传感器技术在GIS系统中的应用情况分析

GIS系统与传感器技术的融合的产物是由莱斯驰所提出的实况地理学。实况地理学实现了地理环境数据的实时采集、处理、分析与应用，也是地理控制动态数据获取的重要手段。实况地理学与地理控制改变了许多传统地理学应用模式，将给GIS带来广泛的影响。

【关键词】传感器技术 GIS 应用 分析

在第三次科技革命中，计算机技术的跨越式进步也给GIS技术的广泛应用提供了技术支持。GIS技术是一个采集、存储、管理、分析、描述和应用整个或部分地球表面与空间地理分布有关的数据信息的计算机系统，这个系统是对之前的升级，其突出的表现是在于将硬件、软件、数据和用户四大要素进行了很好的融合。系统的建立是为获得地理空间数据，并且对数据进行编辑、管理、分析、统计和制图等等。

上世纪60年代，美国和加拿大首先研发GIS技术，其后大批国家步入到研发行列。时至今日，该技术已经应用到城市规划、市政管理、政府管理、资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理等与地理信息相关的几乎所有领域。并将为今后的社会进步和发展做出更大贡献。

1 GIS系统的构成及原理介绍

GIS技术由五个主要元素所组成：硬件、软件、数据、人员和方法（流程图见图1）。所谓硬件就是指该系统操作所使用的物理设备，设备主要包括计算机；所谓软件，首先要了解软件的作用，软件就是实现对采集的数据进行存储，并且能自动分析数据，最终通过分析达到显示地理信息的作用。了解其功能作用之后还需要对软件本身的构成有一个初步的概念，软件中主要的部分对收集信息进行处理的工具、数据库管理系统、为用户进行查询的工具；数据是整个系统最为重要的部分，是整个系统的灵魂和存在的最终价值；人员主要是指GIS系统的应用人员；方法也可以称为模型，在整个系统中起到骨架的作用，是指系统在系统运行过程中所使用的技术手段，解决方案。

GIS系统解释开来就是通过电脑对收集的数据进行储存并且处理的一种技术手段和工具。在利用计算机的前提下将得到的各种信息和参数按照一定的标准并以固定的格式进行数据的分析，处理。其最终是为需要它的人造福。信息在传送到用户面前的是图形和图片等直观具体的东西。也就是说数据的使用对用户来说并不是一件难事。

2 传感器技术的介绍

所谓传感器，是指能感觉规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常是由敏感元件和转换元件组成，敏感元件是指传感器中能直接感受或相应被测量（输入量）的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量转换成适于传输和测量的电信号的部分，见图2。

传感器的种类繁多，功能各异，有不同的分类。按照传感器所用的方向的不同，所谓的方向是诸如力学热量，磁等分为众多种类。这也从侧面说明了传感器在应用范围的广泛性。传感器发展至今已经经历了三代的演进。其中第一代的原理是通过结构参数的波动，通过传感器对波动的数值进行感应，并在感应后将其转化为信号。第一代的名字叫做结构型传感器；第二代传感器是70年代兴起的，由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成的固体传感器；发展到现在是第三代传感器，也称为智能传感器。

传感器技术在未来人类生活的四个方面起到巨大的推动作用：首先是工业制造业，传感器技术将改变之前工业革命期间给工作人员造成的恶劣环境，现代的传感器技术为人们在工业制造过程中及时获知信息、发现问题提供了更多的先决条件；其次是医学卫生领域，在传感器的帮助下，医生可以最为直观地观测到病人的真实情况；第三是安全防范领域，传感器的出现能最大限度的避免事故的发生，一旦发生异常情况，该系统可以向相关人员及时寻求救助；最后市可穿戴式运动设备，传感器可以矫正人们的运动姿势，并且能够捕捉运动中人体信息，为不同人群运动提供最适合自身的运动规律。

3 传感器技术在GIS系统中的应用情况分析

传感器技术在近些年迅速发展，其应用的领域也在不断扩大，科技人员充分发挥其在数据采集中的技术，开始在地理和环境数据采集、管理和分析中发挥重要作用。我们可以看到，传感器技术在GIS未来发展中所占有的重要地位。

传感器应用到GIS技术当中并不是在最近几年才开始流行的。早在上世纪末，美国的一家报纸上就刊登了一篇题为“地球将铺上一层电子皮肤”的文章。这篇文章的作者认为，在不久的将来，地球表面将会有一层“电子皮肤”。所谓的“电子皮肤”当然是虚指，其真正的含义是在地球表面通过电子测量装备嵌入到其中，将设备所获得的数据信息通过网络来感知。这种工作原理很大程度上类似于摄像机、心电图。这里所要检测的数据包括城市环境，大气层甚至于在马路上飞奔的汽车也在检测的行列里。这样的大规模数据收集和分析最终也是为解决复杂的计算问题。

目前，传感器技术已渗入到人们日常的生活之中，特别是物联网的兴起，将更加激发这一技术的发展，UN-GGIM估计，到2020年世界将有500亿个传感器联网应用。尼尔·葛洛斯的“地球电子皮肤”这一概念正在逐步变为现实。

