一種在線感知的智慧園林“一張圖”監(jiān)管方法

王海洋 趙相偉 陶為翔 李 京 李進(jìn)強(qiáng)

(1. 山東科技大學(xué) 測繪與空間信息學(xué)院, 山東 青島 266590; 2. 山東省基礎(chǔ)地理信息與數(shù)字化技術(shù)重點實驗室, 山東 青島 266590; 3. 正元地理信息集團(tuán)股份有限公司, 北京 101300)

0 引言

近年來,隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟,我國地理信息從“數(shù)字化”逐漸走向“智慧化”[1],在人口、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境、城市建設(shè)等多個方面,體現(xiàn)出多層次、多領(lǐng)域、多尺度的特點。智慧園林作為智慧城市的重要組成部分隨著智慧城市的興起而快速發(fā)展[2],受到政府的高度重視和人民群眾的廣泛關(guān)注。在當(dāng)前各項新技術(shù)應(yīng)用日趨成熟之際,通過高起點地構(gòu)建智慧園林頂層設(shè)計,高質(zhì)量、高效率地推進(jìn)園林的信息化建設(shè)工作,能夠?qū)崿F(xiàn)更透徹的感知、更全面的互聯(lián)互通、更深入的智能化目標(biāo)[3]。目前,我國生態(tài)園林建設(shè)存在信息碎片化、養(yǎng)護(hù)管理難度大、物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)程度低以及數(shù)據(jù)動態(tài)更新維護(hù)不及時等系列問題,信息化管理主要停留在園林信息數(shù)字化建設(shè)階段,沒有形成系統(tǒng)且多數(shù)為孤島信息[4],沒有形成一套完整的、多專題的智慧園林監(jiān)管方法。

針對上述挑戰(zhàn),本文從地理信息科學(xué)與在線感知技術(shù)的角度,根據(jù)智慧園林管理系統(tǒng)的概念與特點,結(jié)合園林相關(guān)單位管理現(xiàn)狀和城市園林要素的時空特征,圍繞“一張地圖、多種數(shù)據(jù)、分類建庫、專題分析”的設(shè)計理念,提出一種在線感知的智慧園林“一張圖”監(jiān)管方法,實現(xiàn)資源整合共享和生態(tài)園林管理的系統(tǒng)化、科學(xué)化、智慧化,能夠有效、快速地解決園林工作突出難題。

1 “一張圖”數(shù)據(jù)集成

目前,各城市基于基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)“一張圖”的建設(shè)如火如荼,并建立了完善的運(yùn)行體系[5]。生態(tài)園林?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)容主要包括基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù),具有數(shù)據(jù)類別多、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點。針對數(shù)據(jù)格式、存儲形式和通信協(xié)議多樣的特點[6],在“一張圖”數(shù)據(jù)集成的建設(shè)理念下,采用多時態(tài)、多尺度的建庫方法將不同類型數(shù)據(jù)分類存儲,構(gòu)建以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),以專業(yè)共享數(shù)據(jù)庫、園林網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、編碼數(shù)據(jù)庫等為主的園林全要素數(shù)據(jù)倉庫[7],如圖1所示。

圖1 生態(tài)園林建設(shè)“一張圖”數(shù)據(jù)集成

(1)對于生態(tài)園林空間和屬性數(shù)據(jù),本文基于ArcSDE(數(shù)據(jù)通絡(luò)，SDE即Spatial Database Engine)空間數(shù)據(jù)引擎、Oracle數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和管理,根據(jù)園林苗木和責(zé)任網(wǎng)格的空間分布特征,建立空間索引和強(qiáng)有力的查詢機(jī)制。

(2)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)具有實時傳輸、時效性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量大的特點,為提高數(shù)據(jù)檢索與處理的性能,實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理的高可用性和自動伸縮性,本文采用Mongodb非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲和管理物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。

(3)園林業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間存在邏輯上的強(qiáng)相關(guān)關(guān)系,適用于Oracle關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理。

