程,實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展。生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有助于城市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究與管理。生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與管理的信息化與智能化,是生態(tài)文明建設(shè)的緊要內(nèi)容。生態(tài)文明是指能夠保持和改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),并能夠?yàn)槊癖娞峁┛沙掷m(xù)福利的文明形態(tài)[1]。顯然,生態(tài)文明是一種走向可持續(xù)發(fā)展的文明形態(tài)。景感生態(tài)學(xué)理論涉及表征自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、心理、預(yù)期、過(guò)程與風(fēng)險(xiǎn)等方面[2-3]。因此,基于景感生態(tài)學(xué)理論,完善生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估體系,運(yùn)用監(jiān)測(cè)和評(píng)估結(jié)果,可為生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

生態(tài)環(huán)境是國(guó)家生態(tài)文明和美麗中國(guó)建設(shè)的重要組成部分,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展,人口的不斷增加,人類面臨的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻,土地退化、水資源短缺、空氣污染、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加、全球氣候變化等嚴(yán)重問(wèn)題,不利于和諧社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[4- 6]。同時(shí),目前城市化快速發(fā)展,城市生態(tài)環(huán)境破壞狀況頻發(fā),導(dǎo)致了大氣、水質(zhì)、土壤等環(huán)境質(zhì)量下降,造成生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)和功能退化等嚴(yán)重問(wèn)題[7-8]。生態(tài)環(huán)境與人類的生存和發(fā)展息息相關(guān),涉及氣候變化、生態(tài)演變、人類活動(dòng)影響等重大科學(xué)問(wèn)題,關(guān)乎社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與城市的可持續(xù)發(fā)展,受到了國(guó)際社會(huì)的高度關(guān)注[9-10]。隨著生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的日益突出,生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)越來(lái)越受到廣泛的重視[11- 13]。因此,亟需推進(jìn)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與管理。隨著衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展,尤其是高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的不斷出現(xiàn),遙感技術(shù)與遙感數(shù)據(jù)已成為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)重要手段之一[14- 16]。近年來(lái),衛(wèi)星遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的作用明顯,通過(guò)衛(wèi)星遙感進(jìn)行高時(shí)空分辨率的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)估,可迅速得到較大尺度上的生態(tài)環(huán)境破壞的空間范圍[17-18]。

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)是掌握生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況和發(fā)展趨勢(shì)的重要手段,對(duì)于生態(tài)環(huán)境管理與污染快速處置具有重要意義。目前,衛(wèi)星遙感技術(shù)可快速、大面積獲取生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)要素的內(nèi)容,但也存在遙感數(shù)據(jù)與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)要素的數(shù)據(jù)尺度不匹配、不能滿足小尺度研究對(duì)反演精度的要求[14]。隨著物聯(lián)網(wǎng)和信息科學(xué)的發(fā)展,傳感器和通信領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步,為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理提供了新的理論和方法,可以更完整、全方位地進(jìn)行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè),使得生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)具備實(shí)用性、有效性與快捷性。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展了一定的研究,比如,Zhao 等[2-3]創(chuàng)新性地提出景感生態(tài)學(xué),并通過(guò)構(gòu)建廈門(mén)LUEORS對(duì)我國(guó)城市生態(tài)環(huán)境進(jìn)行實(shí)地研究,提出“物靈網(wǎng)(ZeroIoT)”的概念以輔助建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的智慧城市；同時(shí),Zhao 等[19]提出用于中國(guó)的“Town Villages”生態(tài)管理系統(tǒng)。Wang 等[20]闡明環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的整體框架與主要內(nèi)容。Dong 等[21-22]提出物聯(lián)網(wǎng)噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的域模型,構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)在噪聲監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的方法,為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用推廣提供新思路。Wang 等[23]和Gao 等[24]基于環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)分別對(duì)水環(huán)境、濕地及土壤環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測(cè)。Li 等[25-26]利用環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)將公眾參與納入聲景觀評(píng)價(jià)體系,為可持續(xù)城市生態(tài)環(huán)境管理服務(wù)。劉鑫[27]建成了多個(gè)生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng),構(gòu)建北運(yùn)河香河段生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境管理體系框架。張娜等[28]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),提高了監(jiān)測(cè)精度。Saravanan 等[29]提出一種與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)控制與數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng),用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì),結(jié)果表明該系統(tǒng)性能優(yōu)于現(xiàn)有系統(tǒng),取得了較好的效果。Dhingra 等[30]提出了一種三相空氣污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng),包含氣體傳感器、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)和Wi-Fi模塊,用戶可從云端訪問(wèn)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),并可預(yù)測(cè)未來(lái)空氣質(zhì)量。這些研究均已獲得了良好的成果,但主要涉及在環(huán)境領(lǐng)域且主要是監(jiān)測(cè)水質(zhì)或空氣的單要素,尚少有關(guān)于集成水質(zhì)、土壤、綜合氣象、大氣環(huán)境及污染物等多要素、全維度一體化監(jiān)測(cè)的報(bào)道?；诖?本文提出的生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)可進(jìn)行生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域多要素、全方位與全天候的監(jiān)測(cè)與管理,對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警、模擬和管理方面具有重要的潛在應(yīng)用與意義。

