基于WEB的三维树木监管系统设计与实现.pdf 9页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn基于WEB的三维树木监管系统设计与实现**田乃满，张月恒，艾刚（中国地质大学（北京）信息工程学院，北京100083）5摘要：目前WEBGIS技术在林业管理方面得到了广泛的应用，但在三维可视化和实时获取数据方面仍存在一些不足。基于WEB的三维树木监管系统，主要使用WEBGIS技术、物联网传感器技术、三维可视化技术、GIS空间分析工具，实现对树木信息的三维可视化表达、树木基本信息的实时获取和树木生态效益监测功能，从而达到对树木的科学监管。同时为每10颗树木制作唯一的二维码，使园林工人更准确的掌握树木生长信息，进行科学培育。关键词：三维树木模型；Laravel；ZigBee传感器网络；生态效益;二维码中图分类号：P208DesignandImplementationof3DTreeMonitoringSystem15BasedonWEBTIANNaiman,ZHANGYueheng,AIGang(SchoolofInformationEngineering,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083)Abstract:Atpresent,WEBGIStechnologyhasbeenwidelyusedinforestrymanagement,buttherearestillsomeshortcomingsin3Dvisualizationandreal-timedataacquisition.WEB-based20three-dimensionaltreemonitoringsystem,themainuseofWEBGIStechnology,Internetofthingssensortechnology,three-dimensionalvisualizationtechnology,GISspatialanalysistoolstoachievethethree-dimensionalvisualizationoftreeinformation,treebasicinformationreal-timeaccessandtreeecologicalbenefitsmonitoringfunction.Toachievescientificsupervisionoftrees.Atthesametimeforeachtreemakingtheonlytwo-dimensionalcode,sothatgardenworkersmoreaccurategraspoftree25growthinformation,scientificcultivation.Keywords:Three-dimensionaltreemodel;Laravel;ZigBeeSensorNetwork;EcologicalBenefits;QRcode300引言林木资源是生态环境重要的组成部分，维持着人类的基本生存环境，并且它们释放氧气、吸收二氧化碳、调节气候、保护水土，对维护自然生态系统的平衡起着重要作用，同时可以[1]为人们提供经济效益。但近几十年来人们过度重视了林木资源的经济效益，而忽略了生态效益，大量采伐天然林木导致自然环境恶化，带来一系列生态问题。为了防范过度采伐导致35生态问题进一步恶化，对林木资源进行科学管理具有重要的意义。从1998年美国副总统阿尔.戈尔提出“数字地球”的概念，将地球的数据信息作为数字地球加入到互联网，任何人都可以从中了解到有关地球的信息；到2008年IBM结合智能化、互联化和物联化三位一体的思想提出“智慧地球”，将全面互通和智能化的理念联系到产业[2]中，“智慧林业”应运而生。随着“智慧林业”概念的产生，计算机技术和网络技术的高速发40展，以及国家对林木资源科学管理提出了需求，传统的林业管理逐渐升级为信息化管理，越来越多的林木管理信息系统被开发和使用。但是目前，林木信息化管理仍然存在几点不足：1.现有系统多为二维系统，在树木三维可视化方面不够成熟。2.对树木生态效益的监测工作不够完善。3.在树木信息的实时获取和监测方面还有所欠缺。作者简介：田乃满（1996-），男，主要研究方向：地理信息科学通信联系人：艾刚（1977.10-），讲师，主要从事三维空间信息技术研究.E-mail:81693993@qq.com-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn本文研究的基于WEB的三维数木监管系统在WEBGIS技术的支持下，使用ArcGIS45API、ZigBee传感器网络和GIS空间分析工具，基于Laravel框架进行深度开发，实现了树木三维可视化和生态效益监测，以及利用ZigBee传感器网络实时获取数据。并为每颗树木制作二维码，使园林工人掌握最新的树木生长信息，便于科学的培育。1方法1.1数据库设计50系统采用MicrosoftSQLServer2012搭建数据库，SQLServer是Microsoft公司推出的大型关系型数据库管理系统，具有使用方便可伸缩性好、安全性高与相关软件集成程度高等优点。MicrosoftSQLServer数据库引擎为关系型数据和结构化数据提供了更安全可靠的存储功能，使用户可以构建和管理高性能的数据应用程序。