吳 楠

(陜西學(xué)前師范學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，陜西 西安710100)

0 引 言

森林火災(zāi)是突發(fā)性強(qiáng)、危害較大的一種災(zāi)害，常給森林資源造成巨大的損失。據(jù)統(tǒng)計，全球每年遭受的森林火災(zāi)多達(dá)幾十萬起，受災(zāi)面積幾百萬公頃，約占地球森林總面積的0.1%. 據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計，在中國1950—1977 年共發(fā)生大小森林火災(zāi)67 萬次，平均每年發(fā)生高達(dá)1.43 萬次，受害森林面積82.2 萬公頃［1］。森林火災(zāi)一旦發(fā)生，就會毀滅大量的林木，同時還會對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成巨大的危害。由于一般性森林面積都較大，樹木容易燃燒，火災(zāi)發(fā)生時都難以控制和撲滅，如何對林火的發(fā)生進(jìn)行預(yù)報和預(yù)測，就成為迫切需要解決的一個重要課題。當(dāng)前中國各級氣象部門發(fā)布的森林火險天氣預(yù)報和一些地區(qū)發(fā)布的森林火險預(yù)報的空間位置較粗略、時效性較差，不能滿足各級森林防火工作的實(shí)際需求［2］。隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的發(fā)展，其在森林防火中的應(yīng)用已嶄露頭角，GIS 采用了面向?qū)ο蠓?wù)的設(shè)計思想，實(shí)現(xiàn)了面向空間實(shí)體及其關(guān)系的組織、高效海量空間數(shù)據(jù)的存儲與索引、三維實(shí)體建模和分析。

萬維網(wǎng)地理信息系統(tǒng)(WebGIS)是Web 技術(shù)和GIS 技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是基于“客戶機(jī)/服務(wù)器”體系結(jié)構(gòu)的分布式GIS 系統(tǒng)［3］，它使得GIS 的空間數(shù)據(jù)集成、查詢、分析和發(fā)布等功能能夠在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行，能夠在互聯(lián)網(wǎng)上的任意一個節(jié)點(diǎn)瀏覽WebGIS 站點(diǎn)中的空間數(shù)據(jù)，制作專題圖以及進(jìn)行各種空間檢索和分析。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，是近年來隨著無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)以及微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展和相互融合而產(chǎn)生的一種自組織網(wǎng)絡(luò)，它是由部署在所監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成［4］，該網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)通過無線通信的方式，形成一種多跳自組織系統(tǒng)，其最終目標(biāo)是協(xié)作地感知、收集和處理所覆蓋區(qū)域中監(jiān)測對象的信息，比如經(jīng)常使用的溫度、濕度、噪音、光強(qiáng)、有害氣體濃度等數(shù)據(jù)信息，并以無線射頻的方式發(fā)送出去。

筆者將WebGIS 與WSN 有機(jī)的結(jié)合在一起，在林區(qū)范圍內(nèi)布置大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，將采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)平臺，并以電子地圖的形式展示給用戶，以實(shí)現(xiàn)對重點(diǎn)林區(qū)的全天候不間斷的實(shí)時監(jiān)測。

1 ARCGIS SERVER 系統(tǒng)

1.1 ARCGIS SERVER 概述

ArcGIS Server 是一個建立企業(yè)級GIS 應(yīng)用程序的平臺，它實(shí)行集中化的管理，支持多用戶，包括高級的GIS 功能，使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建，相較于其他服務(wù)器技術(shù)，它不僅實(shí)現(xiàn)了GIS 資源共享，而且提供資源內(nèi)含GIS 功能的訪問。開發(fā)者基于Arc-GIS Server 可以構(gòu)架Web 應(yīng)用、Web 服務(wù)以及其他運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)的.NET 和J2EE Web 服務(wù)器上的企業(yè)級應(yīng)用［5-11］。ArcGIS Server 以集中服務(wù)器應(yīng)用方式管理了復(fù)雜的GIS 功能，如地圖、定位以及軟件對象［12］，它可以宏觀的看作三大部分:一部分是GIS Server，GIS 服務(wù)所需的服務(wù)器軟件產(chǎn)品都由它提供，其中包括管理和發(fā)布地圖服務(wù)，以及定位服務(wù)等;另一部分是ADF(Application Developer Framework，應(yīng)用程序開發(fā)框架)［13］，它是用來開發(fā)和部署基于GIS Server 架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序產(chǎn)品，其中包括組件對象、Web 控件、Web 模板和開發(fā)幫助等;另外它還有一個Web 程序的公共運(yùn)行時，專門用于發(fā)布和部署使用ADF 開發(fā)的Web 程序。

