WebGIS 与WSN 的林区火险监测系统设计*

吴 楠

(陕西学前师范学院 计算机科学与技术系，陕西 西安710100)

0 引 言

森林火灾是突发性强、危害较大的一种灾害，常给森林资源造成巨大的损失。据统计，全球每年遭受的森林火灾多达几十万起，受灾面积几百万公顷，约占地球森林总面积的0.1%. 据相关部门统计，在中国1950—1977 年共发生大小森林火灾67 万次，平均每年发生高达1.43 万次，受害森林面积82.2 万公顷［1］。森林火灾一旦发生，就会毁灭大量的林木，同时还会对当地生态环境造成巨大的危害。由于一般性森林面积都较大，树木容易燃烧，火灾发生时都难以控制和扑灭，如何对林火的发生进行预报和预测，就成为迫切需要解决的一个重要课题。当前中国各级气象部门发布的森林火险天气预报和一些地区发布的森林火险预报的空间位置较粗略、时效性较差，不能满足各级森林防火工作的实际需求［2］。随着地理信息系统(GIS)技术的发展，其在森林防火中的应用已崭露头角，GIS 采用了面向对象服务的设计思想，实现了面向空间实体及其关系的组织、高效海量空间数据的存储与索引、三维实体建模和分析。

万维网地理信息系统(WebGIS)是Web 技术和GIS 技术相结合的产物，是基于“客户机/服务器”体系结构的分布式GIS 系统［3］，它使得GIS 的空间数据集成、查询、分析和发布等功能能够在互联网上进行，能够在互联网上的任意一个节点浏览WebGIS 站点中的空间数据，制作专题图以及进行各种空间检索和分析。

无线传感器网络(WSN)，是近年来随着无线通信技术、传感器技术以及微机电技术的发展和相互融合而产生的一种自组织网络，它是由部署在所监测区域内的大量微型传感器节点组成［4］，该网络中的每个节点通过无线通信的方式，形成一种多跳自组织系统，其最终目标是协作地感知、收集和处理所覆盖区域中监测对象的信息，比如经常使用的温度、湿度、噪音、光强、有害气体浓度等数据信息，并以无线射频的方式发送出去。

笔者将WebGIS 与WSN 有机的结合在一起，在林区范围内布置大量的传感器节点，将采集到的实时数据传送给网络信息系统平台，并以电子地图的形式展示给用户，以实现对重点林区的全天候不间断的实时监测。

1 ARCGIS SERVER 系统

1.1 ARCGIS SERVER 概述

ArcGIS Server 是一个建立企业级GIS 应用程序的平台，它实行集中化的管理，支持多用户，包括高级的GIS 功能，使用工业标准创建，相较于其他服务器技术，它不仅实现了GIS 资源共享，而且提供资源内含GIS 功能的访问。开发者基于Arc-GIS Server 可以构架Web 应用、Web 服务以及其他运行在标准的.NET 和J2EE Web 服务器上的企业级应用［5-11］。ArcGIS Server 以集中服务器应用方式管理了复杂的GIS 功能，如地图、定位以及软件对象［12］，它可以宏观的看作三大部分:一部分是GIS Server，GIS 服务所需的服务器软件产品都由它提供，其中包括管理和发布地图服务，以及定位服务等;另一部分是ADF(Application Developer Framework，应用程序开发框架)［13］，它是用来开发和部署基于GIS Server 架构的网络应用程序产品，其中包括组件对象、Web 控件、Web 模板和开发帮助等;另外它还有一个Web 程序的公共运行时，专门用于发布和部署使用ADF 开发的Web 程序。

1.2 ArcGIS Server 运行机制

ArcGIS Server 是一个包含多个部件的分布式系统，可同时分配至多台计算机中。在对象管理、负载平衡等过程中ArcGIS Server 的各个部件分别发挥一定的作用［14］。它由以下4 大部分组成