因此,本文基于景感生態(tài)學(xué)理論,完善生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系,開(kāi)展了生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)平臺(tái)構(gòu)建,并論述其完整的框架。通過(guò)生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用,對(duì)提升我國(guó)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的信息化水平,具有重要社會(huì)意義[31]。本文提出的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)框架方法可實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)中生態(tài)環(huán)境全要素、立體化的實(shí)時(shí)感知、數(shù)據(jù)管理與綜合分析,為生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和智能管理服務(wù)。

1 理論

1.1 景感生態(tài)學(xué)

景感生態(tài)學(xué)是以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo),基于生態(tài)學(xué)的基本原理,從自然要素、物理感知、心理感知、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、過(guò)程與風(fēng)險(xiǎn)等相關(guān)方面,研究土地利用規(guī)劃、建設(shè)與管理的科學(xué)[2-3]。自然要素包括光、熱、水、土、地磁、放射性與地形地貌等,物理感知包括人們的視覺(jué)、嗅覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、光覺(jué)、觸覺(jué)(風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度等),心理感知包括宗教、文化、愿景、隱喻、安全、社區(qū)關(guān)系與福利等[2-3]。景感生態(tài)學(xué)涉及到多要素的研究,其中一些要素從屬自然要素、物理感知或心理感知等多重屬性；顯然,這些要素的出現(xiàn)與否和不同組合會(huì)導(dǎo)致不同的利用效果[2]。

景感生態(tài)學(xué)的內(nèi)涵表明,它的應(yīng)用將直接或間接地涉及表征自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、心理、預(yù)期、過(guò)程與風(fēng)險(xiǎn)等方面的數(shù)據(jù)。城市在自然環(huán)境和人文環(huán)境各要素間相互作用中形成了特色的地理環(huán)境,其產(chǎn)生的“迷碼”數(shù)據(jù)量巨大,環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)、3S技術(shù)等技術(shù)提升了該類數(shù)據(jù)的獲取能力,這些新的數(shù)據(jù)形式奠定了生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的重要基礎(chǔ),有助于推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)的深度融合。

“迷碼”數(shù)據(jù)包括“混合”數(shù)據(jù)和“行進(jìn)”數(shù)據(jù)這兩類數(shù)據(jù)?！盎旌稀睌?shù)據(jù)是指通過(guò)不同途徑、不同來(lái)源、不同時(shí)空尺度等各種形式獲得的具有相同或不同性質(zhì)的各類數(shù)據(jù)；“行進(jìn)”數(shù)據(jù)是指工作程序?qū)嵤┻^(guò)程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)[2]。本文構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)獲取的生態(tài)環(huán)境各要素的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)即包含了“混合”數(shù)據(jù)和“行進(jìn)”數(shù)據(jù)。