1.2 ArcGIS Server 運(yùn)行機(jī)制

ArcGIS Server 是一個包含多個部件的分布式系統(tǒng)，可同時分配至多臺計算機(jī)中。在對象管理、負(fù)載平衡等過程中ArcGIS Server 的各個部件分別發(fā)揮一定的作用［14］。它由以下4 大部分組成

1)GIS 服務(wù)器:裝載并運(yùn)行服務(wù)器對象。GIS服務(wù)器包含一個對象管理器(SOM)、一個或多個對象容器(SOC)。

2)Web 服務(wù)器:裝載Web 應(yīng)用以及Web 服務(wù)。

3)Web 瀏覽器:可以看作客戶端，使用者能夠連接運(yùn)行于Web 服務(wù)器上的Web 應(yīng)用。

4)桌面應(yīng)用程序:通過HTTP 協(xié)議連接運(yùn)行在Web 服務(wù)器中的ArcGIS Web 服務(wù)。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由ZigBee 節(jié)點(diǎn)、Sink 網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)程GPRS 數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)監(jiān)控中心4 部分構(gòu)成。

2.1 ZigBee 節(jié)點(diǎn)

Zigbee(全新無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信)技術(shù)是隨著工業(yè)自動化對于無線通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蠖a(chǎn)生的，經(jīng)過人們長期努力，Zigbee 協(xié)議在2004 年正式問世，它是一個由65 000 多個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺。Zigbee 網(wǎng)絡(luò)主要是為自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，每個Zigbee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以與監(jiān)控對象相關(guān)聯(lián)，它還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)信息［5］;每個Zigbee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以支持多至31 個傳感器和受控設(shè)備，每一個傳感器和受控設(shè)備可以有8 種不同的接口方式?？梢酝瑫r采集和傳輸數(shù)字量及模擬量。

圖1 Sink 節(jié)點(diǎn)硬件組成Fig.1 The form of sink node hardware

ZigBee 節(jié)點(diǎn)的主要功能是負(fù)責(zé)收集、處理和壓縮數(shù)據(jù)，同時還可以中轉(zhuǎn)其它節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。它是由數(shù)據(jù)采集單元(傳感器)、數(shù)控單元(微處理器、存儲器)、無線通信單元(無線收發(fā)器)和供電單元(電池)4 大部分組成［6］。ZigBee 節(jié)點(diǎn)具有以下優(yōu)缺點(diǎn)，如價格低廉、安裝簡易、工作可靠，可布置節(jié)點(diǎn)密度高等優(yōu)點(diǎn)，但節(jié)點(diǎn)的計算和存儲能力有限、電量有限、節(jié)點(diǎn)間的通信單跳距離通常只有幾十到幾百米等不足之處。

2.2 Sink 網(wǎng)關(guān)

Sink 網(wǎng)關(guān)是無線網(wǎng)絡(luò)中常用的一種網(wǎng)關(guān)，它的主要作用是匯聚前端ZigBee 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、協(xié)議轉(zhuǎn)換以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。Sink 網(wǎng)關(guān)硬件組成如圖1所示，它以高性能嵌入式ARM-PXA270 520MHx 芯片為核心，內(nèi)置WinCE/Linux 系統(tǒng)，同時該網(wǎng)關(guān)帶有良好的可視化圖形界面，以及豐富的GPRS 和CDMA 等遠(yuǎn)距離無線數(shù)傳設(shè)備接口資源。本設(shè)計選用了某公司開發(fā)的高性能嵌入式硬件平臺——270 S，作為林區(qū)火險監(jiān)測系統(tǒng)中的Sink 網(wǎng)關(guān)。

