基于GIS的林业环境监测系统设计

摘 要：开展林业环境监测可为林业管理提供数据支持。基于地理信息系统（Geographic Information System，GIS），以林业环境监测系统架构设计、数据采集端设计、存储数据库设计、系统服务器设计为切入点，开发林业环境监测系统，并在已搭建成功的林业环境监测系统上，再次细化监测系统应用所需要的开发环境、设备及应用程序配置，达成林业环境监测系统的有效应用，最终实现对林业环境的实时动态监测，为林业管理提供有效助力。

关键词：GIS技术；林业；环境监测；物联网技术；数据采集端

中图分类号：S757；TP274 文献标志码：A 文章编号：1674-7909-（2023）11-153-5

0 引言

在“双碳”目标、生态文明建设目标等战略目标引导下，林业资源经营管理工作已成为关系社会经济可持续发展的关键任务之一。而林业环境监测是林业资源经营管理的核心工作之一，也是林业管理的重要基础性工作。现阶段，随着科技的发展与进步，创新林业环境监测模式早已成为我国学者研究的热点内容。李德政［1］在其文章中指出，为避免森林面积减小、植物多样性锐减等现象，保障森林资源实现正常自我修复，林业资源监测应成为当下林业资源经营管理工作的重点内容。殷长梅［2］也在其文章中提出，地理信息系统（Geographic Information System，GIS）的应用，可满足当下智慧林业管理工作需求，利用GIS可有效管理具有空间属性的各种资源环境信息，能对不同时间段下林业环境状况进行动态监测和分析比较。基于不同学者对林业环境监测工作提出的改善建议，笔者借鉴相关经验，提出基于GIS的林业环境监测系统设计思路，进一步细化GIS在林业环境监测系统中的应用路径，并通过物联网技术、无线传感技术等信息技术，实现林业环境监测系统的高效搭建，为林业环境监测工作的高效开展提供技术支撑。

1 GIS

地理信息系统是一种通过分析基于地理空间的地理模型来提供实时动态地理信息的计算机系统。近年来，GIS在资源和环境监测领域发挥着先导性的技术优势，其主要功能为数据采集与输入、数据编辑与更新、数据存储与管理、空间数据分析与处理、数据与图形的交互显示。而空间数据的分析和处理是GIS的关键功能，可通过广泛的数据处理和分析，获得与实际地理位置有关的重要信息［3］。显示交互式数据和图形是GIS区别于其他信息系统的鲜明优势，不仅可提供文字性的数据描述，还可提供三维立体的地理数据模型与数据分析结果，便于技术人员理解与管理操作。目前，GIS凭借自身鲜明的技术优势，已在我国很多领域得到了广泛应用。例如，GIS在农业资源与环境领域主要作为农业资源调查工具、农业资源分析工具、农业生产管理工具、农业管理辅助决策工具，有助于实现对农业资源环境的动态管理，对农业生产经济效益提升给予了技术支撑。又如，GIS在土地资源开发与管理上的应用主要体现在土地利用现状和城镇地籍调查中，为查清我国土地资源，特别是耕地资源起到了有效助力［4］。在GIS被高效应用的背景下，笔者再次细化了GIS在林业调查中的应用方向，通过设计基于GIS的林业环境监测系统，以突破森林环境监测中地域辽阔、地势复杂的局限，为林业管理工作提供数据支持。

2 林业环境监测系统设计

2.1 林业环境监测系统架构设计

因森林面积较大且地势复杂，较多区域林业管理人员无法涉足，也因森林区域内环境变化复杂，动物生存轨迹较多，所以造成了林业环境监测工作的复杂性、特殊性与困难性［5］。基于此，笔者在设计基于GIS的林业环境监测系统时，先设计了一种基于物联网的林业环境监测系统架构，以满足林业环境监测系统低功耗、可视化、实时性的要求。林业环境监测系统架构如图1所示。