1.2 環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)

環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)是一種具有環(huán)境感知與管理功能的綜合系統(tǒng),包括感知環(huán)境系統(tǒng)和智慧管理系統(tǒng),基于環(huán)境大數(shù)據(jù)中心平臺(tái),通過(guò)對(duì)環(huán)境各要素的實(shí)時(shí)感知、數(shù)據(jù)傳輸、綜合分析及深度挖掘環(huán)境問(wèn)題,整體把握環(huán)境變化趨勢(shì),為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供信息管理與決策的技術(shù)支持[32-33]。環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)有三個(gè)主要特征[34],第一是全傳感,即傳感器被用于隨時(shí)隨地檢測(cè)信息；第二是可靠傳送,因?yàn)樾畔⑹峭ㄟ^(guò)各種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和Internet的綜合傳送；三是智能處理,利用云計(jì)算、模糊識(shí)別等計(jì)算技術(shù)對(duì)海量數(shù)據(jù)分析處理,對(duì)事物進(jìn)行智能控制。因此,通常認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)由3個(gè)層次組成：收集數(shù)據(jù)的感知層、傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層和處理分析數(shù)據(jù)的應(yīng)用層。總之,物聯(lián)網(wǎng)是集信息采集、傳輸與處理等分布式技術(shù)為一體的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng),具有低成本、小型化、低功耗、靈活的網(wǎng)絡(luò)和對(duì)移動(dòng)目標(biāo)適應(yīng)性。

景感生態(tài)學(xué)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用需對(duì)生態(tài)及相關(guān)動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行長(zhǎng)期的、實(shí)時(shí)的、原位的觀測(cè),包括客觀的“感”和人們主觀的“感”等方面。這類觀測(cè)只有通過(guò)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的途徑才有可能獲得,通過(guò)其他途徑是很難或無(wú)法獲得的[2]。

其次,物聯(lián)網(wǎng)為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了可行的途徑,進(jìn)而為生態(tài)環(huán)境的規(guī)劃、建設(shè)、管理與調(diào)控等提供了有效的保障[2]。視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)與觸覺(jué)等物理感知功能作為一個(gè)系統(tǒng)且常常是相互影響的。生態(tài)環(huán)境作為一個(gè)整體也是不可拆分的,在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中既要分別研究各種物理感知,也要把各種物理感知作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行研究。因此,物聯(lián)網(wǎng)是景感生態(tài)學(xué)不可或缺的有效工具,同時(shí)景感生態(tài)學(xué)為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供方向和思路[2]。

2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)要素與點(diǎn)位分析

本文構(gòu)建的城市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)是基于景感生態(tài)學(xué)理論的自然要素和物理感知這兩方面開(kāi)展城市生態(tài)環(huán)境的要素監(jiān)測(cè)。具體地,主要從自然要素中的光、熱、水質(zhì)、土壤、綜合氣象(雨量、氣壓等)；以及物理感知的視覺(jué)(環(huán)境狀況)、嗅覺(jué)(大氣污染物等)、聽(tīng)覺(jué)(噪聲等)、觸覺(jué)(風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度等)進(jìn)行全方位、持續(xù)地監(jiān)測(cè),來(lái)完整地表征生態(tài)環(huán)境的時(shí)空狀況；同時(shí),加強(qiáng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析,全面、精確、及時(shí)地掌握監(jiān)測(cè)要素對(duì)象的現(xiàn)狀、動(dòng)態(tài)變化、發(fā)展趨勢(shì)及相互影響,為城市生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與管理規(guī)劃等提供數(shù)據(jù)支撐。