1.1 空間數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

對地理空間中數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與管理是地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)工作,包括屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)[8]。本文根據(jù)園林單位組織架構(gòu),建立地理要素空間上的嵌套關(guān)系,通過劃定生態(tài)園林基礎(chǔ)空間最小網(wǎng)格單元,對城市園林管理區(qū)進(jìn)行多層級劃分。第一步,使用高精度手持定位終端采集網(wǎng)格邊界空間信息,構(gòu)建網(wǎng)格多邊形要素;第二步,通過ArcSDE將網(wǎng)格數(shù)據(jù)存儲在Oracle數(shù)據(jù)庫中,有利于數(shù)據(jù)動態(tài)更新與維護(hù);第三步,基于ArcMap軟件平臺對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)錂z查和編輯,為空間數(shù)據(jù)正確性提供保障;第四步,根據(jù)網(wǎng)格級別和歸屬關(guān)系不同將網(wǎng)格進(jìn)行符號化,提高數(shù)據(jù)可視化水平;第五步,將網(wǎng)格數(shù)據(jù)發(fā)布為要素服務(wù),實現(xiàn)與地圖底圖的疊加。根據(jù)地圖比例尺縮放級別的變化,動態(tài)展示不同級別空間網(wǎng)格,體現(xiàn)“共享建庫、分級應(yīng)用”的設(shè)計理念。

本文提出了一種“行政區(qū)劃代碼+分類識別碼(網(wǎng)格)+科室代碼+順序碼”組合編碼方式,按照管理單位組織架構(gòu)逐步細(xì)化,由多級網(wǎng)格構(gòu)建多層次網(wǎng)格金字塔。使用高精度手持定位終端采集土壤監(jiān)測點、視頻監(jiān)測點、園林苗木等相關(guān)Point of Interest點位空間信息并采用“行政區(qū)劃代碼+分類識別碼(監(jiān)測點)+科室代碼+順序碼”編碼方式,將生態(tài)園林點要素與空間網(wǎng)格面要素相關(guān)聯(lián),實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)網(wǎng)格化[9]。

1.2 實時監(jiān)測數(shù)據(jù)

信息通信技術(shù)(Information and Communications Technology,ICT)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和感知技術(shù)為智慧園林?jǐn)?shù)據(jù)獲取提供技術(shù)支撐,數(shù)據(jù)采集涉及文本、圖像、視頻、音頻等多種形式[10-11],主要數(shù)據(jù)內(nèi)容包括:土壤生態(tài)因子實時監(jiān)測數(shù)據(jù)(鹽堿度、溫度、濕度)和園林綠化車輛實時監(jiān)測數(shù)據(jù)(速度、油耗、里程、視頻)。

1.3 園林業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采用Oracle數(shù)據(jù)庫存儲,按照范式原則構(gòu)建冗余較小、結(jié)構(gòu)合理的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫,主要包括系統(tǒng)登錄信息、用戶信息、人員管理、四級網(wǎng)格組織架構(gòu)、苗木管理、養(yǎng)護(hù)記錄、設(shè)備管理等生態(tài)園林相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

2 智慧園林監(jiān)管方法

本文提出一種在線感知的智慧園林“一張圖”監(jiān)管方法,基于“互聯(lián)網(wǎng)+”思維和移動智能終端、時空數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代信息技術(shù),在地學(xué)規(guī)律的指導(dǎo)下,依托WebGIS和移動地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)技術(shù),構(gòu)建生態(tài)園林管理領(lǐng)域的智慧體系,實現(xiàn)園林?jǐn)?shù)據(jù)的檢索、查詢、編輯、數(shù)據(jù)可視化、智能化分析等功能。探索以地理空間信息為核心、突破城市園林管理壁壘、綜合利用各種技術(shù)手段進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、集中展現(xiàn)專題信息的智慧化監(jiān)管方法。園林監(jiān)管主要包括環(huán)境監(jiān)管、苗木監(jiān)管、車輛監(jiān)管三個方面,每個業(yè)務(wù)流程與監(jiān)管方法詳細(xì)如下。

2.1 環(huán)境監(jiān)管

生態(tài)園林環(huán)境監(jiān)管要考慮的因素種類繁多,主要包括溫度、濕度、鹽堿度,它們對苗木生長和園林的健康發(fā)展具有重要影響[12-13],對以上生態(tài)環(huán)境因子的科學(xué)有效監(jiān)管有利于城市園林的健康發(fā)展。