数据是管理系统实现的基础，用户查询和操作的对象，也是创建三维模型和渲染的基础，数据分为空间数据和属性数据。55空间数据包括表示树木生长环境的地形数据和树木自身的空间数据。系统使用ESRI公司发布的三维地形图服务作为地理底图，描述树木生长环境。树木在地理空间上可视为点数据，由其经纬度唯一的标识，所以只需将树木的坐标存储在属性数据库中便可方便的创建树木图层。属性数据库存储树木经纬度数据、基本数据和生态效益数据，分析各类数据进行分类整60合建立二维关系表如下：树木基本信息表：包含树木位置信息和基本信息，是建立三维树木图层的基础。并由[SensorID]字段与传感器表关联，使用[TreeClassID]与树种表关联。树种表：由[TreeClassID]与树木基本信息表关联，介绍树木种类、科属信息。传感器表：由[SensorID]字段与树木基本信息表关联，含传感器接收到的土壤水分、养65分数据和温度数据以及噪音强度数据。表1树木表（小五号宋体）Tab.1Tableoftree列名数据类型TreeIDintTreeNamecharTreeClassIDintXfloatYfloatSensorIDintDBHfloatTreeAgeintHeightfloatWidth_NSfloatWidth_EWfloatSlopefloatAspectfloatRelieffloatSoilClasscharSoilQualityfloatSoilDensityfloatC_Storagefloat-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnHealthConditioncharIntroductionchar表2树种信息表70Tab.1TreeClassinformationtable列名数据类型TreeClassIDintNamecharAliascharFamilycharCategorycharIntroductionchar表3传感器信息表Tab.1Sensorinformationtable列名数据类型SensorIDintXfloatYfloatCO2floatCOfloatSO2floatNO2floatPM2.5floatPM10floatO2floatNoisyfloatClimatefloatSoil_NfloatSoil_PfloatSoil_KfloatSoil_CafloatSoil_SfloatSoilMoisturefloat751.2管理平台设计Laravel是一款基于MVC（Model-view-controller）设计模式的PHP框架，属于一种动态的程序设计，对代码高度重复利用，简化了后续对程序的修改和扩展。本文使用了Laravel框架进行深度开发，主要建立了用户请求处理（URLhandleModual）、传感器数据更新（DataAccessModual）、API调用集成工具（APIRequestModual）、空间分析工具（SpatialAnalysis80Modual）、数据库访问（PDOModual）5个主要模块。用户请求处理模块是利用Laravel服务容器建立的管理类依赖和执行依赖注入的模块，与API调用集成工具进行绑定，对请求进行分类处理。API调用集成工具主要对ArcGISServerAPI进行链接调用。空间分析工具是利用ArcPy建立的服务器端脚本工具，读取传感器获取的生态效益数据，对其进行空间插值运算，计算树木对周边环境的影响范围和强度。-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn85图1管理平台架构Fig.1Managementplatformarchitecture1.3三维模型创建与渲染“数字地球”概念的提出，推动了三维地理信息系统迅速发展。3DGIS用三维虚拟模型代90替了二维GIS符号，通过其逼真效果，使用户可以从多维角度浏览场景，获得直观的感受。通过对三维树木模型的渲染，用户可以通过“直觉”判断树木种类并了解基本信息。三维显示包括三维树木图层和描述树木生长环境的三维地理底图。地理底图起到对树木进行定位的骨架作用，并反映了树木生长环境和地形状况。系统的地理底图使用了ESRI公司通过ArcGISServer发布的三维地形图服务。ArcGISServer使地95理信息可供组织中的其他人使用，也可以使任何具有网络连接的用户使用。三维地形图服务可通过Web服务完成，Web服务一经运行，您便可在任意应用程序、设备或可通过HTTP[3]通信的API中使用这些服务。系统通过ArcGISAPIforJavaScript使用地图服务开发应用程序。ArcGISAPIforJavaScript是跟随ArcGIS9.3同时发布的，是ESRI根据JavaScript技术实现的调用ArcGISServerRESTAPI接口的一组脚本。通过ArcGISAPIforJavaScript可100以将ArcGISServer提供的地图资源嵌入到Web应用中。三维树木图层是系统的重点操作图层，创建三维数木图层，首先需要建立树木三维模型。系统使用ArcGISAPIforJavaScrip4.2的WebStyleSymbol类创建树木模型。WebStyleSymbol是用于创建逼真的专题3D符号的类，它本身不包含任何符号体系定义，只包含对网络样式[4]符号的引用。