基于物联网与GIS的智慧园林系统设计与实现

王发亮 林 康

(山东科技大学 测绘科学与工程学院， 山东 青岛 266590)

0 引言

智慧城市建设在国内的推进历经了起步期、探索试点期、成熟规范期、目前已迈入一个全新的蓬勃发展期[1]，智慧园林作为其中一部分，在生产生活中正在发挥越来越大的作用。在国家宏观大背景下，绿色是衡量一个城市自然宜居程度的基础指标,也是一个城市的发展理念，园林绿地面积是一个城市生态环境的体现。智慧园林建设作为智慧城市的重要组成部分，在城市面貌等方面发挥着重要的作用，园林建设管理和人民的生活息息相关，园林绿地是城市重要的基础设施之一，城市园林绿化建管工作随着城市建设的日益加速，已经从“增量建设”到“存量建设”转变[2]。

快速的城市化进程促进了园林建设的发展，随着城市规模扩大、人民群众对生活环境要求增高，一些园林管理问题开始凸显，具体表现为：(1)园林管理数据信息多，测量手法多样，无法实时在线监测；问题处理需要多部门、跨专业人士配合与协调；(3)园林工作与环境、气象等多方面信息相关，分析工作繁重等。这对于还停留在人工管理模式的园林管理提出了更高的要求。

物联网是一个动态的全球网络基础设施，在互联网的基础上，利用传感器及无线通信、智能识别等技术实现信息互联共享[3]。应用于智慧园林管理系统的物联网技术主要有中间件技术、数据传输与识别、Web服务与数据可视化分析技术。地理信息系统(Geographic Information System，GIS)可以对园林树木进行精确的定位，属性查询与处理。对传感器监测到的虫情数据、气象站数据等进行空间分析与统计，提供园林管理者决裁参考[4]。

为实现城镇园林智能化管理，本文提出了结合物联网与GIS技术构建智慧园林的方法，实现了园林管理的动态监测、时空数据分析、查询统计、信息聚合展示。建立了较为完备的监测管理与实时动态分析系统。

1 需求分析

智慧园林是集物联网[5]、互联网和GIS技术为一体，依托部署在城市园林中有线、无线通信网络实现园林管理的科学化、智能化管理的园林管理系统，为园林管理提供精细化培育、可视化管理、智能化决策等方面技术支持。

1.1 变传统人工管理为数字化管理

传统的城市绿地信息资料都是以纸质形式保存和人工统计，在城市不断发展建设过程中，会形成大量的文献资料，翻阅及统计较为烦琐，耗时费力。系统的建成为城市绿地规划、建设、管理提供快捷、翔实、准确的信息。该信息库应该是一个动态的信息库，而不是一成不变的，这就要求城市绿化工作人员要不断地对信息库的数据进行更新，才能确保信息库数据的准确性。通过一系列的动态信息传递，建立完整的、系统的园林信息化监管体系。

1.2 变传统管养为科学管养

以往园林绿化设施维修缺乏预见性，或是等资金到位，或是等设施损坏再修，这种养护方式不利于园林绿化的养护。系统建成后园林管理处通过综合分析各古树古木，绿地等的相关数据，合理安排养护计划，实现了运行效能提高与维护费用降低的双赢，实现园林设施的科学管养。

1.3 变传统型管理为精细化管理

传统园林绿化管理过多依赖人工操作，凭经验办事。系统建成后对原有的管理模式，管理流程和方法手段进行整合创新，通过对园林绿化数字化信息库、园林绿化信息化监管体系的合理利用，使管理逐步由粗放转为精细，缩短数据更新周期，实现一体化、全过程的信息化管理。提高园林绿化的综合管理能力，发挥整体优势。

2 系统设计

2.1 总体框架设计

智慧园林系统为数据为中心，以统一网络通信平台、应用集成平台、地理信息系统GIS平台为重点，以安全保证体系、基础数据库、数据仓库以及相关的标准规范为支撑，为建设城镇园林智慧化管理的数据采集和处理体系、生态保护体系、管理与服务体系三大管理体系提供总体规划设计思路(见图1)。