1)GIS 服务器:装载并运行服务器对象。GIS服务器包含一个对象管理器(SOM)、一个或多个对象容器(SOC)。

2)Web 服务器:装载Web 应用以及Web 服务。

3)Web 浏览器:可以看作客户端，使用者能够连接运行于Web 服务器上的Web 应用。

4)桌面应用程序:通过HTTP 协议连接运行在Web 服务器中的ArcGIS Web 服务。

2 无线传感器网络

无线传感器网络由ZigBee 节点、Sink 网关、远程GPRS 数据传输以及数据监控中心4 部分构成。

2.1 ZigBee 节点

Zigbee(全新无线网络数据通信)技术是随着工业自动化对于无线通信和数据传输的需求而产生的，经过人们长期努力，Zigbee 协议在2004 年正式问世，它是一个由65 000 多个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台。Zigbee 网络主要是为自动化控制数据传输而建立，每个Zigbee 网络节点不仅本身可以与监控对象相关联，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据信息［5］;每个Zigbee 网络节点可以支持多至31 个传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备可以有8 种不同的接口方式。可以同时采集和传输数字量及模拟量。

图1 Sink 节点硬件组成Fig.1 The form of sink node hardware

ZigBee 节点的主要功能是负责收集、处理和压缩数据，同时还可以中转其它节点收集到的数据包，并将数据包发送出去。它是由数据采集单元(传感器)、数控单元(微处理器、存储器)、无线通信单元(无线收发器)和供电单元(电池)4 大部分组成［6］。ZigBee 节点具有以下优缺点，如价格低廉、安装简易、工作可靠，可布置节点密度高等优点，但节点的计算和存储能力有限、电量有限、节点间的通信单跳距离通常只有几十到几百米等不足之处。

2.2 Sink 网关

Sink 网关是无线网络中常用的一种网关，它的主要作用是汇聚前端ZigBee 节点数据、协议转换以及远程数据传输。Sink 网关硬件组成如图1所示，它以高性能嵌入式ARM-PXA270 520MHx 芯片为核心，内置WinCE/Linux 系统，同时该网关带有良好的可视化图形界面，以及丰富的GPRS 和CDMA 等远距离无线数传设备接口资源。本设计选用了某公司开发的高性能嵌入式硬件平台——270 S，作为林区火险监测系统中的Sink 网关。

2.3 远程数据传输

GPRS/CDMA 是基于GSM/CDMA 移动网络的数据传输服务，其具有低成本、高效率的特点［7］。监测区域的网关节点将所采集到的ZigBee 节点信息，通过RS-232 标准串口，以数据包的形式发送给前端数传设备DTU(Data Transmit Unit)。前端数传设备接收到数据包后，在不改变数据包任何封装形式的前提下，通过基站网络实时发送到客户端数传设备。数据中心的服务器通过上位机软件对接收到的数据包进行解包［5］，同时将ZigBee节点的监测信息分类存储在数据库中，比如:节点类型、包头信息、数据包字节数、跳数、传感器数据等。

2.4 数据监控中心

数据监控中心的服务器是通过Microsoft SQL Server 2005 与ArcGIS Server［15］搭建的，在对数据进行存储的同时，还可以对用户提供基于以太网的访问，达到林区火险监测系统的应用要求，具体内容将在下节叙述。

3 系统设计

本系统设计分为硬件平台和软件平台2 部分。

3.1 硬件平台

系统硬件平台结构如图2 所示。Zigbee 无线传感器网络终端节点分为Zigbee 监测节点和Sink网关节点两个部分。网关节点将采集的数据打包处理后，通过RS-232 接入GPRS 通信模块。经过UDP/IP、PPP 协议封装后发送至GPRS 网络，通过GPRS 数据网络将数据传输到监控中心，由监测中心的计算机接收并进行数据处理。

在该硬件平台上开发设计了林区火险监测系统实时发布子模块，本系统空间数据统一存储在Geodatabase 中，实时火险数据信息统一存储在Oracle中，数据监控中心通过安装ArcGIS Server ADF 运行时来部署网络应用程序，实现系统的各种功能。