2.3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸

GPRS/CDMA 是基于GSM/CDMA 移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，其具有低成本、高效率的特點(diǎn)［7］。監(jiān)測區(qū)域的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將所采集到的ZigBee 節(jié)點(diǎn)信息，通過RS-232 標(biāo)準(zhǔn)串口，以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給前端數(shù)傳設(shè)備DTU(Data Transmit Unit)。前端數(shù)傳設(shè)備接收到數(shù)據(jù)包后，在不改變數(shù)據(jù)包任何封裝形式的前提下，通過基站網(wǎng)絡(luò)實(shí)時發(fā)送到客戶端數(shù)傳設(shè)備。數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器通過上位機(jī)軟件對接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包［5］，同時將ZigBee節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測信息分類存儲在數(shù)據(jù)庫中，比如:節(jié)點(diǎn)類型、包頭信息、數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)、跳數(shù)、傳感器數(shù)據(jù)等。

2.4 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心

數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的服務(wù)器是通過Microsoft SQL Server 2005 與ArcGIS Server［15］搭建的，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲的同時，還可以對用戶提供基于以太網(wǎng)的訪問，達(dá)到林區(qū)火險監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用要求，具體內(nèi)容將在下節(jié)敘述。

3 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計分為硬件平臺和軟件平臺2 部分。

3.1 硬件平臺

系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖2 所示。Zigbee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)分為Zigbee 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和Sink網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)兩個部分。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)打包處理后，通過RS-232 接入GPRS 通信模塊。經(jīng)過UDP/IP、PPP 協(xié)議封裝后發(fā)送至GPRS 網(wǎng)絡(luò)，通過GPRS 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，由監(jiān)測中心的計算機(jī)接收并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

在該硬件平臺上開發(fā)設(shè)計了林區(qū)火險監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時發(fā)布子模塊，本系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在Geodatabase 中，實(shí)時火險數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一存儲在Oracle中，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心通過安裝ArcGIS Server ADF 運(yùn)行時來部署網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。

圖2 系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu)Fig.2 The platform structure of hardware system

3.2 軟件平臺

本系統(tǒng)軟件分成2 個部分:終端軟件和監(jiān)測中心軟件。

終端軟件主要功能是監(jiān)視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)并上傳數(shù)據(jù)，運(yùn)用的系統(tǒng)是linux 操作系統(tǒng)，它具有可高度靈活定制的內(nèi)核，其主要任務(wù)是用來定時讀取采集數(shù)據(jù)、經(jīng)GPRS 發(fā)送數(shù)據(jù)、接收并執(zhí)行來自遠(yuǎn)端PC 的命令。

監(jiān)測中心軟件的主要功能是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收、存儲、查詢、呈現(xiàn)等，其采用的是面向?qū)ο罄砟詈湍K化的設(shè)計方法，并根據(jù)不同的需求將相應(yīng)的功能都封裝成互相獨(dú)立的模塊，下文重點(diǎn)介紹監(jiān)測中心Web 地圖服務(wù)實(shí)現(xiàn)及其主要的功能。

Web 地圖服務(wù)的實(shí)現(xiàn)過程就是將大家熟知的GIS 功能作為一個Web 服務(wù)來提供給外界，這樣才能允許通過網(wǎng)絡(luò)訪問地圖里提供給用戶的那些顯示、漫游和縮放等功能［11］。Web 地圖服務(wù)是以最新的B/S 模式作為基礎(chǔ)［16］，將C/S 模式里的服務(wù)器分解，分解后有一個數(shù)據(jù)服務(wù)器和一個或是多個應(yīng)用服務(wù)器，從而構(gòu)成了一個3 層結(jié)構(gòu)體系，3層結(jié)構(gòu)Web 地圖服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 3 層結(jié)構(gòu)Web 地圖服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Diagram of three layer structure of Web map service system structure