根据智慧园林职能划分的不同，将物联网与GIS的理论和原理融入平台设计之中。依据物联网的理论和原理，按照物联网采集数据的传输与利用，智慧园林系统在设计时的软硬件集成架构主要由感知层、传输层、数据层和应用层组成[6]。

感知层的传感器监测设备包括病虫监测设备、气象监测设备等主要负责监测数据，网络传输层进行数据传输，处理/数据层负责存储分析数据，并且提供数据服务，通过软硬件支持的环境将应用层的功能展示给系统用户。应用层展示系统的核心功能，主要包括信息聚合、统计报表、数据推送、动态监测、时空分析、多维分析、用户管理等板块。

2.2 感知层

前端感知层由基本的感应器件以及感应器组成的网络两大部分组成。主要负责数据的采集工作，是构成整个物联网网络的末梢节点。主要包括园林土壤监测设备、气象站、虫情测报灯以及视频监控设备等，对园林内部的名树古木生长状况、病虫害数量、天气温度、湿度、降雨量进行检测。

图1 总体框架图

2.3 数据传输层

数据传输层是整个物联网网络的末梢网络和承载网络，通过感知网和广域网等网络传输手段，实现传感器数据的汇集、传输以及数据交互。物联网感知设备通过集中控制器，统一经过通信基站接入互联网、物联网(Internt of Things, IoT)以及通讯网。利用消息队列传输(Message Queuing Telemetry Transport，MQTT)协议、socket等将物联网采集数据，根据行业应用接入到物联网采集数据库，同时可以根据基础配置信息，将物联网采集数据实时推送到各应用系统。

智慧园林数据传输需要进行文本信息对接与图片信息对接。虫情测报设备以及气象站设备进行数据传输时，基于MQTT协议编写MQTT消息服务器与客户端，发布和订阅传感器上传的数据主题，将数据存入MongoDB数据库。

2.4 数据库系统

系统数据库分为空间数据库和属性数据库。属性数据库包括害虫图像数据库、害虫情况数据库、气象站数据库等，通过传感器获得的物联网属性数据由MQTT协议订阅存储在非关系数据库MongoDB中。空间数据库包括名树古木矢量库，测报点位置信息库。GIS空间数据以数据服务的方式发布，属性数据以Oracle数据库格式存在于空间数据库中，为提高地图访问效率，其中部分GIS数据及图像数据需要进行切片处理。具体如图2所示。

2.5 系统应用层

系统应用层是整套系统的核心功能，也是系统提现价值所在的地方。智慧园林系统的应用层软件架构采用.NET架构进行设计开发，充分发挥.NET架构所带来的组件化优势。底层GIS平台采用ArcGIS平台，开发库采用ArcGIS API for JavaScript。使用浏览器进行访问，主要包括信息聚合、时空分析、多维分析、数据推送、动态监测五个模块。

用户可以通过前端访问浏览器，对城市园林古树名木数据等园林绿化资源数据进行展示、查询和统计，在一张图[7]上分层次、分类别地宏观上展示和分析管理城市园林绿化情况。查询当前实时虫害，将虫害信息以折线图的方式进行展示，并以专题图的形式展示虫害情况，展示实时气象信息，预测未来可能发生虫害的地点以及发展趋势。采用ArcGIS JS开发常用的地图功能组件如放大、缩小、漫游等功能[8]。

3系统功能

智慧园林管理系统共分为信息聚合、时空分析、多维分析、数据推送、用户管理等模块，如图3所示，下面对每个模块的功能进行详细的说明[9]。

3.1 信息聚合模块

古树名木模块实现对古树名木的空间地理分布的展示以及动态管理，方便用户在古树名木电子地图上进行现状数据的查询，可以对长汀县名树古木进行定位，查看树木的种类与数量。用户可以通过放大、缩小、漫游等操作等基本操作对城市园林数据及古树名木进行浏览，查看树木的编号，名称，树龄，科目及分布状态。