土壤溫度和水分具有相互關(guān)聯(lián)性,精確獲取土壤溫度水分的實時動態(tài)對于得到準(zhǔn)確的研究結(jié)果十分重要[14]。本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備、移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)實時采集、傳輸土壤監(jiān)測數(shù)據(jù),利用遠(yuǎn)程終端單元(Remote Terminal Unit,RTU)將數(shù)據(jù)定時傳送到數(shù)據(jù)中心,為苗木健康生長和輔助管理部門改良土壤土質(zhì)提供重要數(shù)據(jù)資料。環(huán)境監(jiān)管技術(shù)路線圖如圖2所示。圖2中，RTSP指實時流傳輸協(xié)議(Real Time Streaming Protocol)；URL指統(tǒng)一資源定位器(Uniform Resource Locator)；D3指數(shù)據(jù)驅(qū)動文檔(Data-Driven Documents)；4G指第四代的移動信息系統(tǒng)(the 4th generation mobile communication technology)。

圖2 生態(tài)園林環(huán)境監(jiān)管技術(shù)路線圖

本監(jiān)管方法根據(jù)多種過濾條件檢索、統(tǒng)計土壤監(jiān)測數(shù)據(jù),使用圖表和曲線直觀展示監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)變化和趨勢,自動計算各個監(jiān)測點月最高值、最低值和平均值,根據(jù)《土壤重量含水率和干旱程度分級標(biāo)準(zhǔn)》統(tǒng)計各干旱級別監(jiān)測點數(shù)量百分比。利用濕度傳感器實時采集土壤含水率,當(dāng)其低于下限閾值時,通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動連接并開啟中控澆水系統(tǒng),實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動化灌溉,當(dāng)其達(dá)到上限閾值時自動斷開并關(guān)閉中控澆水系統(tǒng),實現(xiàn)苗木灌溉的自動化、精細(xì)化,提供了一種智慧化遠(yuǎn)程灌溉解決方案。當(dāng)土壤處于干旱、內(nèi)澇、鹽堿化狀態(tài)時,采用數(shù)據(jù)可視化技術(shù),以報警方式提醒養(yǎng)護(hù)人員,為苗木生長提供安全保障。

基于GIS強(qiáng)大的空間分析功能、良好的數(shù)據(jù)處理與交換能力以及專題制圖的優(yōu)勢,建立土壤生態(tài)因子數(shù)據(jù)模型,利用反距離加權(quán)(Inverse Distance Weighted,IDW)插值算法將各個監(jiān)測點濕度、溫度、鹽堿度數(shù)據(jù)分別進(jìn)行空間插值,結(jié)合地理學(xué)符號系統(tǒng)繪制等值面柵格圖,直觀展示城區(qū)土壤生態(tài)因子的空間差異性。此外,土壤鹽堿度監(jiān)測數(shù)據(jù)為本地區(qū)鹽堿化治理提供數(shù)據(jù)資料,根據(jù)城區(qū)綠地不同鹽堿化程度,因地制宜,提供相適應(yīng)的耐鹽堿植物種植方案,實現(xiàn)科學(xué)種植。

2.2 苗木監(jiān)管

本文提出的苗木監(jiān)管方法主要包括以下步驟:第一步,開發(fā)苗木信息采集終端快速獲取苗木空間點位信息、苗木屬性信息以及苗木生長過程圖片等;第二步,基于ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎管理苗木數(shù)據(jù)并發(fā)布要素服務(wù),建立苗木信息電子檔案庫;第三步,利用WebGIS技術(shù)實現(xiàn)苗木空間數(shù)據(jù)可視化。由于園林苗木具有數(shù)量多、分布密集等特點,采用空間數(shù)據(jù)聚合技術(shù)在地圖上展示其空間分布情況,并根據(jù)苗木種類、科室、健康狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

通過為每棵苗木掛接唯一的二維碼樹牌,伴隨苗木種植、養(yǎng)護(hù)、遷移、死亡的全過程,實現(xiàn)苗木全生命周期養(yǎng)護(hù)管理,公眾通過微信掃描苗木二維碼,可查閱苗木種類、科屬、生長習(xí)性、病蟲害防治等科普信息,為廣大民眾提供科普指南。苗木監(jiān)管技術(shù)路線圖如圖3所示。圖3中，B/S指瀏覽器/服務(wù)器模式(Browser/Server)；APP指應(yīng)用程序(Application)； API指應(yīng)用程序接口(Application Programming Interface)。