第一層:客戶層(客戶端)，包括客戶端瀏覽器，該瀏覽器將HTML 代碼轉(zhuǎn)換為圖文并茂的網(wǎng)頁，從而提供一定的交互能力?？蛻舳送ㄟ^局域網(wǎng)，經(jīng)身份認(rèn)證后登陸該系統(tǒng)。允許用戶輸入處理要求，提交給第二層應(yīng)用服務(wù)器。

第二層:應(yīng)用層(應(yīng)用服務(wù)器)，包括Web 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和GIS 服務(wù)器。當(dāng)客戶層提出請求之后，應(yīng)用層，也就是應(yīng)用服務(wù)器將啟動相應(yīng)的進(jìn)程響應(yīng)，之后會生成一串動態(tài)HTML 代碼。

本系統(tǒng)Web 應(yīng)用服務(wù)器采用Weblogic 10.3，Web 層的主要功能是視圖功能，它主要通過JSP 動態(tài)頁面實(shí)現(xiàn)。其中GIS 功能里的控件就是通過調(diào)用ArcGIS Server Web 應(yīng)用開發(fā)框架(ADF)預(yù)先制定好的的Web 控件來實(shí)現(xiàn)。Web 控件主要包括有

1)地圖控件(Map Control)，它實(shí)現(xiàn)的功能是電子地圖的放大、縮小和漫游等;

2)工具欄控件(Toolbar Control)，它實(shí)現(xiàn)的功能是加載工具控件與實(shí)現(xiàn)工具，也能加入自定義工具。

Web 頁面上的非GIS 標(biāo)準(zhǔn)功能組件，是采用JSF 提供的HTML 標(biāo)簽和核心標(biāo)記庫來實(shí)現(xiàn)輸入、輸出框等。

第三層:數(shù)據(jù)層(數(shù)據(jù)庫)，包括屬性數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、響應(yīng)和更新處理。系統(tǒng)通過ArcGIS SDE 9.3將空間數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Oracle 10G 中［17］，其中對空間數(shù)據(jù)的管理則是由ArcGIS SDE 9.3 和Oracle10 G共同實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的存取是通過服務(wù)對象的調(diào)用實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)客戶端發(fā)生請求時，Web 層采用控制器將空間業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行分離，通過proxy object(代理對象)訪問GIS 服務(wù)器上的服務(wù)對象(Server Object)［18］。數(shù)據(jù)服務(wù)器是在客戶請求后獨(dú)立進(jìn)行處理，再將數(shù)據(jù)庫結(jié)果反饋到應(yīng)用服務(wù)器上，最后傳回到客戶端，從而完成了整個請求和應(yīng)答過程。

3.3 系統(tǒng)主要功能

該林區(qū)火險監(jiān)測系統(tǒng)擬以基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、火險探測采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用直觀高效地方式展示監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、火險監(jiān)測數(shù)據(jù)，以電子地圖的形式綜合顯示林區(qū)火險情況及報警信息等。林區(qū)火險檢測系統(tǒng)主要功能描述見表1.

表1 林區(qū)火險檢測系統(tǒng)主要功能描述Tab.1 Description of main function in forest fire detection system

4 結(jié) 論

在森林火災(zāi)頻發(fā)的今天，加之險情一旦發(fā)生就很難控制，如何對林火的發(fā)生進(jìn)行預(yù)報和監(jiān)測，已成為目前迫切需要解決的一個重要課題，在介紹ArcGIS Server 和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上，突破了大量技術(shù)難點(diǎn)，旨在將基于WebGIS 開發(fā)的軟件信息平臺與基于WSN 的林區(qū)火險監(jiān)測硬件環(huán)境進(jìn)行融合設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的反復(fù)測試和試運(yùn)行，最終取得了良好的模擬預(yù)警效果。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有對重點(diǎn)林區(qū)的火險情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和火險預(yù)警功能，可以為相關(guān)職能部門提供決策支持和信息發(fā)布服務(wù)，具有較好的應(yīng)用前景。

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