基于GIS的林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：開展林業(yè)環(huán)境監(jiān)測可為林業(yè)管理提供數(shù)據(jù)支持?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)（Geographic Information System，GIS），以林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)采集端設(shè)計、存儲數(shù)據(jù)庫設(shè)計、系統(tǒng)服務(wù)器設(shè)計為切入點，開發(fā)林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并在已搭建成功的林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)上，再次細化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用所需要的開發(fā)環(huán)境、設(shè)備及應(yīng)用程序配置，達成林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的有效應(yīng)用，最終實現(xiàn)對林業(yè)環(huán)境的實時動態(tài)監(jiān)測，為林業(yè)管理提供有效助力。

關(guān)鍵詞：GIS技術(shù)；林業(yè)；環(huán)境監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；數(shù)據(jù)采集端

中圖分類號：S757；TP274 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909-（2023）11-153-5

0 引言

在“雙碳”目標、生態(tài)文明建設(shè)目標等戰(zhàn)略目標引導(dǎo)下，林業(yè)資源經(jīng)營管理工作已成為關(guān)系社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵任務(wù)之一。而林業(yè)環(huán)境監(jiān)測是林業(yè)資源經(jīng)營管理的核心工作之一，也是林業(yè)管理的重要基礎(chǔ)性工作?，F(xiàn)階段，隨著科技的發(fā)展與進步，創(chuàng)新林業(yè)環(huán)境監(jiān)測模式早已成為我國學(xué)者研究的熱點內(nèi)容。李德政［1］在其文章中指出，為避免森林面積減小、植物多樣性銳減等現(xiàn)象，保障森林資源實現(xiàn)正常自我修復(fù)，林業(yè)資源監(jiān)測應(yīng)成為當下林業(yè)資源經(jīng)營管理工作的重點內(nèi)容。殷長梅［2］也在其文章中提出，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）的應(yīng)用，可滿足當下智慧林業(yè)管理工作需求，利用GIS可有效管理具有空間屬性的各種資源環(huán)境信息，能對不同時間段下林業(yè)環(huán)境狀況進行動態(tài)監(jiān)測和分析比較?；诓煌瑢W(xué)者對林業(yè)環(huán)境監(jiān)測工作提出的改善建議，筆者借鑒相關(guān)經(jīng)驗，提出基于GIS的林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計思路，進一步細化GIS在林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用路徑，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線傳感技術(shù)等信息技術(shù)，實現(xiàn)林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的高效搭建，為林業(yè)環(huán)境監(jiān)測工作的高效開展提供技術(shù)支撐。

1 GIS

地理信息系統(tǒng)是一種通過分析基于地理空間的地理模型來提供實時動態(tài)地理信息的計算機系統(tǒng)。近年來，GIS在資源和環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮著先導(dǎo)性的技術(shù)優(yōu)勢，其主要功能為數(shù)據(jù)采集與輸入、數(shù)據(jù)編輯與更新、數(shù)據(jù)存儲與管理、空間數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)與圖形的交互顯示。而空間數(shù)據(jù)的分析和處理是GIS的關(guān)鍵功能，可通過廣泛的數(shù)據(jù)處理和分析，獲得與實際地理位置有關(guān)的重要信息［3］。顯示交互式數(shù)據(jù)和圖形是GIS區(qū)別于其他信息系統(tǒng)的鮮明優(yōu)勢，不僅可提供文字性的數(shù)據(jù)描述，還可提供三維立體的地理數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)分析結(jié)果，便于技術(shù)人員理解與管理操作。目前，GIS憑借自身鮮明的技術(shù)優(yōu)勢，已在我國很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如，GIS在農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境領(lǐng)域主要作為農(nóng)業(yè)資源調(diào)查工具、農(nóng)業(yè)資源分析工具、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理工具、農(nóng)業(yè)管理輔助決策工具，有助于實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)資源環(huán)境的動態(tài)管理，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益提升給予了技術(shù)支撐。又如，GIS在土地資源開發(fā)與管理上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在土地利用現(xiàn)狀和城鎮(zhèn)地籍調(diào)查中，為查清我國土地資源，特別是耕地資源起到了有效助力［4］。在GIS被高效應(yīng)用的背景下，筆者再次細化了GIS在林業(yè)調(diào)查中的應(yīng)用方向，通過設(shè)計基于GIS的林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以突破森林環(huán)境監(jiān)測中地域遼闊、地勢復(fù)雜的局限，為林業(yè)管理工作提供數(shù)據(jù)支持。

