基于物联网的古树名木管理系统研究开发

肖瑾瑜

(湘西自治州林业科学研究所， 湖南 吉首 416000)

基于物联网的古树名木管理系统研究开发

肖瑾瑜

(湘西自治州林业科学研究所， 湖南 吉首 416000)

立足古树名木保护的实际情况，研究设计基于物联网技术的古树名木管理系统。系统使用Microsoft Visual Stadio2012基于.Net Framwork4.5和面向领域的多层分布式架构进行开发。系统对古树名木基本信息进行管理，并充分利用传感技术，自动的、周期性收集树木的生理状况、生长环境以及其它相关数据；系统还提供GIS、灾害预警、统计分析和基础信息管理功能，实现古树名木保护的自动化、实时化与智慧化。

古树名木； 物联网； 传感器； 管理系统

古树名木一般系指在人类历史过程中保存下来的年代久远或具有重要科研、历史、文化价值的树木[1]。古树名木不仅经历了漫长的环境变迁，也见证了悠久的历史。它们对研究生物资源、植物分布、环境变迁、物种遗传特性和历史文化遗产具有重要的科学价值，对发展旅游业也具有重要的意义。古树名木由于树龄高，自身衰老，生理机能下降，生命力减弱，加上环境污染，生长条件日趋恶化，古树名木的衰亡及损毁事件常有发生[2]，因此，加强对古树名木的保护具有重要的意义。2013年8月国家林业局印发了《中国智慧林业发展指导意见》，明确提出充分利用云计算、物联网、大数据、移动互联网等新一代信息技术，通过感知化、物联化、智能化的手段，形成林业立体感知、管理协同高效、生态价值凸显、服务内外一体的林业发展新模式。物联网就是“物物相连的互联网”[3]，通过智能感知、识别技术等的融合应用，实现物理世界与信息世界的无缝连接[4]。充分利用物联网技术，可以使古树名木保护更加有效，更加智慧。

1 系统建设目标及物理架构设计

1.1系统建设目标

古树名木管理系统主要利用物联网技术，以人工为辅助手段充分收集古树名木的相关信息，包括树木生理状况，以及可能对树木产生影响的相关因素，准确的反映树木的生长状态、生理变化，使古树名木的保护实现自动化、数字化、实时化，且使古树名木保护实现智慧的流程、智慧的感知、智慧的管理、智慧的应用、智慧的服务。

1.2系统物理架构

系统在数据中心设置数据库服务器用于保存树木的各种关系型信息，GIS服务器保存地理信息，文件服务器用于保存图片、视频以及相关资料文件。Web服务器提供给用户通过浏览器访问系统信息的服务，应用服务器提供用户通过各种客户端(如常规WinFrom客户端，智能终端的App客户端等)访问系统的服务，以及各种传感器或汇聚服务器上传数据的接口服务。两种服务器透过防火墙向Internet发布服务。应用服务器从外部服务收集信息(比如气象信息，地质灾害预报信息等)并及时发布，应用服务器还可将信息主动推送组用户，例如将气象信息、灾害预报信息以及树木监控警告通过手机短信发给相关人员，以便提前做好应对措施。汇聚服务器接收各种传感器[5]收集的数据，并进行初步整理分析，根据实际情况选择不同方式(即时、定时上传)将数据上传至数据中心，同时也就近监控树木各种情况。系统物理架构设置如图1所示。

图1 古树名木管理系统物理框架Fig.1 The physical frame of the ancient and famous tree management system

2 功能设置

系统设计以每木为核心，以每株古树名木从认定、养护到死亡的整个生命周期为主线，沿此主线系统通过物联网技术或人工收集树木在各个阶段产生的以及相关的(如生长环境，生长情况等)各种数据，并将数据进行整合加以统计分析。将结果以不同形式进行反馈，对异常情况及时进行报警。

2.1古树名木基本信息管理

古树名木基本信息管理包括每木基本信息管理和古树群基本信息管理。基本信息以《全国古树名木普查建档技术规定》为蓝本，同时根据科研及管理需要进行适当调整。每木信息管理记录每株古树名木在发现登记时的基本信息，如树名、树种、树龄、科、属、经度、纬度、所在省、市县、乡及具体位置、坡向、坡位、坡度、土壤类型、土壤紧密度、权属关系、特殊状况、管护责任人(单位)以及相关传说记载等，同时将鉴定记录、相片等相关文件以附件的形式保存其电子版本。记录列表如图2所示，每木详细信息如图3所示。树群信息管理则记录树群的地理坐标范围、主要树种、目的保护树种、株数、平均树龄、平均高度、平均胸径、面积、密度、坡向、土壤类型以及紧密度等信息。