圖3 生態(tài)園林苗木監(jiān)管技術(shù)路線圖

2.3 車輛監(jiān)管

本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)在線感知監(jiān)測設(shè)備提出集成地理信息技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)、無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體的車輛監(jiān)管新方法,實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對車輛的動態(tài)監(jiān)控。監(jiān)管內(nèi)容包括車輛實時位置、軌跡回放、車輛油耗與里程監(jiān)控、視頻監(jiān)控四個方面。

該監(jiān)管方法基于北斗定位,系統(tǒng)可實時接收綠化車輛監(jiān)測信息并在地圖中展示車輛在線狀態(tài)、實時位置、速度等信息,利用計算機(jī)圖形學(xué)知識,以圖形化方式在地圖上回放車輛作業(yè)歷史軌跡,方便管理人員及時掌握園林車輛工作狀態(tài)和科學(xué)調(diào)度;以表格和曲線為載體展示車輛里程、油耗等監(jiān)測數(shù)據(jù),當(dāng)車輛油耗異常時,通過聲光報警功能提醒管理人員;為綠化車輛安裝視頻監(jiān)控探頭,實現(xiàn)車輛實時作業(yè)畫面監(jiān)控,視頻傳輸至后臺硬盤錄像機(jī)存儲后通過實時流傳輸協(xié)議(Real Time Streaming Protocol, RTSP)取流方式播放,提高了視頻播放速度和流暢度,增強(qiáng)了良好的人機(jī)交互體驗,有利于直觀查看車輛工作情況。技術(shù)路線圖如圖4所示。

圖4 生態(tài)園林綠化車輛監(jiān)管技術(shù)路線圖

園林車輛監(jiān)管方法同時提供了路徑規(guī)劃和導(dǎo)航功能,為園林車輛提供合理的、科學(xué)的駕駛路線,為提高園林車輛作業(yè)效率和降低油耗成本提供技術(shù)支持。

3 智慧園林監(jiān)管關(guān)鍵技術(shù)

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

本文主要使用了在線感知技術(shù)、園林地理空間網(wǎng)格化編碼、車輛油耗濾波與人員軌跡擬合算法及信息綜合分析與可視化技術(shù)。

在線感知技術(shù)在園林GIS中得到了廣泛應(yīng)用,通過傳感器實時獲取土壤生態(tài)因子、車載終端及智能終端監(jiān)測數(shù);將車載傳感器與園林車輛相結(jié)合,充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)在車輛監(jiān)控上的重要作用。

園林地理空間具有多種地理空間實體,為提高數(shù)據(jù)檢索的速度和準(zhǔn)確度,采用具有自然語義的不規(guī)則空間格網(wǎng)進(jìn)行地理空間多層次剖分,增加剖分空間與實體目標(biāo)間映射對應(yīng)的適應(yīng)性[15],滿足園林實際工作中的應(yīng)用需求。通過對土壤監(jiān)測設(shè)備、視頻設(shè)備、園林苗木、養(yǎng)護(hù)車輛、責(zé)任網(wǎng)格、養(yǎng)護(hù)案件按照“行政區(qū)劃代碼+分類識別碼+科室代碼+順序碼”進(jìn)行空間網(wǎng)格化編碼與“一張圖”數(shù)據(jù)集成。其中行政區(qū)劃代碼分為“省-市-縣(區(qū))”三個尺度,分類識別碼參考《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》(GB /T 13923—2006)[16]標(biāo)準(zhǔn)對不同實體分配相應(yīng)類別碼,科室代碼按照“科室—職工—隊長—工人”網(wǎng)格逐步細(xì)化形成多層級網(wǎng)格金字塔,結(jié)合順序碼保證空間實體的唯一性。

園林車輛油量數(shù)據(jù)采用超聲波液位傳感器采集,車輛加速和急剎操作會干擾傳感器采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和趨勢性,本文利用均值濾波算法去除油耗噪點數(shù)據(jù)得到油耗擬合曲線。

