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物联网与GIS的结合

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vguangxian 发表于 2021-9-19 11:17:26 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
摘要:物联网以互联网为基础发展起来,WebGIS是运行于Internet上的地理信息系统,二者有着自身的特性但又有着密不可分的联系。本文对物联网和WebGIS进行介绍并对二者的联系进行探究。
关键词:物联网,WebGIS,地理信息系统前言近几十年来,信息产业一直以较高的速度发展,计算机、互联网与移动通信网给人类社会带来了翻天覆地的变化,而随着物联网概念的提出,世界信息产业迎来了第三次发展浪潮。物联网可以看作是互联网的一种拓展,代表着信息技术的发展趋势,尤其在当今世界经济低迷的情况下,很多国家和地区对物联网高度关注,将其作为经济发展的一个新的增长点。物联网作为一种新兴的高新技术,其应用领域十分广泛并且逐渐应用到越来越多的领域。目前的主要应用领域如:交通运输和物流领域、医疗领域、只能环境领域(家庭、办公室、厂房等)以及个人和社会领域。随着技术的不断进步,物联网未来将有着更加不可思议的应用:机器人出租车、城市信息模型、增强型游戏等都是不久的将来即可实现的[1]。技术的进步和理论研究的不断深入必将促进各项技术的融合应用。其中最有代表性的就是地理信息技术(GIS)与物联网的结合,在网络环境下更多的是物联网与WebGIS技术结合。物联网的一项重要功能就是收集物联网节点的各种信息以供进一步的使用,核心思想是通过感知设备对感知对象进行识别、定位、跟踪、监控和管理。在这种需求下,物联网天生就需要一种统一的能进行空间定位、空间分析的可视化地理信息平台。而空间点位信息的管理和分析是GIS最擅长的领域,可以说物联网系统便是整合了GIS技术的系统。
一、物联网概述
1、定义物联网的应用领域极为广泛,涉及的技术太过宽泛,不同领域的研究者对物联网有着不尽相同的理解,对其定义的侧重也有所不同。因此,业界尚未给出一个标准的物联网的定义。目前多数人对物联网的理解为:物联网即The Internet of Things,是通过射频识别装置、红外线感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感装置,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络,是互联网的基础之上延伸和扩展的一种网络。本质上讲,物联网就是“物物相连的互联网”。物联网是在互联网的基础上建立起来的,并对物联网进行了极大地延伸和拓展,其用户端延伸和扩展到了任何物品之间,进行信息交换和通信。显然,不是所的“物”都能联入物联网,这里的“物”要满足相应的条件:(1)有相应信息的接收器;(2)有数据传输通路;(3)有一定的存储功能;(4)有CPU;(5)有操作系统;(6)有专门的应用程序;(7)有数据发送器;(8)遵循物联网的通信协议;(9)在世界网络中有可被识别的唯一编号。
2、技术架构根据物联网的运行过程,可以在技术架构的层面上将物联网分为三个层次:感知层、网络层和应用层。感知层即是由各种传感器及传感器网关构成,如温度传感器、适度传感器、压力传感器、二维标签码、RFID标签以及摄像头等感知终端。感知层的作用是识别物体,采集信息,类似于人类神经系统的末梢。网络层由各种有线和无线网络系统组成,具体包括计算机终端、各种网络设备等硬件设施以及网络管理系统、各种网络通信协议、云计算平台等软件系统。网络层的作用就是传递和处理感知层产生的数据。应用层是物联网和用户(包括人、组织和其他系统)的接口,它与行业需求结合,实现物联网的智能应用。具体来讲,应用层实现信息和存储、数据的挖掘、应用的决策等,涉及海量信息的智能处理、分布式计算、中间件、信息发现等多种技术。
物联网实现了“物物互联”,从感知层的信息感知到网络层的信息传输和处理,再到应用层的行业应用,每个层次都涉及多种技术,可以说物联网是众多高新技术的综合应用。概括来讲,物联网的关键技术主要是识别,传感,通信技术以及中间件技术。
3、物联网的应用物联网是一项极具潜力的新技术,其本身的特性使得物联网有着极大的应用前景。虽然限于技术上的不成熟和制度的限制,现阶段物联网的潜力还没有完全被发掘,但其依然在众多领域开始应用。大致可归纳为以下领域:交通运输和物流领域医疗领域智能环境领域(家庭、办公室、厂房)个人和社会领域其他领域目前,物联网除了在服务于国计民生的领域发挥重要作用,在科研领域也有着广泛的应用。在环境科学领域,再生资源的再利用所需的技术或许已经不是难点,但对再生资源如何高效回收的问题一直未能完美的解决。利用物联网技术,包括各类可再生资源在内的所有物品都装配RFID标签,随时可以监测其位置和利用状况。此外,生态学研究方面,以物种分布研究为例[6],为所要研究的动植物装配上RFID标签,科学家便可随时掌握其生长状态、运动轨迹等诸多方面的第一手资料。