为树木记录基本信息即标志着此树木(群)在系统中生命周期的开始，系统将为树木分配唯一编码，编码与主要信息一起生成二维码，也可使用RFID[6]标签，此二维码[7]或标签作为树木(群)的身份证，直到树木死亡或迁出管辖范围。把二维码或标签粘贴在树上，巡查或养护时使用手持设备扫描即可获取相关信息。例如，将内容“树名：车塔村川黔紫薇；树龄：300(2013年估)；树种：川黔紫薇(Lagerstroemia excelsa (Dode) Chun)；分类：千屈菜科，紫薇属；坐标：29.3527,109.7602”生成二维码。

2008 年底 IBM 首次提出“智慧地球”理念以来，物联网技术迅猛发展，成为改变世界的新力量。作为物联网基础的各种传感器能够自动、快速、准确收集数据。将土壤墒情传感器分布于树木根部土壤下10cm、30cm、50cm。在干旱季节较高频次、多雨季节则低频次收集土壤含水量以及土壤温度数据，土壤含水量过低时系统进行报警，并可通过远程控制自动浇灌设备进行灌溉[8]；将温度、湿度、风速传感器布置于树木周围，以收集树木周围温度、湿度、风力、风向等气象数据，为防寒抗旱以及防止大风对树木造成破坏及时提供信息；茎流传感器[9]收集树木茎流量，与叶温传感器、总辐射传感器、光合有效辐射传感器[10]、叶面湿度传感器、树干直径传感器一起对树木生理数据进行收集；GPS则用来定位树木的地理坐标，防止树木被非正常移动或者被盗伐的可能。根据需要还可以利用传感器监测土壤肥力[11]、紧密度等。通过传感器周期性收集的数据作为树木体征数据保存于数据库并可按时间来进行查询，这些数据也将为林业科研提供强大的支撑。

图2 每木信息管理记录列表Fig.2 List of the basic information of ancient and famous tree

图3 每木详细信息Fig.3 The detailed information of a tree

为弥补传感器的不足，每隔一段时间还需人工收集树木巡查信息。巡查信息记录着树木(群)的生长势、树高、胸径、冠幅、立地条件、土壤以及现况。在录入基本信息或巡查信息时都可将相片以及其它资料作为附件上传保存。人工录入的信息必须经过审核方可生效，以保证数据的准确性。

系统综合分析收集的数据，与所设置的阈值进行比较，如果发现异常，系统将报警提示。

2.2GIS

GIS是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统，是分析、处理大量地理数据的通用技术系统。古树名木管理系统主要用GIS技术建立环境信息和地理信息模型，实现地点、地理坐标的定位与查询、地图缩放移动控制等。根据古树名木的地理坐标在地图上进行标注，选择标注点时可展现其基本信息以及传感器的实时信息，同时可进行多种查询[12]。对于缺少GIS信息的地区系统可以利用网络的Bing地图或Google地图数据。GIS界面图如图4所示。

图4 GIS界面图Fig.4 The GIS user interface

2.3灾害预警

系统通过设置在周围的气象类传感器收集到气象信息，或者通过接口直接从外部服务器获取，比如可以使用Web Service通过地址http://www.weather.com.cn/data/sk/[城市代码].html可获取中国气象局发布的气象预报信息。收集到相关数据后经过分析综合，对可能发生的灾害进行预警，并将信息及时传送给古树名木管护人，促使其做好应对措施。

2.4统计分析

系统中保存各种基础数据后，可以充分发挥计算机的统计分析功能，从多个维度对数据进行分析，结合多种图表，将结果以生动直观的形式展示出来，为科研、决策提供充分有力的数据支撑。

多样性统计可以分地区显示古树名木的树种、数量、平均树龄、保护级别以及生境等信息。通过对树木生理数据的分析，可以确定树木的健康状况走势，为制定养护计划提供依据。基于对树木长期收集的数据，可以研究引发树木衰弱的因素，为复壮提供理论支持。对比历年环境以及树木的生理数据，可以用于研究环境对树木生长的影响。

系统还可根据研究的需要进行扩展，增加相应传感器等设备来获取研究所需数据。

2.5基础信息管理

对于基础性数据，如树种分类、行政单位等用字典进行统一管理，这样不仅可以方便输入也可保证数据准确和一致。树种分类以全国树种分类表为基础，筛选常用古树名木树种，在系统中录入基本信息，包括所属科、属，学名，拉丁名，基本特征等。在使用时只需选择对应的树种，相关信息可自动显示。此类信息也可供平时查阅。行政区域以全国行政单位表为基础，根据管理范围进行适当调整增补，在使用时只需进行选择即可。

2.6安全管理

必须有安全管理机制保证系统数据的科学性和严谨性，让用户只可以在指定的范围内上传修改和使用数据。在本系统中将权限分为管理、查询、录入、修改、删除、审核、发布、统计等。并将以上权限与各行政区域、系统模块以及用户身份关联形成系统使用安全规则。比如将录入权限与基本信息