2 林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

因森林面積較大且地勢復(fù)雜，較多區(qū)域林業(yè)管理人員無法涉足，也因森林區(qū)域內(nèi)環(huán)境變化復(fù)雜，動物生存軌跡較多，所以造成了林業(yè)環(huán)境監(jiān)測工作的復(fù)雜性、特殊性與困難性［5］。基于此，筆者在設(shè)計基于GIS的林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)時，先設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，以滿足林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)低功耗、可視化、實時性的要求。林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，基于物聯(lián)網(wǎng)的林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)分為感知識別層、管理服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層、綜合應(yīng)用層4個層次。

2.1.1 感知識別層。感知識別層是林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)中的基礎(chǔ)部分。該層次通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）連接傳感器采集終端與數(shù)據(jù)中心，其中傳感器節(jié)點是用于實時監(jiān)測森林中的溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù)及環(huán)境監(jiān)測的單元；通過全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）的定位模塊，可將各類參數(shù)信息匯總，上傳至WSN中的匯聚節(jié)點；聚合節(jié)點利用通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）進行通信處理和發(fā)送數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)上傳至下一系統(tǒng)層次中。為保證感知識別層的數(shù)據(jù)采集準確率，筆者在感知識別層應(yīng)用賽靈思公司開發(fā)的EK-Z7-ZC702-G開發(fā)板作為數(shù)據(jù)采集終端，依托其可編程陣列邏輯實現(xiàn)了其他外設(shè)的接入需求。

2.1.2 管理服務(wù)層。管理服務(wù)層主要負責林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中空間數(shù)據(jù)的整理與發(fā)布。通過GPRS通信將不同林區(qū)的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)匯總到SQL Server數(shù)據(jù)庫中，ArcSDE立即對其進行分析和處理。同時，此服務(wù)層將林業(yè)地圖圖層分化為在線影像數(shù)據(jù)與離線影像數(shù)據(jù)，不同屬性數(shù)據(jù)與區(qū)域信息會通過Arc GIS Server服務(wù)發(fā)布，使技術(shù)人員可通過此服務(wù)層隨時訪問林業(yè)相關(guān)地圖信息與傳感器所采集到的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)［6］。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層是林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的傳輸網(wǎng)絡(luò)，主要負責林業(yè)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。此次設(shè)計的遠程數(shù)據(jù)傳輸方式共有兩種。第一種為GPRS通信傳輸：利用WSN中的匯聚節(jié)點，收集匯總不同傳感器采集終端所收集到的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，再利用5G通信傳輸模塊，通過GPRS通信傳輸，將獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)，并最終存儲在服務(wù)器上。第二種為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸：利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建客戶端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，與通信企業(yè)簽訂入網(wǎng)協(xié)議，使用JSON數(shù)據(jù)傳輸格式，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的傳輸與獲取［7］。

2.1.4 綜合應(yīng)用層。綜合應(yīng)用層即為林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)終端。此設(shè)計將手機、平板等智能移動設(shè)備接入林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，使技術(shù)人員通過5G或無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸方式，從林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中獲取所需要的環(huán)境參數(shù)信息或地圖信息，了解各監(jiān)測區(qū)域林業(yè)建設(shè)情況，實現(xiàn)對林業(yè)環(huán)境的高質(zhì)量監(jiān)測。

2.2 數(shù)據(jù)采集端設(shè)計

為更好地節(jié)省研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期，此研究的數(shù)據(jù)采集端直接采用了賽靈思公司開發(fā)的EK-Z7-ZC702-G開發(fā)板作為核心處理控制板。該開發(fā)板的原理圖如圖2所示。