本文基于專家知識、地學(xué)規(guī)律、統(tǒng)計方法對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析,綜合利用各種技術(shù)手段進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘,提取空間數(shù)據(jù)間的關(guān)系,集中展示園林專題數(shù)據(jù)。信息綜合分析與可視化技術(shù)具有依托多種信息載體、面向多用戶、多尺度、多展示方式、多相關(guān)專題、多層級的特點。依托多種信息載體是指信息展示應(yīng)當(dāng)結(jié)合文字、圖片、視頻、動畫等多種形式[17];面向多用戶是指根據(jù)不同用戶角色提供不同權(quán)限和展示內(nèi)容,提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù),如園林養(yǎng)護(hù)人員掃描二維碼展示苗木養(yǎng)護(hù)信息,公眾掃描二維碼提供苗木科普信息;多尺度是指根據(jù)地圖縮放級別提供相對應(yīng)的基礎(chǔ)地理空間服務(wù),如地圖處于全圖狀態(tài)時提供苗木空間聚合可視化效果,當(dāng)?shù)貓D放大到細(xì)節(jié)層次展示苗木正常標(biāo)注效果;多展示方式是指綜合利用圖表、曲線、軌跡、氣泡窗體等多種可視化表達(dá)方式進(jìn)行統(tǒng)計數(shù)據(jù)表達(dá);多相關(guān)專題是指以地理空間信息為核心,以地學(xué)方法為指導(dǎo),集中展現(xiàn)專題數(shù)據(jù),如生成土壤墑情等值面、養(yǎng)護(hù)熱圖、軌跡回放等;多層級是指根據(jù)權(quán)屬界限不同,建立多層級數(shù)據(jù)金字塔。

3.2 “一張圖”綜合監(jiān)管功能的效果

3.2.1環(huán)境監(jiān)管功能效果

基于在線感知技術(shù),通過溫度、濕度、PH傳感器實時采集土壤監(jiān)測信息并傳輸?shù)较到y(tǒng)后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,輔助園林管理人員做出科學(xué)決策。

3.2.2苗木監(jiān)管功能效果

通過智慧園林苗木監(jiān)管方法,實現(xiàn)苗木基礎(chǔ)資料管理,通過信息化手段,為苗木建立電子檔案庫,實現(xiàn)城市園林苗木全生命周期管理、養(yǎng)護(hù)工作的精細(xì)化、系統(tǒng)化、智慧化。

3.2.3車輛監(jiān)管功能效果

實現(xiàn)綠化車輛實時作業(yè)位置的在線查看和追蹤、作業(yè)軌跡回放、作業(yè)油耗監(jiān)控和視頻監(jiān)控功能,有利于遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對車輛的動態(tài)監(jiān)控。

4 結(jié)束語

基于GIS及在線感知的生態(tài)園林“一張圖”監(jiān)管方法在東營市成功實施及常態(tài)化運(yùn)營以來,得到了相關(guān)部門的高度評價和一致認(rèn)可。該監(jiān)管方法基于Vue框架、WebGIS、移動GIS、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)“一張圖”展示,解決了以往數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動態(tài)數(shù)據(jù)更新速度快引起的統(tǒng)計展示困難問題,同時利用天地圖在線展示監(jiān)測點在城區(qū)的空間位置分布和運(yùn)行狀態(tài),有利于城市管理部門從整體上把握物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測點的工作狀況和城市園林健康狀況,實現(xiàn)園林監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化、管理調(diào)度科學(xué)化。

該監(jiān)管方法完成了土壤土質(zhì)實時監(jiān)測,為城市土壤土質(zhì)改良治理、園林灌溉自動化發(fā)揮了重要作用;建立苗木信息電子檔案庫,實現(xiàn)苗木全生命周期動態(tài)管理;解決了以往園林車輛在線監(jiān)控困難的突出問題,有效遏止了可能存在的公車私用、養(yǎng)護(hù)繞路提高考核績效、油耗異常等現(xiàn)象。

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)與GIS的智慧園林監(jiān)管方法,實現(xiàn)了靜態(tài)數(shù)據(jù)與動態(tài)數(shù)據(jù)的緊密結(jié)合,提高了園林管理科學(xué)化水平,輔助決策者制定智慧園林科學(xué)化建設(shè)方案,在城市園林健康發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用,為城市管理其他方面提供了新途徑、新思路、新模式,提高了城市管理的信息化、系統(tǒng)化、科學(xué)化、精細(xì)化水平。