4、物联网存在的问题4.1 核心技术问题物联网是多种先进技术集成的系统,要实现物联网性能的最大化,不但要对各种技术进性深入的研究,提高相关技术的精度,同时还要保证多项技术的平衡发展。物联网的核心技术涉及传感器等识别技术、网络通讯技术和包括云计算[7]在内的计算技术三个层面。首先,物联网感知层收集信息的能力至关重要,物联网的全面部署应用需要海量的各类传感装置,这就要求传感器在保证自身功能和效率的同时还要尽可能的低能耗和低成本。其次,网络通讯技术需要为物联网提供高速可靠的传输服务。IPV6技术采用128位地址长度,能够满足物联网海量节点的需求,而且IPV6网络在安全保障、服务质量等方面相比IPV4有着很大的优势,但IPV6技术在全球的部署尚未完善,与传感器网的融合技术还不成熟。此外传统互联网的常用协议在物联网中的并不完全适用,需要改进或重新设计。最后在计算技术方面,云计算是物联网的一项重要计算技术,但现有的云计算技术还不能够满足具有实时感应、高度并发、自主协同和涌现效应特征的物联网的需求。4.2 标准体系问题各国物联网的发展相对独立,每个国家建立的物联网所采用的标准也不同。为促进物联网在世界范围内的发展,需要建立统一的国际标准。目前物联网正在飞速发展,应用领域也不断扩大,国际标准的制定是刻不容缓的。4.3 安全和隐私问题安全性问题在互联网时代就是不容忽视的,而物联网的本质是物物互联,如果信息安全措施不到位,我们将面临比互联网时代更大的威胁。物联网是复杂多元化的系统,安全和隐私保护也将更为复杂,这不仅对技术提出了更高的要求,同时也需要更为完善的政策和法律保障。[8] 
二、GIS技术(简写)1、webGIS技术地理信息系统(Geographic Information System或Geo-Information system,GIS),有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”。它被定义为一种特定的十分重要的空间信息系统,在计算机硬、软件系统支持下,对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。网络地理信息系统(webGIS) 是GIS与互联网的有机结合,是GIS在互联网中的扩展,在任何时间,无论从网络的哪一个节点,人们都可以对WEB上的各种地理空间数据及属性数据"图像"文件进行浏览和获取,以及进行地理空间分析。地理数据的概念已扩展为分布式的、超媒体特性的、相互关联的数据。与传统的GIS相比,webGIS具有访问范围广泛、平台独立性强、可扩展性良好的特点[!]! 根据David J. Abel的说法[9],互联网环境下的GIS架构对于空间数据的分配方面有着明显的优势,主要在于两个途径:一种是利用网络的拓展应用对空间数据进行空间数据的分配,另一种是利用网络专业空间数据服务。经过多年的发展,WebGIS的优势已经不只在于对于空间数据的分配方面,在空间数据的分析和共享等方面也已经较为成熟。根据[10],当今的发展情况是大量的各类地理空间数据的获取相对来说比较容易,一个重要的问题是怎样快速的将大量的地理空间数据为科学家、决策者和普通公众所用。在该文中,作者介绍了新兴的利用基于SOAP的网络服务技术来开发大量的符合标准的、可链接的地理空间数据网络服务,所用的是软件系统中现有的地理空间数据模块和专业的地理科学算法,并以GRASS GIS系统为例实现共享地理空间数据的网络服务。GRASS全称为Geographic Resources Analysis Support System,是一款基于GNU GPL协议的开源地理信息系统软件,具有空间数据管理与分析,图像处理,数字制图,空间建模和可视化等功能。GRASS现已被许多政府机构、大学和环境咨询公司所使用。类似的,Yafang Su在[11]一文中介绍了UCLA(加利福尼亚大学洛杉矶分校)的地理信息系统数据库和地图服务,利用该网站实现地理空间数据的收集,存储以及提供数据下载服务和制图服务。
三、物联网和GIS