由圖2可知，該開發(fā)板，結(jié)合了GPS、傳感器、處理控制器等多個模塊，帶有多樣的資源數(shù)據(jù)接口。除1 GB的DDR3組件內(nèi)存、以太網(wǎng)接口、USB接口、SD卡連接器、顯示接口等典型接口外，該主板還設(shè)置了可接入視頻圖像的視頻圖形陣列接口（Video Graphics Array，VGA）與高清晰度多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）的接口平臺，可實現(xiàn)林業(yè)環(huán)境監(jiān)測的圖像傳播。同時，該開發(fā)板仍處于創(chuàng)新升級的過程中，筆者希望通過系統(tǒng)的實際使用，各接口平臺會日趨完善，以達到最佳使用效果。另外，在此林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，筆者針對數(shù)據(jù)采集端的工作流程進行了再次細化。首先，開始進行數(shù)據(jù)收集后，GPS模塊將接收導(dǎo)航衛(wèi)星直接發(fā)送的位置數(shù)據(jù)（如經(jīng)度、緯度、高度等）并開始分析，此時速度、風(fēng)向、溫度、濕度、PM2.5和負氧等傳感器開始收集重要的環(huán)境參數(shù)［8］。其次，GPS和相關(guān)傳感器將根據(jù)標準協(xié)議分析處理收集到的位置信息和傳感器數(shù)據(jù)，并使用RS485通信方式，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制處理模塊。最后，控制處理模塊接收到數(shù)據(jù)后，基于設(shè)定的信息篩選流程，提取環(huán)境參數(shù)信息，再將提取出的信息傳送到串口，至此完成數(shù)據(jù)采集端的整個工作流程。

2.3 存儲數(shù)據(jù)庫設(shè)計

合理設(shè)計存儲數(shù)據(jù)庫，既能提高林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的指令執(zhí)行效率與應(yīng)答性能，還可大量節(jié)省服務(wù)器的數(shù)據(jù)存儲空間［9］。在此系統(tǒng)中，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫所要存儲的數(shù)據(jù)共分為空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)與地理空間數(shù)據(jù)3類。

第一，空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的邏輯設(shè)計主要分為兩個部分。一部分地理數(shù)據(jù)是基于數(shù)據(jù)的塊結(jié)構(gòu)和地圖的地理分布設(shè)計的，將空間數(shù)據(jù)分為規(guī)則塊和不規(guī)則塊。另一部分是基于圖層分層結(jié)構(gòu)設(shè)計的，以要素屬性為評定依據(jù)，將相同類型和特征的數(shù)據(jù)組合成一個圖層并儲存。這樣，空間數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)被劃分為具有水平和垂直部分的分層和塊結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了兩個獨立部分的邏輯集成。第二，屬性數(shù)據(jù)是指空間中不同對象的特征，這些特征由屬性元素反映。盡管其具有非地理特征，但不同類型的數(shù)據(jù)被組合在一起以創(chuàng)建地理特征，如環(huán)境區(qū)域和森林區(qū)域的周長。在存儲庫數(shù)據(jù)庫中，二維屬性表用于存儲屬性數(shù)據(jù)，其中行表示不同林區(qū)中對象的目標，列表示相應(yīng)的屬性，行和列之間有密切的對應(yīng)關(guān)系。在林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)庫中，空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間也有一定的相關(guān)性（見圖3），屬性數(shù)據(jù)可以說是空間數(shù)據(jù)的一部分，可為技術(shù)人員精準識別各區(qū)域環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)提供技術(shù)支撐。第三，因地理空間數(shù)據(jù)包括遙感影像圖數(shù)據(jù)和地形圖兩種數(shù)據(jù)，所以此系統(tǒng)選擇以點→線→面的流程對地理空間數(shù)據(jù)進行邏輯處理，其處理流程如圖4所示。通過此邏輯結(jié)構(gòu)，地理空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)充分結(jié)合。當技術(shù)人員在移動端對數(shù)據(jù)庫進行查詢、更新、刪除等操作時，只需要操作某一數(shù)據(jù)模塊，就可獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，使整個存儲數(shù)據(jù)庫工作更加高效，系統(tǒng)工作效率得到了明顯提升。

2.4 系統(tǒng)服務(wù)器設(shè)計

系統(tǒng)服務(wù)器主要包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與移動GIS服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器負責將林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)連接到移動終端。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可以將采集終端接收到的信息存儲在數(shù)據(jù)庫中，允許數(shù)據(jù)節(jié)點發(fā)送處理命令、與移動終端進行通信，并根據(jù)技術(shù)人員的指示對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行各種操作。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器操作流程如圖5所示。從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的工作流程可以看出，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過對數(shù)據(jù)庫的請求訪問與操作，實現(xiàn)對存儲數(shù)據(jù)庫中空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)與地理空間數(shù)據(jù)的刪減操作，可為林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)監(jiān)測功能實現(xiàn)提供有力支撐［10］。