其次,生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)一定的監(jiān)測(cè)目的和功能屬性,組成統(tǒng)一規(guī)則運(yùn)行的系統(tǒng)。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)是生態(tài)文明建設(shè)的重要支撐,而監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的網(wǎng)絡(luò)布設(shè)是監(jiān)測(cè)工作中的一個(gè)重要問(wèn)題[35-36]。因此,生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)是實(shí)施生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理的重要措施?；诖?對(duì)城市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位網(wǎng)絡(luò)的選取,需結(jié)合生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)區(qū)域的空間布局、城市規(guī)劃、歷史綜合氣象資料、以及在生態(tài)敏感特征與污染物濃度空間分布特征調(diào)查的基礎(chǔ)上,并經(jīng)過(guò)綜合分析來(lái)確定監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)位的數(shù)量和布局,使其達(dá)到足夠的空間代表性和經(jīng)濟(jì)適宜性。

2.2 非規(guī)則網(wǎng)格最優(yōu)法

針對(duì)目前生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位采用規(guī)則格網(wǎng)劃分,其存在獲取數(shù)據(jù)代表性不夠完整、經(jīng)濟(jì)不夠適宜性等問(wèn)題。本文基于景感生態(tài)學(xué)理論的心理感知、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、過(guò)程與風(fēng)險(xiǎn)等相關(guān)方面,提出非規(guī)則網(wǎng)格最優(yōu)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的布設(shè)。非規(guī)則網(wǎng)格最優(yōu)法以非規(guī)則網(wǎng)格法為主體,結(jié)合多目標(biāo)約束和聚類分析約束條件,對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)位的分布布局進(jìn)行優(yōu)化。具體方法內(nèi)容如圖1所示,非規(guī)則網(wǎng)格最優(yōu)法的步驟如下：

(1)在城市空間布局和城市規(guī)劃資料等統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上,通過(guò)生態(tài)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和生態(tài)敏感特征調(diào)查,確定生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)。構(gòu)建的非規(guī)則網(wǎng)格法是基于景感生態(tài)學(xué)理論的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、過(guò)程感知、心理感知、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和轄區(qū)管理等方面計(jì)算監(jiān)測(cè)區(qū)數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)多層地理信息空間疊加分析及綜合研判,將生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)初步劃分為多個(gè)不規(guī)則網(wǎng)格。

(2)從人口約束、成本約束、空間約束及地形約束等方面為多目標(biāo)約束條件,對(duì)非規(guī)則網(wǎng)格的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行分析,建立區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)布點(diǎn)模型并優(yōu)化求解,得出生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)的初步優(yōu)化結(jié)果。

(3)以氣象分析、地形分析、功能布局分析與目標(biāo)敏感分析等為聚類分析約束條件；基于地理空間分析,在求解監(jiān)測(cè)網(wǎng)初步優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上,根據(jù)物以類聚對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行分類與統(tǒng)計(jì)分析,著重將多個(gè)相似監(jiān)測(cè)點(diǎn)位聚為一類；最終,得到生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)的點(diǎn)位空間布局和經(jīng)濟(jì)適宜性的最優(yōu)化。

圖1 非規(guī)則網(wǎng)格最優(yōu)法Fig.1 Irregular grid optimization method

因此,本文構(gòu)建的非規(guī)則網(wǎng)格最優(yōu)法是基于景感生態(tài)學(xué)理論,從目標(biāo)物體的內(nèi)在本質(zhì)與外在空間數(shù)據(jù)約束構(gòu)建全屬性進(jìn)行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位模型的最優(yōu)化求解。與單一的目標(biāo)約束和聚類分析約束主要從目標(biāo)對(duì)象的外在空間屬性進(jìn)行優(yōu)化相比；非規(guī)則網(wǎng)格最優(yōu)法具有考慮目標(biāo)對(duì)象的全屬性、內(nèi)外一體特征,可從目標(biāo)對(duì)象內(nèi)在本質(zhì)的感知和外在空間數(shù)據(jù)約束結(jié)合一體化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)位全方位的約束計(jì)算求解,最終可計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的最優(yōu)化方案?？傊?通過(guò)本文提出的非規(guī)則網(wǎng)格最優(yōu)法可計(jì)算生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量的最優(yōu)解,同時(shí)也使得生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的空間布局與經(jīng)濟(jì)適宜性達(dá)到最優(yōu)化。