 1、物联网和WebGIS 作为两种新兴的极具潜力的新技术,物联网和WebGIS有着一定的联系。首先,数据源角度:物联网依靠感知层的各种传感器和RFID标签收集物品的自身信息如物品自身的名称、规格、产地、生产日期等和周围环境的温度、湿度、位置等附加信息。同时物联网的感知层收集到的数据种类多种多样,既包括一般数据又包括图像、音频、视频等多媒体数据。而WebGIS是网络形式的地理信息系统,其源数据和传统GIS系统所支持的数据相同,主要分为栅格数据和矢量数据,此外也可以读取GPS数据。虽然现有的WebGIS系统所应用的数据有的也包括多种多样的媒体数据,但这些数据并不能参与GIS系统的管理分析。另外方面,原始数据的采集是物联网的重要任务之一,是整个物联网的基础,而WebGIS的侧重点在于对数据的管理分析等功能,原始数据通常是通过各种手段如遥感影像、数字化成图、GPS测量等得到,直接交由WebGIS系统处理。其次,数据传输方面,物理网的网络层利用包括传感器网络在内各种有线无线网络将分布在各处的网络节点连接成一个整体,相互交换信息。各节点的性能和网络环境的质量同时影响着数据传输的速度和质量。而对于WebGIS来说,同样需要各种有线无线网络,但只是传统的网络,并不涉及传感器网络。WebGIS用户使用浏览器享用服务,所以只要网络质量良好,WebGIS系统便可正常工作。对数据的处理方面,物联网收集到大量的各类数据,首先需要解决多源数据的融合应用问题,并借助云计算等手段对海量数据进行分析,提取有用信息,并根据用户需求给出相应的回馈结果。这一过程中的分析方法并不固定,要视情况而定。如利用物联网技术控制房间的温度湿度,需要将采集到的外界气温、光照等信息和人体感舒适度的标准作对比,做出最佳的反应。而利用物联网技术实现身份识别时,仅需读取身份识别标志的信息并与数据库中的记录对比即可。而对于WebGIS则主要对原始数据进行地理学的空间分析算法处理,必要时辅助使用其他方法得到结果。综上所述,某种程度上讲,物联网是包含WebGIS的。但这一说法是建立在物联网需要使用GIS的空间分析功能的基础上。物联网应用广泛,不可避免的需要处理处理位置相关数据,而空间分析正是GIS所擅长的。所以WebGIS本身就具有物联网的理念,而物联网很大程度上是离不开WebGIS的。物联网和WebGIS的综合应用是必然的选择。四、案例1、基于物联网与WebGIS的智能公交系统该系统运用对空间信息的强大处理能力与物联网物物相连的特性,采集交通环境中的城市公交车各类信息,并传递给物联网服务器,把信息数据存储在物联网数据库中。Google map服务器加载google地图信息,并通过AJAX技术实现信息的动态更新。输入查询条件,点击查询按钮,获得实时信息。实现城市公交信息的可视化表达与各传感器的查询定位,为与物联网的综合应用研究提供了新的思路。面向城市交通公交信息主题的物联网WebGIS系统采用主流的B/S架构,以减少模块间的耦合性,提高系统适用性,整体架构设计主要分为三层: 客户层、WebGIS服务器层、数据层。
2、基于物联网和GIS的城市空气污染检测预警系统空气污染监测预警系统是基于物联网与GIS的、融合硬件开发与软件开发、无线通讯与数据处理等技术的实时监测系统,部署在各处的传感器通过GPRS通信方式将采集到的空气质量数据与地理位置信息传送到服务器上,由服务器进行数据的处理分析。通过对大量实时数据的计算与分析,最终能够定位污染源方向,确定污染物成分,达到空气污染监测预警的目的。本系统可分为感知层、网络层和应用层,这三层之间通过无线通讯和数据交互紧密相联,从而构成一个完整的城市空气污染监测预警系统。感知层包括安装在城市各位置的传感器,负责采集空气质量信息,接收和发送数据;网络层采用GPRS通信,使用TCP/IP协议连接Internet,负责传输信号;应用层基于ArcGIS 展示客户端,基于ArcGIS的JavaScript 程序设计实现,其与网络层交互的重点在于对数据库的读取,然后经过ArcGIS组件的分析处理,展现出污染源的可能位置,并将分析后的结果以可视化的形式呈现给用户。五、物联网的发展趋势当前很多物联网应用,大都针对某一具体的应用场景,如生产线安全监控、智能家居等。其网络接入方式也多以局域网为主,并未真正实现多场景、多情境的互通互用。一方面,这是出于信息安全的考虑,通过物理网络的隔离来确保局部网络的可靠性。另一方面,也是出于对服务功能和服务对象所在位置的考虑。如智能家居系统,其主要服务和控制的设备都处于一个建筑体内,完全可以通过局域网来解决设备间的通信问题。但随着信息系统智能化的发展趋势,未来的物联网也会从真正意义上实现不受地理限制的互通互用。比如以云计算、移动计算的信息服务模式,来实现物联网服务器的远程化,实现物联网服务终端的轻便化。另一方面,未来的物联网,一定会向着面向服务的实现模式发展,而不单单将实现的重点放在技术解决方案上,会通过系统的协同作用实现更为复杂和智能的服务模式。







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