基于物聯(lián)網(wǎng)與GIS的智慧園林系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王發(fā)亮 林 康

(山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266590)

0 引言

智慧城市建設(shè)在國內(nèi)的推進(jìn)歷經(jīng)了起步期、探索試點(diǎn)期、成熟規(guī)范期、目前已邁入一個(gè)全新的蓬勃發(fā)展期[1]，智慧園林作為其中一部分，在生產(chǎn)生活中正在發(fā)揮越來越大的作用。在國家宏觀大背景下，綠色是衡量一個(gè)城市自然宜居程度的基礎(chǔ)指標(biāo),也是一個(gè)城市的發(fā)展理念，園林綠地面積是一個(gè)城市生態(tài)環(huán)境的體現(xiàn)。智慧園林建設(shè)作為智慧城市的重要組成部分，在城市面貌等方面發(fā)揮著重要的作用，園林建設(shè)管理和人民的生活息息相關(guān)，園林綠地是城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，城市園林綠化建管工作隨著城市建設(shè)的日益加速，已經(jīng)從“增量建設(shè)”到“存量建設(shè)”轉(zhuǎn)變[2]。

快速的城市化進(jìn)程促進(jìn)了園林建設(shè)的發(fā)展，隨著城市規(guī)模擴(kuò)大、人民群眾對生活環(huán)境要求增高，一些園林管理問題開始凸顯，具體表現(xiàn)為：(1)園林管理數(shù)據(jù)信息多，測量手法多樣，無法實(shí)時(shí)在線監(jiān)測；問題處理需要多部門、跨專業(yè)人士配合與協(xié)調(diào)；(3)園林工作與環(huán)境、氣象等多方面信息相關(guān)，分析工作繁重等。這對于還停留在人工管理模式的園林管理提出了更高的要求。

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用傳感器及無線通信、智能識(shí)別等技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)共享[3]。應(yīng)用于智慧園林管理系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要有中間件技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸與識(shí)別、Web服務(wù)與數(shù)據(jù)可視化分析技術(shù)。地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)可以對園林樹木進(jìn)行精確的定位，屬性查詢與處理。對傳感器監(jiān)測到的蟲情數(shù)據(jù)、氣象站數(shù)據(jù)等進(jìn)行空間分析與統(tǒng)計(jì)，提供園林管理者決裁參考[4]。

為實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)園林智能化管理，本文提出了結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術(shù)構(gòu)建智慧園林的方法，實(shí)現(xiàn)了園林管理的動(dòng)態(tài)監(jiān)測、時(shí)空數(shù)據(jù)分析、查詢統(tǒng)計(jì)、信息聚合展示。建立了較為完備的監(jiān)測管理與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)。

1 需求分析

智慧園林是集物聯(lián)網(wǎng)[5]、互聯(lián)網(wǎng)和GIS技術(shù)為一體，依托部署在城市園林中有線、無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)園林管理的科學(xué)化、智能化管理的園林管理系統(tǒng)，為園林管理提供精細(xì)化培育、可視化管理、智能化決策等方面技術(shù)支持。

1.1 變傳統(tǒng)人工管理為數(shù)字化管理

傳統(tǒng)的城市綠地信息資料都是以紙質(zhì)形式保存和人工統(tǒng)計(jì)，在城市不斷發(fā)展建設(shè)過程中，會(huì)形成大量的文獻(xiàn)資料，翻閱及統(tǒng)計(jì)較為煩瑣，耗時(shí)費(fèi)力。系統(tǒng)的建成為城市綠地規(guī)劃、建設(shè)、管理提供快捷、翔實(shí)、準(zhǔn)確的信息。該信息庫應(yīng)該是一個(gè)動(dòng)態(tài)的信息庫，而不是一成不變的，這就要求城市綠化工作人員要不斷地對信息庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，才能確保信息庫數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過一系列的動(dòng)態(tài)信息傳遞，建立完整的、系統(tǒng)的園林信息化監(jiān)管體系。

1.2 變傳統(tǒng)管養(yǎng)為科學(xué)管養(yǎng)

以往園林綠化設(shè)施維修缺乏預(yù)見性，或是等資金到位，或是等設(shè)施損壞再修，這種養(yǎng)護(hù)方式不利于園林綠化的養(yǎng)護(hù)。系統(tǒng)建成后園林管理處通過綜合分析各古樹古木，綠地等的相關(guān)數(shù)據(jù)，合理安排養(yǎng)護(hù)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行效能提高與維護(hù)費(fèi)用降低的雙贏，實(shí)現(xiàn)園林設(shè)施的科學(xué)管養(yǎng)。