3 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的構(gòu)建

本文構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)施主要由：生態(tài)環(huán)境各要素傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理與控制裝置,以及遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)等部分構(gòu)成。根據(jù)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的要求,首先,安裝土壤、水質(zhì)與大氣傳感器,以及降水、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度與氣壓等綜合氣象要素傳感器；其次,構(gòu)建有線和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)硬件,并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套遠(yuǎn)程監(jiān)控管理軟件平臺(tái),建立一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)環(huán)境遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此外,本文構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)獲取是基于地面的固定監(jiān)測(cè)站、基于海洋的無(wú)人船搭載的傳感器,以及基于空中的無(wú)人機(jī)搭載的傳感器集成的陸海空一體化監(jiān)測(cè)采集終端,并通過(guò)地面監(jiān)控站遠(yuǎn)程控制的生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)預(yù)警。構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的具體方案,如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)方案Fig.2 Platform solution for Internet of Things monitoring

3.1 陸?？找惑w化數(shù)據(jù)獲取

首先,本文的數(shù)據(jù)獲取主要是對(duì)生態(tài)環(huán)境的各要素進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過(guò)基于地面、海洋、空中的數(shù)據(jù)采集終端構(gòu)建陸?？找惑w化進(jìn)行生態(tài)環(huán)境各要素監(jiān)測(cè)。其中,在陸海空一體化生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備中,地面是固定監(jiān)測(cè)站,海洋是無(wú)人船搭載傳感器,空中是無(wú)人機(jī)搭載傳感器。

地面數(shù)據(jù)采集是通過(guò)固定監(jiān)測(cè)站構(gòu)建綜合氣象和土壤傳感器。通過(guò)構(gòu)建多要素監(jiān)測(cè)集成的綜合氣象傳感器可實(shí)時(shí)、全天候采集地表自然要素的光照、熱量、雨量、氣壓,以及物理感知要素的風(fēng)速、風(fēng)向溫度、濕度與噪聲等；通過(guò)土壤傳感器可監(jiān)測(cè)地表自然要素的土壤水分、濕度以及土壤PH值的土壤環(huán)境各要素的狀況。此外,可設(shè)計(jì)移動(dòng)式傳感器來(lái)輔助地面各要素信息的采集獲取,還可采用其他類型的傳感器作為地面數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行數(shù)據(jù)的感知獲取。

海洋數(shù)據(jù)采集是通過(guò)無(wú)人船搭載水環(huán)境和水質(zhì)傳感器等。通過(guò)水環(huán)境傳感器可監(jiān)測(cè)物理感知要素的水體溫度、水渾濁度及水污染狀況；通過(guò)水質(zhì)傳感器可監(jiān)測(cè)物理感知要素的水體環(huán)境和水體質(zhì)量；且無(wú)人船上安裝有GPS定位系統(tǒng),可精確定位水環(huán)境嚴(yán)重污染重點(diǎn)區(qū)域的空間位置和范圍,來(lái)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確了解水域的生態(tài)環(huán)境狀況。

空中數(shù)據(jù)采集是通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載大氣氣體監(jiān)測(cè)儀、多/高光譜傳感器以及數(shù)碼相機(jī)等。無(wú)人機(jī)可在野外高寒及高熱等高危環(huán)境的監(jiān)測(cè)人員難以到達(dá)地方進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)。通過(guò)大氣氣體監(jiān)測(cè)傳感器可快速、實(shí)時(shí)地獲取不同區(qū)域與不同高度中物理感知要素的CO2、SO2、PM1.5、PM2.5、NO、O3等氣體的大氣環(huán)境狀況以及粒子溶度與污染物擴(kuò)散狀況；通過(guò)多/高光譜傳感器可進(jìn)行物理感知視覺(jué)要素的水環(huán)境、水質(zhì)與地表植物病蟲(chóng)害狀況的遙感監(jiān)測(cè)；通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載數(shù)碼相機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)可進(jìn)行視覺(jué)要素的地表地貌與地物的生態(tài)環(huán)境狀況快速監(jiān)測(cè),尤其對(duì)污染面域準(zhǔn)確及時(shí)地響應(yīng)監(jiān)測(cè)與分析。陸?？找惑w化的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的各要素,如圖3所示。