2009 年，莱斯驰在其博士论文中就提出了实况地理学的概念。他和他的合作者认为传感器网络能够帮助GIS系统获取地理环境信息，并对信息进行分析处理。这种技术方式被他们称之为实况地理学。在此之后，虽然其概念使用频率并不甚高，但就其研究内容已经逐步形成了一套技术体系，并且在众多领域得到应有。随着研究的深入，费舍尔开始就实时地理学提出其含义：对当前人类活动以及所处的地理环境信息采集，将采集的数据与专业人员进行共享的过程。当前人们已经认识到传感器在GIS系统中的应用为其带来的显著技术进步。

城市环境监测就是实况地理学技术方法的应用范例，为进一步了解该技术，我们需要进一步认识检测的整个过程，简单来说就是通过传感器收集所需要的数据，再对数据进行进一步的处理，对其中的数据进行融合，建立一个数据模型，将检测的数据以图形图像等形式呈现在用户面前。这一工作的重点在于要将异质数据在服务器端进行集成；还有一点就是需要将获得的数据放在数据集成服务器上进一步处理，融合，然后才能进行下一步的数据分析，以便完成其服务功能，如图3。

通过上面的研究我们可以看到，所谓的实况地理学简单的理解来就是传感器技术在GIS中的应用。实况地理学就是通过传感器网络进行数据的收集、融合、处理、最终通过图形图像等形式将数据展现在人们面前的学科。当然实况地理学不仅仅是GIS技术与传感器技术的融合，这里涉及到多个技术门类。在实况地理学的整个技术过程中最重要的一步是对数据进行融合并进行实时分析。这一步是整个技术能够正常使用的关键所在，也是保证技术准确度的最重要环节。

传感器有两种英文表达方式，一种是Sensor Web ，另一种是Sensor Network。这两种表达我们从单词上就可以看到两者的不同。其区别在于第二个英文单词上，前一种英文表达主要落脚点在Web上，解释开来就是将通过传感器收集的数据实现共享。并且数据的取得如同诊断结果一般能够对传感器端点的状况进行反馈，通过反馈的信息来调整其他传感器端点的行为；而第二种英文表达是只有之前解释内容的前一部分功能，而缺乏另一部分反馈的功能。其实，Sensor Web发展到现在，功能不断强大，同时它是一个开放的体系结构，一切数据都建立在共享的基础上。

在整个传感器网络技术中，数据的标准与共享是其关键性的问题，因用处的差异导致传感器的种类繁多，诸如环境监测影像、航空影像、卫星影像、网络摄像等，在不同的种类传感器中彼此之间的标准不同就无法将彼此的监测数据做到共享，为此，开放地理空间信息联盟（OGC）提出了传感器使能（SWE -Sensor Web Enablement），并制定了一系列SWE 标准。SWE的出现对于科学研究、环境监测、交通管理等多个方面具有重大的现实意义。

实况地理学在很多方面发挥着重要的作用，比如在环境质量检测方面，在工业进程不断加快，环境日益恶化的今天或许该技术的功能更能引起人们的关注。在对环境数据采集分析使用的过程中，很重要的一步是要将传感器网络数据和GIS基础数据等异质或异构数据进行融合。在GIS系统与传感器技术结合技术在环境检测的理论研究中，我国众多科技人员提出了先进的理论，比如郭浩等人对空间位置和视频空间之间的关联，实现查询显示等功能；李德仁等提出的将可量测的地面实景影像与4D产品集成。

GIS系统的不断升级也为实况地理学的产生提高技术可能性。因为实况地理学对GIS系统的要求很高。在这样技术中要求数据的融合，并且进行动态模拟等等。实况地理学发展的前景广阔，在未来城市发展中有着举足轻重的地位，该技术有利于构建智慧城市建设和生态城市建设中发挥举足轻重的作用，直接能够改变人们的生活方式。因此该技术拥有巨大的市场需求，这也敦促该技术进一步发展。

4 结束语

随着时代的迅速发展和信息技术水平的不断提高，对GIS的改革和进展提出了更高的要求，起到了督促作用，传感器网络的发展也为传感器技术应用到GIS系统中提供了必要的技术准备。当代科学家将传感器网络与GIS的集成融合发展成为一门学科，并将其命名为实况地理学。这种技术不仅能够保证地理环境数据的实时采集，并能对数据自动进行处理和分析这也在很大程度上改变了传统地理学的应用模式。

事实上，现代的科学技术的分支彼此并不是互不相关的，众多成功的案例表明，两种技术的融合能够在很大程度上促进科技的发展，改变人们的认知，同时也通过科学技术改变着人们的生活方式。

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作者简介

熊昊然（1997-），男，湖北省宜昌市人。现为长沙理工大学大学本科在读学生。主要研究方向为电力系统及其自动化。

作者单位

长沙理工大学 湖南省长沙市 410076