1.3 變傳統(tǒng)型管理為精細(xì)化管理

傳統(tǒng)園林綠化管理過多依賴人工操作，憑經(jīng)驗(yàn)辦事。系統(tǒng)建成后對原有的管理模式，管理流程和方法手段進(jìn)行整合創(chuàng)新，通過對園林綠化數(shù)字化信息庫、園林綠化信息化監(jiān)管體系的合理利用，使管理逐步由粗放轉(zhuǎn)為精細(xì)，縮短數(shù)據(jù)更新周期，實(shí)現(xiàn)一體化、全過程的信息化管理。提高園林綠化的綜合管理能力，發(fā)揮整體優(yōu)勢。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體框架設(shè)計(jì)

智慧園林系統(tǒng)為數(shù)據(jù)為中心，以統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)、應(yīng)用集成平臺(tái)、地理信息系統(tǒng)GIS平臺(tái)為重點(diǎn)，以安全保證體系、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫以及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為支撐，為建設(shè)城鎮(zhèn)園林智慧化管理的數(shù)據(jù)采集和處理體系、生態(tài)保護(hù)體系、管理與服務(wù)體系三大管理體系提供總體規(guī)劃設(shè)計(jì)思路(見圖1)。

根據(jù)智慧園林職能劃分的不同，將物聯(lián)網(wǎng)與GIS的理論和原理融入平臺(tái)設(shè)計(jì)之中。依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的理論和原理，按照物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的傳輸與利用，智慧園林系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)的軟硬件集成架構(gòu)主要由感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層組成[6]。

感知層的傳感器監(jiān)測設(shè)備包括病蟲監(jiān)測設(shè)備、氣象監(jiān)測設(shè)備等主要負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)傳輸層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，處理/數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)存儲(chǔ)分析數(shù)據(jù)，并且提供數(shù)據(jù)服務(wù)，通過軟硬件支持的環(huán)境將應(yīng)用層的功能展示給系統(tǒng)用戶。應(yīng)用層展示系統(tǒng)的核心功能，主要包括信息聚合、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、數(shù)據(jù)推送、動(dòng)態(tài)監(jiān)測、時(shí)空分析、多維分析、用戶管理等板塊。

2.2 感知層

前端感知層由基本的感應(yīng)器件以及感應(yīng)器組成的網(wǎng)絡(luò)兩大部分組成。主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集工作，是構(gòu)成整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的末梢節(jié)點(diǎn)。主要包括園林土壤監(jiān)測設(shè)備、氣象站、蟲情測報(bào)燈以及視頻監(jiān)控設(shè)備等，對園林內(nèi)部的名樹古木生長狀況、病蟲害數(shù)量、天氣溫度、濕度、降雨量進(jìn)行檢測。

圖1 總體框架圖

2.3 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的末梢網(wǎng)絡(luò)和承載網(wǎng)絡(luò)，通過感知網(wǎng)和廣域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)傳輸手段，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的匯集、傳輸以及數(shù)據(jù)交互。物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備通過集中控制器，統(tǒng)一經(jīng)過通信基站接入互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)(Internt of Things, IoT)以及通訊網(wǎng)。利用消息隊(duì)列傳輸(Message Queuing Telemetry Transport，MQTT)協(xié)議、socket等將物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)，根據(jù)行業(yè)應(yīng)用接入到物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)庫，同時(shí)可以根據(jù)基礎(chǔ)配置信息，將物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送到各應(yīng)用系統(tǒng)。

智慧園林?jǐn)?shù)據(jù)傳輸需要進(jìn)行文本信息對接與圖片信息對接。蟲情測報(bào)設(shè)備以及氣象站設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，基于MQTT協(xié)議編寫MQTT消息服務(wù)器與客戶端，發(fā)布和訂閱傳感器上傳的數(shù)據(jù)主題，將數(shù)據(jù)存入MongoDB數(shù)據(jù)庫。