模块、吉首市以及用户User08关联，使用户User08具有在基本信息模块中录入吉首市古树名木信息的权限，但不能录入古丈县古树名木信息。

3 系统实现

系统使用Microsoft Visual Stadio2012基于.Net Framwork4.5进行开发，选用面向领域的多层分布式架构。此架构的组件之间、层与层之间低耦合的结构，使得在每次出现业务逻辑变更的时候，可以将领域模型隔离出来进行调整和测试，而不需要更改应用程序的其它部分[13]。在领域模型层把现实中的对象抽象为系统中的实体，该层同时展现业务或领域逻辑、业务处理状态以及实现业务规则等。实体数据通过数据持久化层保存于数据库中。数据持久化选用Entity Framework[14]，不仅可支持多种数据库还能简化开发难度。为了实现Winform客户端、智能终端App客户端的远程访问，将业务逻辑通过Web API进行发布。同时也使用Asp.Net开发Web客户端，使用户可以通过浏览器直接访问。系统逻辑框架如图5所示。

图5 系统逻辑框架Fig.5 The logic framework of system

4 结语

古树名木的特殊性决定其地理位置比较分散、树龄长，但是其具有历史、科学和文化研究的价值也比较高[15]，需要经常养护管理，这是十分繁琐艰巨的工作，需要大量人力、物力和财力。利用VS2012开发平台，结合物联网和GIS的技术开发古树名木管理系统，实现对古树名木的自动、实时管理，不仅可节省成本，也可减少人为失误对古树名木的损害，更加有效地对古树名木进行保护。

[1] 全国绿化委员会.全国古树名木普查建档技术规定[EB/OL].(2013-06-18)http://news.163.com/13/0618/16/91LR3MT200014JB6.html.

[2] 王楚荣.新技术在古树名木保护上的应用[J].中国新技术新产品,2010(20)：266.

[3] 百度百科.物联网[EB/OL]. http://baike.baidu.com/view/1136308.htm.

[4] 国家林业局.中国智慧林业发展指导意见[EB/OL]. (2013-08-21)http://wenku.baidu.com/view/1f9f2dfdd15 abe23482 f4d 40.html.

[5] 维基百科.传感器[EB/OL]. http://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8.

[6] 维基百科.射频识别[EB/OL]. http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B0%84%E9%A2%91%E8%AF%86%E5%88%AB.

[7] 维基百科.二维条码[EB/OL] . http://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E4%BA%8C%E7%B6%AD%E6%A2%9D%E7%A2%BC.

[8] Wei Yichang, Wang Zhenying, Wang Tongchao, et al. Design of real time soil moisture monitoring and precision irrigation systems[J]. 农业工程学报,2013,29(17):80-85.

[9] 余成波,刘彦飞.无线茎流传感器的研究[J].传感技术学报,2009,22(9):1227-1231.

[10] 张杰,熊显名,张馨,等.光合有效辐射传感器及其调理电路设计[J].自动化与仪表,2012(6):16-19.

[11] 赵玉成,谷小青,顿文涛,等.无线传感器网络在土壤肥力监测中的应用[J].现代农业科技,2013(9):242-243.

[12] 刘光,唐大仕.Web GIS开发——ArcGIS Server与.NET[M]. 北京：清华大学出版社,2009.

[13] Eric Evans.领域驱动设计[M]. 北京：清华大学出版社,2006.

[14] Julia Lerman, Rowan Miller. Programming Entity Framework [M]. USA: O’Reilly Media, Inc, 2012.

[15] 葛汉栋.湖南古树资源概况及保护对策[J]. 湖南林业科技, 2003,30(2):2.

(文字编校：张 珉)

Researchanddevelopmentofancientandfamoustreemanagementsystembaseoninternetofthings

XIAO Jinyu

(Forestry Institute of Xiangxi Autonomous Region, Jishou 416000, China)

In view of the actual situation of ancient and famous tree protection, the management system of ancient and famous tree was researched based on internet of things. The system was constructed using Microsoft Visual Stadio 2012 based on .Net Framwork4.5 and Distributed DDD. The system managed the basic information of ancient and famous tree, and using sensor technology, it automatically and periodically collected the data of the tree, including physiological status, environmental factor and other related data. The system also achieved functions such as GIS, early-warning, analysis of data and maintenance of basic information, to automatically, real-time, intelligent protect the ancient and famous tree.

ancient and famous trees; internet of things; sensor; management system

2013-11-01

肖瑾瑜(1976-)，男，湖南省吉首市人，助理工程师，主要从事林业信息化研究。

TP 391.44; S 788

A

1003 — 5710(2014)01 — 0102 — 05

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2014. 01. 020