圖3 陸?？找惑w化的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)要素Fig.3 Ecological environment monitoring elements based on land, sea and air integration

3.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊用于數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境,數(shù)據(jù)傳輸主要分為有線局域網(wǎng)傳輸和無(wú)線局域網(wǎng)傳輸,在地面的數(shù)據(jù)采集模塊由于布線方便,可采用有線局域網(wǎng)傳輸或無(wú)線局域網(wǎng)傳輸；在海洋和空中的數(shù)據(jù)采集模塊由于布線不方便,采用無(wú)線局域網(wǎng)傳輸。即對(duì)于地面各傳感器獲取的數(shù)據(jù),可通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊,而對(duì)無(wú)人船和無(wú)人機(jī)搭載的傳感器數(shù)據(jù)采用無(wú)線局域網(wǎng)的傳輸方式。

數(shù)據(jù)傳輸模塊中,野外地面基站主要配置無(wú)線網(wǎng)橋、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以及監(jiān)控計(jì)算機(jī)等設(shè)備。其中無(wú)線網(wǎng)橋是接收傳輸模塊中無(wú)線數(shù)據(jù)采集器發(fā)送生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的光照、熱量、土壤環(huán)境、水環(huán)境、大氣與綜合氣象等各類要素的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)中安裝定制開(kāi)發(fā)的監(jiān)控管理平臺(tái)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集、查詢與傳輸。

其次,構(gòu)建有線和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)硬件,設(shè)計(jì)基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸管理平臺(tái)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是利用交叉學(xué)科優(yōu)勢(shì)對(duì)生態(tài)環(huán)境的各要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)數(shù)據(jù)傳輸在時(shí)空范圍內(nèi)進(jìn)行拓展和探索,克服傳統(tǒng)原位采樣和測(cè)試方法帶來(lái)的滯后和誤差,提高了獲取數(shù)據(jù)的效率和準(zhǔn)確性。最后,將野外地面基站收集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行管理分析。具體流程如圖2中的數(shù)據(jù)傳輸模塊。

3.3 數(shù)據(jù)處理模塊

在野外地面基站將生態(tài)環(huán)境地面、海洋和空中的各類采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器,可進(jìn)行各類數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)、分析與處理。對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器收集到生態(tài)環(huán)境各要素、全方位的地面數(shù)據(jù)、海洋數(shù)據(jù)與空中數(shù)據(jù),按照統(tǒng)一布局將各類數(shù)據(jù)信息完整地進(jìn)行分類儲(chǔ)存與分類處理,便于后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)綜合分析,本部分如圖2中的數(shù)據(jù)處理模塊所示。

3.4 數(shù)據(jù)控制模塊

在數(shù)據(jù)控制模塊中,本文設(shè)計(jì)全方位傳感器接口布置、智能管理接口系統(tǒng)、智能監(jiān)測(cè)控制終端系統(tǒng)與野外基地監(jiān)控站共4個(gè)部分進(jìn)行數(shù)據(jù)控制。本模塊主要是通過(guò)在野外基地監(jiān)控站建立一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心,利用VPN(虛擬專用網(wǎng))技術(shù),通過(guò)智能管理接口系統(tǒng)和智能監(jiān)測(cè)控制終端系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制各類生態(tài)環(huán)境傳感器接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸。通過(guò)此模塊,在互聯(lián)網(wǎng)可遠(yuǎn)程監(jiān)控各類傳感中的所有歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),大大提高了監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。由于采用VPN技術(shù),可保證數(shù)據(jù)安全性同時(shí)有效地降低系統(tǒng)成本。本部分如圖2中的數(shù)據(jù)控制模塊所示。