图2 系统硬件平台结构Fig.2 The platform structure of hardware system

3.2 软件平台

本系统软件分成2 个部分:终端软件和监测中心软件。

终端软件主要功能是监视无线传感器网络的运行状态并上传数据，运用的系统是linux 操作系统，它具有可高度灵活定制的内核，其主要任务是用来定时读取采集数据、经GPRS 发送数据、接收并执行来自远端PC 的命令。

监测中心软件的主要功能是负责数据接收、存储、查询、呈现等，其采用的是面向对象理念和模块化的设计方法，并根据不同的需求将相应的功能都封装成互相独立的模块，下文重点介绍监测中心Web 地图服务实现及其主要的功能。

Web 地图服务的实现过程就是将大家熟知的GIS 功能作为一个Web 服务来提供给外界，这样才能允许通过网络访问地图里提供给用户的那些显示、漫游和缩放等功能［11］。Web 地图服务是以最新的B/S 模式作为基础［16］，将C/S 模式里的服务器分解，分解后有一个数据服务器和一个或是多个应用服务器，从而构成了一个3 层结构体系，3层结构Web 地图服务系统结构如图3 所示。

图3 3 层结构Web 地图服务系统结构示意图Fig.3 Diagram of three layer structure of Web map service system structure

第一层:客户层(客户端)，包括客户端浏览器，该浏览器将HTML 代码转换为图文并茂的网页，从而提供一定的交互能力。客户端通过局域网，经身份认证后登陆该系统。允许用户输入处理要求，提交给第二层应用服务器。

第二层:应用层(应用服务器)，包括Web 服务器、数据库服务器和GIS 服务器。当客户层提出请求之后，应用层，也就是应用服务器将启动相应的进程响应，之后会生成一串动态HTML 代码。

本系统Web 应用服务器采用Weblogic 10.3，Web 层的主要功能是视图功能，它主要通过JSP 动态页面实现。其中GIS 功能里的控件就是通过调用ArcGIS Server Web 应用开发框架(ADF)预先制定好的的Web 控件来实现。Web 控件主要包括有

1)地图控件(Map Control)，它实现的功能是电子地图的放大、缩小和漫游等;

2)工具栏控件(Toolbar Control)，它实现的功能是加载工具控件与实现工具，也能加入自定义工具。

Web 页面上的非GIS 标准功能组件，是采用JSF 提供的HTML 标签和核心标记库来实现输入、输出框等。

第三层:数据层(数据库)，包括属性数据库、空间数据库和业务数据库。数据层负责数据的存储、响应和更新处理。系统通过ArcGIS SDE 9.3将空间数据导入到Oracle 10G 中［17］，其中对空间数据的管理则是由ArcGIS SDE 9.3 和Oracle10 G共同实现，数据的存取是通过服务对象的调用实现的。当客户端发生请求时，Web 层采用控制器将空间业务逻辑进行分离，通过proxy object(代理对象)访问GIS 服务器上的服务对象(Server Object)［18］。数据服务器是在客户请求后独立进行处理，再将数据库结果反馈到应用服务器上，最后传回到客户端，从而完成了整个请求和应答过程。

3.3 系统主要功能

该林区火险监测系统拟以基础地理数据、监控设备运行状态数据、火险探测采集数据为基础，采用直观高效地方式展示监测设备的运行状态、火险监测数据，以电子地图的形式综合显示林区火险情况及报警信息等。林区火险检测系统主要功能描述见表1.

表1 林区火险检测系统主要功能描述Tab.1 Description of main function in forest fire detection system

4 结 论

在森林火灾频发的今天，加之险情一旦发生就很难控制，如何对林火的发生进行预报和监测，已成为目前迫切需要解决的一个重要课题，在介绍ArcGIS Server 和无线传感器网络技术基础上，突破了大量技术难点，旨在将基于WebGIS 开发的软件信息平台与基于WSN 的林区火险监测硬件环境进行融合设计与实现，通过实验样机的反复测试和试运行，最终取得了良好的模拟预警效果。测试结果表明，该系统具有对重点林区的火险情况进行实时监测和火险预警功能，可以为相关职能部门提供决策支持和信息发布服务，具有较好的应用前景。

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