2.4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分為空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫。屬性數(shù)據(jù)庫包括害蟲圖像數(shù)據(jù)庫、害蟲情況數(shù)據(jù)庫、氣象站數(shù)據(jù)庫等，通過傳感器獲得的物聯(lián)網(wǎng)屬性數(shù)據(jù)由MQTT協(xié)議訂閱存儲(chǔ)在非關(guān)系數(shù)據(jù)庫MongoDB中?？臻g數(shù)據(jù)庫包括名樹古木矢量庫，測報(bào)點(diǎn)位置信息庫。GIS空間數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)服務(wù)的方式發(fā)布，屬性數(shù)據(jù)以O(shè)racle數(shù)據(jù)庫格式存在于空間數(shù)據(jù)庫中，為提高地圖訪問效率，其中部分GIS數(shù)據(jù)及圖像數(shù)據(jù)需要進(jìn)行切片處理。具體如圖2所示。

2.5 系統(tǒng)應(yīng)用層

系統(tǒng)應(yīng)用層是整套系統(tǒng)的核心功能，也是系統(tǒng)提現(xiàn)價(jià)值所在的地方。智慧園林系統(tǒng)的應(yīng)用層軟件架構(gòu)采用.NET架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，充分發(fā)揮.NET架構(gòu)所帶來的組件化優(yōu)勢。底層GIS平臺(tái)采用ArcGIS平臺(tái)，開發(fā)庫采用ArcGIS API for JavaScript。使用瀏覽器進(jìn)行訪問，主要包括信息聚合、時(shí)空分析、多維分析、數(shù)據(jù)推送、動(dòng)態(tài)監(jiān)測五個(gè)模塊。

用戶可以通過前端訪問瀏覽器，對城市園林古樹名木數(shù)據(jù)等園林綠化資源數(shù)據(jù)進(jìn)行展示、查詢和統(tǒng)計(jì)，在一張圖[7]上分層次、分類別地宏觀上展示和分析管理城市園林綠化情況。查詢當(dāng)前實(shí)時(shí)蟲害，將蟲害信息以折線圖的方式進(jìn)行展示，并以專題圖的形式展示蟲害情況，展示實(shí)時(shí)氣象信息，預(yù)測未來可能發(fā)生蟲害的地點(diǎn)以及發(fā)展趨勢。采用ArcGIS JS開發(fā)常用的地圖功能組件如放大、縮小、漫游等功能[8]。

3系統(tǒng)功能

智慧園林管理系統(tǒng)共分為信息聚合、時(shí)空分析、多維分析、數(shù)據(jù)推送、用戶管理等模塊，如圖3所示，下面對每個(gè)模塊的功能進(jìn)行詳細(xì)的說明[9]。

3.1 信息聚合模塊

古樹名木模塊實(shí)現(xiàn)對古樹名木的空間地理分布的展示以及動(dòng)態(tài)管理，方便用戶在古樹名木電子地圖上進(jìn)行現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的查詢，可以對長汀縣名樹古木進(jìn)行定位，查看樹木的種類與數(shù)量。用戶可以通過放大、縮小、漫游等操作等基本操作對城市園林?jǐn)?shù)據(jù)及古樹名木進(jìn)行瀏覽，查看樹木的編號，名稱，樹齡，科目及分布狀態(tài)。

圖2 數(shù)據(jù)庫E-R圖

圖3 系統(tǒng)功能圖

氣象監(jiān)測模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、累計(jì)雨量、PM值、大氣溫度、大氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、大氣壓力、光照輻射等環(huán)境信息以及歷史環(huán)境信息。對環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)測以及展示選定時(shí)間段內(nèi)的環(huán)境信息，以表格的形式展示，為管理者提供數(shù)據(jù)支持[10]。

利用蟲情測報(bào)燈設(shè)備，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)害蟲的統(tǒng)計(jì)，以表格的形式顯示歷史數(shù)據(jù)，以二維折線圖的形式展示蟲害防治的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并且可以直接看到蟲情測報(bào)燈的狀態(tài)。

3.2 時(shí)空分析模塊

時(shí)空分析支持對宏觀區(qū)域中大范圍變化情況，進(jìn)行時(shí)間軸跟蹤對比，可選擇歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行圖層疊加，從不同維度對重要管理指標(biāo)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。具體功能包括歷史數(shù)據(jù)疊加功能、數(shù)據(jù)時(shí)空變化對比等，可直觀、快速對比分析出園林資源隨著時(shí)間序列的變化及趨勢。