由图1可知，基于物联网的林业环境监测系统架构分为感知识别层、管理服务层、网络构建层、综合应用层4个层次。

2.1.1 感知识别层。感知识别层是林业环境监测系统架构中的基础部分。该层次通过无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）连接传感器采集终端与数据中心，其中传感器节点是用于实时监测森林中的温度、湿度、风速等参数及环境监测的单元；通过全球定位系统（Global Positioning System，GPS）的定位模块，可将各类参数信息汇总，上传至WSN中的汇聚节点；聚合节点利用通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）进行通信处理和发送数据，将处理后的数据上传至下一系统层次中。为保证感知识别层的数据采集准确率，笔者在感知识别层应用赛灵思公司开发的EK-Z7-ZC702-G开发板作为数据采集终端，依托其可编程阵列逻辑实现了其他外设的接入需求。

2.1.2 管理服务层。管理服务层主要负责林业环境监测系统中空间数据的整理与发布。通过GPRS通信将不同林区的环境参数数据汇总到SQL Server数据库中，ArcSDE立即对其进行分析和处理。同时，此服务层将林业地图图层分化为在线影像数据与离线影像数据，不同属性数据与区域信息会通过Arc GIS Server服务发布，使技术人员可通过此服务层随时访问林业相关地图信息与传感器所采集到的环境参数数据［6］。

2.1.3 网络构建层。网络构建层是林业环境监测系统中的传输网络，主要负责林业环境参数数据的远程传输。此次设计的远程数据传输方式共有两种。第一种为GPRS通信传输：利用WSN中的汇聚节点，收集汇总不同传感器采集终端所收集到的环境参数数据，再利用5G通信传输模块，通过GPRS通信传输，将获得的数据传输到以太网，并最终存储在服务器上。第二种为互联网技术传输：利用互联网技术搭建客户端与服务器之间的数据传输网络，与通信企业签订入网协议，使用JSON数据传输格式，实现各类数据的传输与获取［7］。

2.1.4 综合应用层。综合应用层即为林业环境监测系统终端。此设计将手机、平板等智能移动设备接入林业环境监测系统，使技术人员通过5G或无线局域网的数据传输方式，从林业环境监测系统中获取所需要的环境参数信息或地图信息，了解各监测区域林业建设情况，实现对林业环境的高质量监测。

2.2 数据采集端设计

为更好地节省研发成本、缩短研发周期，此研究的数据采集端直接采用了赛灵思公司开发的EK-Z7-ZC702-G开发板作为核心处理控制板。该开发板的原理图如图2所示。

由图2可知，该开发板，结合了GPS、传感器、处理控制器等多个模块，带有多样的资源数据接口。除1 GB的DDR3组件内存、以太网接口、USB接口、SD卡连接器、显示接口等典型接口外，该主板还设置了可接入视频图像的视频图形阵列接口（Video Graphics Array，VGA）与高清晰度多媒体接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）的接口平台，可实现林业环境监测的图像传播。同时，该开发板仍处于创新升级的过程中，笔者希望通过系统的实际使用，各接口平台会日趋完善，以达到最佳使用效果。另外，在此林业环境监测系统设计中，笔者针对数据采集端的工作流程进行了再次细化。首先，开始进行数据收集后，GPS模块将接收导航卫星直接发送的位置数据（如经度、纬度、高度等）并开始分析，此时速度、风向、温度、湿度、PM2.5和负氧等传感器开始收集重要的环境参数［8］。其次，GPS和相关传感器将根据标准协议分析处理收集到的位置信息和传感器数据，并使用RS485通信方式，通过串口将数据发送到控制处理模块。最后，控制处理模块接收到数据后，基于设定的信息筛选流程，提取环境参数信息，再将提取出的信息传送到串口，至此完成数据采集端的整个工作流程。

2.3 存储数据库设计

合理设计存储数据库，既能提高林业环境监测系统的指令执行效率与应答性能，还可大量节省服务器的数据存储空间［9］。在此系统中，系统数据库所要存储的数据共分为空间数据、属性数据与地理空间数据3类。