3.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)模塊

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)模塊主要是遠(yuǎn)程監(jiān)控各類傳感器的數(shù)據(jù)采集,可實(shí)時(shí)獲取生態(tài)環(huán)境各要素的數(shù)據(jù)信息及生態(tài)環(huán)境狀況。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)模型主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)警、綜合分析和平臺(tái)管理共四個(gè)方面。

在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面,主要包含數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看、轉(zhuǎn)換導(dǎo)出和存儲(chǔ)分析,同時(shí)對(duì)野外傳感器硬件設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行在線管理和智能控制。該技術(shù)不受地域時(shí)空限制,對(duì)生態(tài)環(huán)境各要素實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制,大大增強(qiáng)了獲取數(shù)據(jù)的精確度和效率。通過(guò)收集綜合氣象、土壤環(huán)境、水環(huán)境與大氣環(huán)境等自然要素和感知要素?cái)?shù)據(jù),進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理,為生態(tài)環(huán)境的科學(xué)評(píng)估與預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及技術(shù)支撐、提高生態(tài)環(huán)境的管理和綜合效益。

在預(yù)報(bào)預(yù)警方面,主要包含動(dòng)態(tài)信息、智能預(yù)報(bào)和智能預(yù)警。通過(guò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)可實(shí)時(shí)獲取生態(tài)環(huán)境各類監(jiān)測(cè)要素的狀態(tài),獲取各類要素實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息。同時(shí)對(duì)每類要素設(shè)定閾值,當(dāng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)值超過(guò)該閾值時(shí),監(jiān)測(cè)平臺(tái)自動(dòng)預(yù)警該環(huán)境要素超標(biāo),并在遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)上進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警顯示?？傊?該遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)可對(duì)生態(tài)環(huán)境各要素實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并對(duì)監(jiān)測(cè)要素超標(biāo)造成的環(huán)境影響區(qū)進(jìn)行智能預(yù)報(bào)與預(yù)警。

在綜合分析方面,主要包含污染狀況、污染源分析和環(huán)境評(píng)價(jià)。在監(jiān)測(cè)平臺(tái)可對(duì)監(jiān)測(cè)的生態(tài)環(huán)境各要素進(jìn)行綜合分析,尤其對(duì)污染物狀況重點(diǎn)分析,通過(guò)在線繪制污染物區(qū)域圖及擴(kuò)散圖,及時(shí)顯示污染物區(qū)域；并根據(jù)污染狀況進(jìn)行污染源分析,對(duì)污染物周圍進(jìn)行環(huán)境評(píng)價(jià)。通過(guò)生態(tài)環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè),獲取各要素的時(shí)空數(shù)據(jù),還可由監(jiān)測(cè)平臺(tái)的綜合分析,得到生態(tài)環(huán)境各要素動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律與機(jī)制,進(jìn)一步探討生態(tài)環(huán)境恢復(fù)及演變機(jī)理,并驗(yàn)證本文提出的方法在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用的準(zhǔn)確性和可靠性。

在平臺(tái)管理方面,主要包含可視化管理、數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)和平臺(tái)維護(hù)。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的可視化管理具有多種功能,可對(duì)生態(tài)環(huán)境各要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)展示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、智能預(yù)報(bào)報(bào)警與顯示綜合分析的圖表等,具有良好的人機(jī)可視化界面且易于操作,是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與指令控制等功能的綜合管理平臺(tái)。在平臺(tái)管理中,配置強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理來(lái)儲(chǔ)存所采集數(shù)據(jù),如定時(shí)存儲(chǔ)與變化存儲(chǔ)等,保證數(shù)據(jù)可靠性,也減少對(duì)存儲(chǔ)空間的要求；同時(shí)也對(duì)綜合分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存管理。最后,在平臺(tái)管理中,對(duì)平臺(tái)進(jìn)行維護(hù)與定期檢查,可修復(fù)存在的問(wèn)題,確保遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)能保持穩(wěn)定、持續(xù)地進(jìn)行生態(tài)環(huán)境全方位、全天候的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)工作。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)模塊如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)模型Fig.4 Platform model for long-distance monitoring