ESRI为用户提供了许多树木模型，开发者可以找到需要的种类，利用105WebStyleSymbol对象创建模型。其次要对模型进行渲染，SimpleRenderer对象为渲染WebStyleSymbol符号提供支持。定义任何的WebStyleSymbol的渲染，需要考虑axes属性，即height、width（东西宽度）、depth（南北宽度）三个轴，每个轴的值可以通过可视化变量的字段值设置。三个轴的数据由数据库中Height、width_EW和width_NS提供。并且通过可视化变量的color属性可以对树木颜色进行分级渲染。例如，根据碳存储量数据或者水110分数据，对树木颜色分级渲染，不同级别赋予不同深浅的颜色，使管理者可以直观的判断树木健康状况。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图2三维树木模型Fig.23Dtreemodel115创建模型与渲染：vartreerenderer=newSimpleRenderer({symbol:newWebStyleSymbol({styleName:"esriRealisticTreesStyle",name:"Populus"120}),label:"Populus",visualVariables:[{type:"size",125axis:"height",field:"Height",valueUnit:"meter"},{type:"size",130axis:"width",field:"Width_EW",valueUnit:"meter"},{type:"size",135axis:"depth",field:"Width_NS",valueUnit:"meter"}}]140});使用ESRI三维地形图服务：Varmap=newMap({basemap:"osm",145ground:"world-elevation",-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn});varview=newSceneView({container:"viewDiv",map:map,150heading:0,tilt:80}1.4传感器网络设计传统人工采集数据方法虽然数据准确，但是需要大量人力、效率不高并且无法实现实时155获取。无线传感器网络是基于微纳机电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入技术的一种分布式传感网络，其末梢是可以感知和检测外部世界的大量传感器，以自组织和多跳的无线方式构成无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信[5]息，并最终把这些信息以有线/无线方式发送给网络的所有者。本系统的设计采用ZigBee无线传感器网络实时获取树木信息。ZigBee是一种短距离、160低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线通信技术标准，是一个由可多达65000个网络节点组成的无线传输网络平台,每个网络节点间的距离可以从标准的75米,到扩展后的几[6]百米,甚至几公里，非常适合在林木管理工作中采集数据。ZigBee传感器网络由协调器、路由器和节点组成。协调器与服务器连接负责启动整个网络、接收传感器节点数据然后传输到服务器的工作，路由器负责传递数据流，节点负责采165集数据并经过路由器传输到协调器。ZigBee传感器网络的构网方式有星型、簇状和网状三种拓扑形式，各有特点。网状拓扑相比其他两个拓扑结构更加灵活、健壮性更强，效率更高，一个路由路径出现问题，信息可以自动寻找其他通信路径传递。所以本设计采用网状拓扑构建ZigBee传感器网络，将安装了多类传感器的节点布设在树木周围，传感器节点便可以实时获取数据传输到协调器，再由协调器发送至服务器。服务器协调器节点…n…节点…n…节点传感器1…n…传感器n传感器1…n…传感器n传感器1…n…传感器n170图3ZigBee无线传感器网络Fig.3ZigBeeSensorNetworkZigBee网络提供了数据传输功能，而不同类型的传感器是采集数据的基础。需要采集-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn的数据有土壤水分数据、土壤养分数据、声音数据、温度数据和气体颗粒物浓度数据。员玉175良、盛文溢和孙宇瑞研制的三深度土壤水分传感器可以同时测量三个不同深度的土壤含水量[7][8][9]。化学分析土壤养分传感器、分光光度计土壤养分传感器和离子敏传感器可以获取土壤养分信息。电化学式气体传感器根据被测的气体的电化学性质，把化学量转变为电学量以[10]进行检测，采用可控电位电解式气体传感器可以测出气体的浓度。杨永杰、张裕胜等人用激光源作为光源，具有内增益、灵敏度高的雪崩二极管作为接收管，经由调理电路处理后，[11]180完成对颗粒物检测传感器设计。声音传感器和温度传感器可以采集噪音和温度数据。将各种类型的传感器集成到网络节点，则可以实现获取数据的目的。1.5生态效益监测模块城市的兴起和发展在给人们带来舒适和便利生活的同时，也的确给人们的生存环境造成[12]了一些负面的影响，污染颗粒物、有害气体和“城市热岛”等生态问题日益突出。