移動GIS服務(wù)器是實現(xiàn)實時傳輸?shù)乩砜臻g信息數(shù)據(jù)的服務(wù)器，可完成多目標對象間的信息交互活動。在此系統(tǒng)中，移動GIS服務(wù)器分為移動客戶端、應(yīng)用服務(wù)器兩大部分［11］。移動客戶端是指林業(yè)技術(shù)人員運用的智能移動設(shè)備，如手機、平板電腦等，在載有GIS的平臺上，完成對林業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測、分析與修改。應(yīng)用服務(wù)器可對數(shù)據(jù)采集端的操作請求給予實時響應(yīng)，是移動GIS服務(wù)器的核心組成部分。此系統(tǒng)所使用的應(yīng)用服務(wù)器為ArcGIS for Server。該服務(wù)器是ArcGIS配套的服務(wù)平臺，具備對空間數(shù)據(jù)編輯與分析的功能，同時服務(wù)器的集中管理模式為后期服務(wù)器維護提供了較大便利。例如，當監(jiān)控系統(tǒng)需要維護、管理或升級時，技術(shù)人員不需要在每個操作終端（如數(shù)據(jù)采集端、存儲數(shù)據(jù)庫等）上依次更新。在系統(tǒng)實際使用時，技術(shù)人員可直接利用以太網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器中的各項數(shù)據(jù)，以滿足其在戶外使用該系統(tǒng)的需求。

3 林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)

3.1 開發(fā)環(huán)境和設(shè)備

適用于此系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境與系統(tǒng)運行環(huán)境設(shè)備如表1所示。

由表1可知，基于GIS的林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計需求較為嚴苛，對于開發(fā)環(huán)境與系統(tǒng)運行環(huán)境設(shè)備都有著明確的技術(shù)要求。因此，為保證筆者所提出的基于GIS的林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)順利工作，各林場應(yīng)選擇符合上述要求的林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境與系統(tǒng)運行環(huán)境設(shè)備。只有滿足環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件需求，才可實現(xiàn)林業(yè)環(huán)境的動態(tài)化監(jiān)測。

3.2 應(yīng)用程序配置

為保證基于GIS的林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)正常應(yīng)用，對于移動端應(yīng)用程序的配置可參考Xcode調(diào)動ArcGIS Runtime SDK for iOS第三方應(yīng)用框架進行GIS方面的二次開發(fā)，使林業(yè)環(huán)境監(jiān)測人員利用移動端應(yīng)用程序就可訪問林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)高效化辦公［12］。筆者提出使用CocoaPods導(dǎo)入ArcGIS SDK的方式完成移動端應(yīng)用程序配置。

第一，下載并使用CocoaPods安裝SDK。在移動設(shè)備上安裝Ruby，然后在終端上輸入“sudo save Install cocoapods”命令，在項目安裝過程中完成SDK Set文件的安裝，并將“Under ArcGIS Runtime SDK iOS”指令添加到相應(yīng)的project Pod文件中。通過終端運行“pod install”命令，達到正確導(dǎo)入ArcGIS框架的最終目的。第二，在正確導(dǎo)入ArcGIS框架后，需要添加ArcGIS資源包，以便實現(xiàn)GIS方面的二次開發(fā)。例如，Esri和Bing徽標圖形、GPS位置符號、當?shù)鼗址瓤梢约傻紸rcGIS.bundle文件中，將其作為應(yīng)用程序的應(yīng)用程序接口（Application Program Interface，API）資源，同時要將“ipmart ArcGIS”指令添加到項目API使用的Objective-C文件中，做到ArcGIS文件的正確導(dǎo)入，為系統(tǒng)運行提供充足的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)語

筆者通過分析GIS的應(yīng)用特點與使用現(xiàn)狀，同時結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線傳感技術(shù)等信息技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，提出開發(fā)設(shè)計一種可實時動態(tài)監(jiān)測林業(yè)環(huán)境的智慧系統(tǒng)，并從開發(fā)環(huán)境和設(shè)備、應(yīng)用程序配置兩方面闡述該監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用實現(xiàn)的必要條件。該系統(tǒng)通過對不同傳感器采集端數(shù)據(jù)的集中處理與動態(tài)傳輸，達到動態(tài)采集林業(yè)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的效果，可為林業(yè)發(fā)展與資源管控提供重要的數(shù)據(jù)支撐。因此，基于GIS的林業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計滿足了建設(shè)智慧林業(yè)的根本需求，對提高林業(yè)資源經(jīng)營管理工作效率可提供有效助力，具有較高的實踐推廣價值。

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作者簡介：李喜友（1983—），男，本科，工程師，研究方向：林業(yè)勘測設(shè)計。