图2 数据库E-R图

图3 系统功能图

气象监测模块可以实时监测风速、风向、雨量、累计雨量、PM值、大气温度、大气湿度、土壤温度、土壤湿度、大气压力、光照辐射等环境信息以及历史环境信息。对环境信息实时监测以及展示选定时间段内的环境信息，以表格的形式展示，为管理者提供数据支持[10]。

利用虫情测报灯设备，在系统中实现害虫的统计，以表格的形式显示历史数据，以二维折线图的形式展示虫害防治的实时状态，并且可以直接看到虫情测报灯的状态。

3.2 时空分析模块

时空分析支持对宏观区域中大范围变化情况，进行时间轴跟踪对比，可选择历史数据进行图层叠加，从不同维度对重要管理指标进行分析统计。具体功能包括历史数据叠加功能、数据时空变化对比等，可直观、快速对比分析出园林资源随着时间序列的变化及趋势。

基于害虫情况数据库，以柱状图，饼状图的形式展示虫害信息，如出现的种类、数目、频率等。以固定天数作为对比，生成反映不同园林害虫时间变化的柱状图、饼状图等[11]。

3.3 多维分析模块

根据需要实现数据统计、统计图定义等，对园林业务数据进行分析，抽取其中的维度、指标，可以通过拖动维度指标来查看自己想要查看的信息。根据园林业务数据的维度层次，向下逐层细化，对业务数据查询统计结果进行分析。例如用户可以统计选定时间段选定位置的害虫数量，以折线图的形式进行展示。同时以饼状图的形式展示选定时间段选定地点的害虫数量，并且展示不同种类害虫数量。

3.4 数据推送与用户管理模块

系统可以实现光控、雨控、温控、落虫、加热、仓门开启、信号强度等硬件设备的实时的工作情况；实时空气温度、湿度、加热仓温度、雨控、温控、光控的状态；害虫诱捕的数量、种类实现实时推送。

系统用户权限分为系统管理员、普通管理员与普通用户。系统管理员负责维护数据库，增删修改普通管理员账号与普通用户账号，优化系统，定期对害虫情况、气象数据进行转储，提高系统响应速度。普通管理员可以远程访问系统，根据数据库信息，来对模型进行修正。普通用户可以通过Web端来使用系统功能，改善对园林绿地的监测， 提升对园林绿地的管理水平，实现智慧化管理[12]。

4 系统特色

本系统特色反映在以下三个方面：

(1)系统的开发结合地理信息技术与物联网技术，采用浏览器/服务器模式(Browser/Server,B/S模式)。在网页端展示和访问系统。采用ArcGIS Server实现GIS空间数据的发布和管理，通过MQTT协议接收物联网数据，实现对园林多方位的管理。底图图层采用动态矢量服务，实现在一张图上展示数据[13]。

(2)系统设计虫害数据库，可以反映不同时段、园林不同地点的害虫分布信息。将时空分析技术与虫害测报结合，反映害虫分布规律，用户依次对害虫进行防治，还可以进一步研究害虫迁移与形成机理。结合气象数据与古树名木保护模块，对智慧园林进一步发展有重要的作用。制作专题图，通过各类饼状图，柱状图可以直观地对园林资源进行分析[14]，为园林科学管理提供客观、全面的汇总信息。

(3)实时消息推送通知，系统通过消息中间件作为底层物联网设备数据的平台，实现物联网数据接收、数据入库、数据分发的工作。这样可以将采集的监测数据第一时间通过消息中间件上传到系统平台。

5 结束语

本文针对园林管理数据信息多、测量手法多样，无法实时在线监测、园林工作与环境、气象等多方面信息相关，分析工作繁重等问题，研究设计了结合物联网和GIS技术构建智慧园林系统的方法。通过具体的需求分析与系统设计，利用WebGIS、Ajax、SOA等技术，建立了智慧园林一张图系统。

该系统的建设可以显著改善城市的公共园林绿化面貌，提升城市公共管理与市容市貌，进而吸引大量企业投资和入住，增加政府的税收和行政事业性收费，产生直接的经济效益。对智慧园林的发展具有重要的现实意义。