森林是城185市生态环境调节者，拥有吸收颗粒物、有害气体，有效抑制噪音传播和调节城市温度等重要的生态效益功能。系统对传感器获取的颗粒物浓度、氧气浓度、有害气体浓度、噪音强度和温度数据做空间插值，计算出树木对周边生态环境的影响强度和影响范围。空间插值是基于地理学第一定律的基础假设的空间运算方法，根据一定函数关系，由已知离散点的空间特征值推算在一定190范围内邻近点的特征值。各类气体和噪音是在一定范围内的空间上连续分布的数据，是非独立的，具有空间依赖性。据此特征，对已知传感器采样点的离散数据，进行空间插值运算，可以计算出相邻点气体浓度、噪音强度和温度数据。空间插值工具是利用ArcPy在服务器端建立的脚本工具。ArcPy是一个以arcgisscripting模块为基础并继承了arcgisscripting功能构建而成的站点包，提供了大量的函数、类和模块。195为以高效的方式通过Python执行地理数据分析、数据转换、数据管理和地图自动化提供了基础。本系统生态效益监测模块通过Python调用ArcPy中的各种函数、类和模块，以函数式编程方法在服务器端建立空间插值工具。从而实现响应用户请求，从数据库读取生态效益数据，调用服务器端空间插值脚本工具，对数据进行空间插值运算，计算树木对其周围一定范围内的生态效益强度和影响范围。2001.6二维码技术二维码主要是由几个图形通过一定规律进行组合而成的图形，可以在深度和广度两个方向上同时传递信息，具有传递信息多、表达范围广、容错能力强、制作方便、成本不高等优[13]点。用户可以方便的使用二维码扫描设备，读取内容。本研究为每颗树木制作二维码，在实际工作中，园林工作人员通过扫描设备可以获取树木生长信息。游客通过扫描二维码获205取树木简介，更深入的了解树木信息。二维码生成程序基于Google的开源项目ZXing编写。ZXing是用Java实现的多种格式[14]的1D/2D条码图像处理库，它包含了联系到其他语言的端口。依托.net平台利用ZXing编写生成二维码图形的应用程序，批量生成树木简介信息的二维码。对于园林工人需求的动态信息，首先编写读取数据库中树木生长信息的方法，其次在网页调用该方法，按一定规则210显示树木生长信息。最后通过二维码生成器生成包含URI信息的二维码。园林工人通过扫描设备，可以跳转到包含数据库最新信息的页面。-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2讨论林木资源不仅具有经济价值，更具有重要的生态价值。随着工业进程和城市化进程的不断加快，森林资源大量减少，科学管理林木资源是亟需解决的问题。本文设计的基于WEB215的三维树木监管系统可以实现如下功能：（1）实现了树木信息的三维显示，并可由树木健康状况或碳存储量等信息进行分级渲染，用户可以直观的感受树木生状况。（2）由ZigBee传感器网络收集数据，降低了人工收集数据成本，带来更高的精确度和实时性。220（3）系统设计了森林树木生态效益监测模块，对传感器收集的有害气体浓度、颗粒物浓度、温度和噪音信息进行空间插值运算，得到树木对周围一定范围内的生态效益强度。（4）二维码不仅可以为游客提供树木简介，而且为园林工人提供树木生长状况信息为科学培育提供依据。225系统仍然存在两点不足，一是ESRI模型库中树木的种类不够全面，当前ESRI仅提供了常见60多种树木的WebStyleSymbol符号。但随着技术的发展，不久将会实现用户可以发布自己的三维树木模型。另一方面的不足在于树木的渲染，ArcGISAPIforJavaScript通过树木三个轴的长度对模型进行渲染，但是实际生活中仅由三个轴线和树木种类对树木进行渲染只能描绘树木大体的外观，而达不到细致入微的效果。230融合了物联网技术、WEBGIS技术和GIS空间分析技术的三维树木监管系统是“智慧林业”背景下的产物，是“智慧林业”的一部分。但是，本系统还不能称之为真正的“智慧”管理系统。真正的智慧林业，可以在网络技术、物联网技术和外部设备的支持下，通过物联网传感器实时获取树木生长数据，并在计算机端实时监测树木生长状态，通过管理平台自动调用外部设备对树木进行针对性的精准的科学管理，如精准浇水、施肥和修剪。更深入的结合物235联网技术、GIS技术和林木培育设备，实现精准管理是本系统今后的发展方向。3结论本研究设计的三维树木监管系统以WEBGIS为基础，基于Laravel框架进行深度开发，搭建ZigBee传感器网络实时获取数据，使用ArcGISAPIforJavaScript创建树木三维图层，采用在服务器端用ArcPy编写的空间插值脚本工具实现生态效益监测功能，实现了对树木的240监管，为树木的科学管理提供了帮助。致谢感谢郑新奇教授在项目实践和文章撰写中的悉心指导，感谢项目成员王咏昕、周瑜琦等同学对文章提出的修改和补充建议。[参考文献](References)245[1]陈震.黑龙江省森工林区"智慧林业"框架应用技术研究[D].东北林业大学,2012.[2]李德仁,龚健雅,邵振峰.从数字地球到智慧地球[J].武汉大学学报(信息科学版),2010,(02):127-132+253-254.[3]http://arcgusserver.com/-8- 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