第一，空间数据结构的逻辑设计主要分为两个部分。一部分地理数据是基于数据的块结构和地图的地理分布设计的，将空间数据分为规则块和不规则块。另一部分是基于图层分层结构设计的，以要素属性为评定依据，将相同类型和特征的数据组合成一个图层并储存。这样，空间数据库的逻辑结构被划分为具有水平和垂直部分的分层和块结构，实现了两个独立部分的逻辑集成。第二，属性数据是指空间中不同对象的特征，这些特征由属性元素反映。尽管其具有非地理特征，但不同类型的数据被组合在一起以创建地理特征，如环境区域和森林区域的周长。在存储库数据库中，二维属性表用于存储属性数据，其中行表示不同林区中对象的目标，列表示相应的属性，行和列之间有密切的对应关系。在林业环境监测系统存储数据库中，空间数据和属性数据之间也有一定的相关性（见图3），属性数据可以说是空间数据的一部分，可为技术人员精准识别各区域环境参数数据提供技术支撑。第三，因地理空间数据包括遥感影像图数据和地形图两种数据，所以此系统选择以点→线→面的流程对地理空间数据进行逻辑处理，其处理流程如图4所示。通过此逻辑结构，地理空间数据与属性数据充分结合。当技术人员在移动端对数据库进行查询、更新、删除等操作时，只需要操作某一数据模块，就可获取相应的数据信息，使整个存储数据库工作更加高效，系统工作效率得到了明显提升。

2.4 系统服务器设计

系统服务器主要包括网络服务器与移动GIS服务器。网络服务器负责将林业环境监测系统连接到移动终端。网络服务器可以将采集终端接收到的信息存储在数据库中，允许数据节点发送处理命令、与移动终端进行通信，并根据技术人员的指示对数据内容进行各种操作。网络服务器操作流程如图5所示。从网络服务器的工作流程可以看出，网络服务器通过对数据库的请求访问与操作，实现对存储数据库中空间数据、属性数据与地理空间数据的删减操作，可为林业环境监测系统软件数据监测功能实现提供有力支撑［10］。

移动GIS服务器是实现实时传输地理空间信息数据的服务器，可完成多目标对象间的信息交互活动。在此系统中，移动GIS服务器分为移动客户端、应用服务器两大部分［11］。移动客户端是指林业技术人员运用的智能移动设备，如手机、平板电脑等，在载有GIS的平台上，完成对林业环境数据的监测、分析与修改。应用服务器可对数据采集端的操作请求给予实时响应，是移动GIS服务器的核心组成部分。此系统所使用的应用服务器为ArcGIS for Server。该服务器是ArcGIS配套的服务平台，具备对空间数据编辑与分析的功能，同时服务器的集中管理模式为后期服务器维护提供了较大便利。例如，当监控系统需要维护、管理或升级时，技术人员不需要在每个操作终端（如数据采集端、存储数据库等）上依次更新。在系统实际使用时，技术人员可直接利用以太网络访问服务器中的各项数据，以满足其在户外使用该系统的需求。

3 林业环境监测系统的应用实现

3.1 开发环境和设备

适用于此系统的开发环境与系统运行环境设备如表1所示。

由表1可知，基于GIS的林业环境监测系统的设计需求较为严苛，对于开发环境与系统运行环境设备都有着明确的技术要求。因此，为保证笔者所提出的基于GIS的林业环境监测系统顺利工作，各林场应选择符合上述要求的林业环境监测系统开发环境与系统运行环境设备。只有满足环境监测系统的软硬件需求，才可实现林业环境的动态化监测。

3.2 应用程序配置

为保证基于GIS的林业环境监测系统正常应用，对于移动端应用程序的配置可参考Xcode调动ArcGIS Runtime SDK for iOS第三方应用框架进行GIS方面的二次开发，使林业环境监测人员利用移动端应用程序就可访问林业环境监测系统，实现高效化办公［12］。笔者提出使用CocoaPods导入ArcGIS SDK的方式完成移动端应用程序配置。