總之,本文提出基于景感生態(tài)學(xué)的生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)框架構(gòu)建。第一是感知層,首先進(jìn)行空間布局和城市規(guī)劃等歷史資料的收集,了解生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)要素狀況與特征分析,基于景感生態(tài)學(xué)理論來(lái)確定自然要素和物理感知方面的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)要素；其次,基于景感生態(tài)學(xué)的心理感知、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、過(guò)程與風(fēng)險(xiǎn)等相關(guān)方面,提出非規(guī)則網(wǎng)格最優(yōu)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的布設(shè)。第二是網(wǎng)絡(luò)層,包括數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。第三是平臺(tái)層,包含實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)警、綜合分析與平臺(tái)管理共四個(gè)部分。最后是應(yīng)用層,將平臺(tái)層得到的生態(tài)環(huán)境的時(shí)空監(jiān)測(cè)結(jié)果與綜合評(píng)估,可為生態(tài)文明建設(shè)效益評(píng)價(jià)與管理系統(tǒng)提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)源；也為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)智能預(yù)警與綜合平臺(tái)提供技術(shù)支撐,提高了城市生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)控和智能管理的效益。本文構(gòu)建基于景感生態(tài)學(xué)的生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)總體框架,如圖5所示。

4 結(jié)論

生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有助于生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究和生態(tài)環(huán)境管理。本文提出了非規(guī)則網(wǎng)格最優(yōu)法增強(qiáng)了生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)位布設(shè)的效益；其次,構(gòu)建陸?？找惑w化的生態(tài)環(huán)境多要素?cái)?shù)據(jù)感知獲取,可全方位、立體化、全天候與多維度地獲取生態(tài)環(huán)境要素的光照、熱量、土壤環(huán)境、水質(zhì)環(huán)境、空氣環(huán)境、降水、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度與氣壓等綜合氣象要素等,并進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與智能預(yù)警預(yù)報(bào),增強(qiáng)了城市生態(tài)環(huán)境安全,提高了城市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理的效益,滿足人類日益增長(zhǎng)對(duì)優(yōu)美生態(tài)環(huán)境的需求。此外,由于非城市地區(qū)的人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)較少,生態(tài)環(huán)境存在的嚴(yán)重問(wèn)題也較少。因此,在非城市地區(qū)主要側(cè)重于光照、熱量、水質(zhì)、土壤、地形地貌與綜合氣象等自然要素的監(jiān)測(cè)；對(duì)于非城市地區(qū)也是采用非規(guī)則網(wǎng)格最優(yōu)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的網(wǎng)絡(luò)布設(shè),以及基于本文構(gòu)建的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行自然要素的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取與綜合分析等。

基于景感生態(tài)學(xué)構(gòu)建的生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái),可不受地域時(shí)空限制,對(duì)各生態(tài)環(huán)境要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制,且獲得數(shù)據(jù)的精確度和效率都大大提高,為城市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)與手段。此外,該物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)還可為城市管理者、科學(xué)研究者、公眾提供科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來(lái)源,提高了生態(tài)環(huán)境信息獲取的效率與知情權(quán),為促進(jìn)生態(tài)環(huán)境建設(shè)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。綜上所述,本文構(gòu)建的生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)框架,提高了城市生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和智能管理的效益,還可為全球各區(qū)域的城市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支撐。

圖5 基于景感生態(tài)學(xué)的生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)框架Fig.5 Framework for ecological environment Internet of things based on Landsenses ecology