基于害蟲情況數(shù)據(jù)庫，以柱狀圖，餅狀圖的形式展示蟲害信息，如出現(xiàn)的種類、數(shù)目、頻率等。以固定天數(shù)作為對比，生成反映不同園林害蟲時(shí)間變化的柱狀圖、餅狀圖等[11]。

3.3 多維分析模塊

根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、統(tǒng)計(jì)圖定義等，對園林業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，抽取其中的維度、指標(biāo)，可以通過拖動(dòng)維度指標(biāo)來查看自己想要查看的信息。根據(jù)園林業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的維度層次，向下逐層細(xì)化，對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析。例如用戶可以統(tǒng)計(jì)選定時(shí)間段選定位置的害蟲數(shù)量，以折線圖的形式進(jìn)行展示。同時(shí)以餅狀圖的形式展示選定時(shí)間段選定地點(diǎn)的害蟲數(shù)量，并且展示不同種類害蟲數(shù)量。

3.4 數(shù)據(jù)推送與用戶管理模塊

系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)光控、雨控、溫控、落蟲、加熱、倉門開啟、信號強(qiáng)度等硬件設(shè)備的實(shí)時(shí)的工作情況；實(shí)時(shí)空氣溫度、濕度、加熱倉溫度、雨控、溫控、光控的狀態(tài)；害蟲誘捕的數(shù)量、種類實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)推送。

系統(tǒng)用戶權(quán)限分為系統(tǒng)管理員、普通管理員與普通用戶。系統(tǒng)管理員負(fù)責(zé)維護(hù)數(shù)據(jù)庫，增刪修改普通管理員賬號與普通用戶賬號，優(yōu)化系統(tǒng)，定期對害蟲情況、氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)儲(chǔ)，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。普通管理員可以遠(yuǎn)程訪問系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫信息，來對模型進(jìn)行修正。普通用戶可以通過Web端來使用系統(tǒng)功能，改善對園林綠地的監(jiān)測， 提升對園林綠地的管理水平，實(shí)現(xiàn)智慧化管理[12]。

4 系統(tǒng)特色

本系統(tǒng)特色反映在以下三個(gè)方面：

(1)系統(tǒng)的開發(fā)結(jié)合地理信息技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用瀏覽器/服務(wù)器模式(Browser/Server,B/S模式)。在網(wǎng)頁端展示和訪問系統(tǒng)。采用ArcGIS Server實(shí)現(xiàn)GIS空間數(shù)據(jù)的發(fā)布和管理，通過MQTT協(xié)議接收物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對園林多方位的管理。底圖圖層采用動(dòng)態(tài)矢量服務(wù)，實(shí)現(xiàn)在一張圖上展示數(shù)據(jù)[13]。

(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)蟲害數(shù)據(jù)庫，可以反映不同時(shí)段、園林不同地點(diǎn)的害蟲分布信息。將時(shí)空分析技術(shù)與蟲害測報(bào)結(jié)合，反映害蟲分布規(guī)律，用戶依次對害蟲進(jìn)行防治，還可以進(jìn)一步研究害蟲遷移與形成機(jī)理。結(jié)合氣象數(shù)據(jù)與古樹名木保護(hù)模塊，對智慧園林進(jìn)一步發(fā)展有重要的作用。制作專題圖，通過各類餅狀圖，柱狀圖可以直觀地對園林資源進(jìn)行分析[14]，為園林科學(xué)管理提供客觀、全面的匯總信息。

(3)實(shí)時(shí)消息推送通知，系統(tǒng)通過消息中間件作為底層物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)分發(fā)的工作。這樣可以將采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)第一時(shí)間通過消息中間件上傳到系統(tǒng)平臺(tái)。

5 結(jié)束語

本文針對園林管理數(shù)據(jù)信息多、測量手法多樣，無法實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、園林工作與環(huán)境、氣象等多方面信息相關(guān)，分析工作繁重等問題，研究設(shè)計(jì)了結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和GIS技術(shù)構(gòu)建智慧園林系統(tǒng)的方法。通過具體的需求分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用WebGIS、Ajax、SOA等技術(shù)，建立了智慧園林一張圖系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的建設(shè)可以顯著改善城市的公共園林綠化面貌，提升城市公共管理與市容市貌，進(jìn)而吸引大量企業(yè)投資和入住，增加政府的稅收和行政事業(yè)性收費(fèi)，產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)效益。對智慧園林的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。