毛行輝，唐麗玉，段輝麗(福州大學 空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點實驗室 福建省空間信息工程研究中心,福建福州350002)

古樹名木是個基因庫,是歷史的見證,是研究自然史的重要資料,是一種吉祥的象征。它不可再生，也不可永生。因此，研究保護古樹名木、管理古樹名木信息具有重要意義?，F(xiàn)階段我國多以手動檔案管理、信息記錄的方式管理古樹名木，費時費力，共享化低，成本高，建檔項目不全，對于各類數(shù)據(jù)不能進行高效的查詢以及實時的更新[1]。新型的管理手段不斷推動古樹名木信息管理的發(fā)展。射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)技術是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。它是一種非接觸性自動識別技術，能夠用在各種惡劣環(huán)境中，無需人為干預，通過射頻信號即可自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)。隨著近幾年物聯(lián)網(wǎng)技術的迅速發(fā)展，射頻識別技術被廣泛應用在各個領域，如門禁控制、包裹識別追蹤、文檔追蹤管理、產(chǎn)品防偽、高速公路收費系統(tǒng)等[2-4]。本文以RFID、物聯(lián)網(wǎng)等關鍵技術為支撐，在古樹名木三維管理信息系統(tǒng)[5]基礎上，采用便攜式數(shù)據(jù)處理器、PC服務器端等組件設計出基于RFID的古樹名木三維管理信息系統(tǒng)，采用信息更新聯(lián)動機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的信息化管理和跟蹤保護。相對于人工手動建檔，系統(tǒng)更加智能化，極大地減少工作量，外業(yè)工作者可以實時地查詢了解古樹的基本信息。而在三維平臺上以360°全景播放、圖片瀏覽的方式使用戶更了解古樹名木的生長環(huán)境。

1 系統(tǒng)業(yè)務功能

系統(tǒng)采用三層C/S結構在移動終端、服務器、客戶端之間實現(xiàn)三方通信。移動終端實現(xiàn)信息采集、遠程數(shù)據(jù)查詢、添加、修改等功能;服務器端主要處理移動終端的數(shù)據(jù)請求以及客戶端的授權請求;客戶端軟件實現(xiàn)360°全景播放、圖片瀏覽、歷史追蹤、信息管理的功能，其業(yè)務功能如圖1所示。

圖1 功能需求圖

2 系統(tǒng)體系結構

根據(jù)業(yè)務功能需求，將系統(tǒng)總體結構劃分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡傳輸層、應用層。系統(tǒng)體系結構如圖 2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結構圖

3 相關技術

3.1 信息采集

系統(tǒng)根據(jù) GPS定位數(shù)據(jù)（NMEA0183協(xié)議），選擇解析GPGGA幀結構數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)有效時，提取經(jīng)度、緯度、大地水準面高度，定位數(shù)據(jù)精確到十分位，并轉化為度分秒式。

系統(tǒng)中RFID讀寫模塊在EPC存儲器中讀寫電子標簽ID，標簽長度不超過 12 B；在用戶存儲器(USER)中讀寫古樹名木編號(古樹信息的唯一標識)。古樹名木編號字符串可以是文字、純數(shù)字、字母，也可以是混合形式的。判斷輸入的古樹名木編號字符串是否為純數(shù)字形式，結果為假時用 CnEnCStringToHexUnicodeCString()函數(shù)將字符轉換成十六進制，一個字符(無論中文還是英文)對應2B，即4個十六進制數(shù)據(jù)。利用UCHAR類型的uWriteBHData[]變量存儲十六進制的字符，每兩個字節(jié)寫入一次，直至所有字節(jié)全部寫入標簽。根據(jù)讀地址長度，讀出電子標簽上存儲的十六進制字符，每4個十六進制為一個字符，利用 HexUnicodeCStringToCnEnCString()函數(shù)讀出存儲的所有字符，一個地址長度代表讀取1個字符。結果為真時則不需要進行十六進制轉換，直接寫入與讀取，以減少存儲消耗，此時一個地址長度代表讀取4個數(shù)字。福州園林局的古樹名木編碼有時以中英文為開頭，如“閩A”，這樣的設計能很好地解決編號是中英文的情況。

3.2 古樹信息管理

進入古樹名木信息管理模塊時，系統(tǒng)將自動傳入GPS定位信息與RFID綁定信息。基于WinCE平臺上的數(shù)據(jù)庫API函數(shù)接口，系統(tǒng)通過設計古樹信息編輯對話框實現(xiàn)對古樹信息的相關編輯操作，主要包括對信息的查詢、修改、添加等功能。信息的查詢主要分為本機查詢和遠程查詢兩種方式。本機查詢主要查詢手持端數(shù)據(jù)庫信息，而遠程查詢主要顯示服務器上的數(shù)據(jù)庫信息，此時若本機數(shù)據(jù)庫中沒有此遠程信息，則保存該信息。信息添加功能主要增添新采集的數(shù)據(jù)信息，從而保證數(shù)據(jù)的不斷更新。同時，用戶還可以對數(shù)據(jù)庫中的信息進行動態(tài)修改；根據(jù)園林局野外采集信息定義古樹名木數(shù)據(jù)庫表結構體（REC_TREE）;遍歷本機數(shù)據(jù)庫，判斷每一條記錄的編號屬性值(strTreeNo)是否等于 RFID模塊從標簽上讀取的編號(m_strBianHao)。移動終端數(shù)據(jù)庫設計流程如圖 3所示。

3.3 信息更新聯(lián)動機制

移動終端基于UDP發(fā)送信息添加、修改操作的請求，應用服務器根據(jù)請求對數(shù)據(jù)庫服務器作出處理，并啟動聯(lián)動機制，反饋信息給移動終端的同時將聯(lián)動數(shù)據(jù)傳輸給客戶端。信息更新聯(lián)動機制實現(xiàn)了移動終端、服務器端、客戶端之間的三方通信，保證數(shù)據(jù)的一致性。

(1)首先自定義移動終端與服務器端間的基本數(shù)據(jù)格式：“ID$OPType$TreeID$Data#”，字段之間用“$”間隔，結束標志為“#”。

說明：

ID：手持機編號（巡檢員編號）。

OPType：數(shù)據(jù)操作類型

01：遠程古樹信息查詢；

02：古樹信息添加；

03：古樹信息修改；

圖3 移動終端數(shù)據(jù)庫設計流程圖

06：古樹信息批量上傳。

TreeID：數(shù)據(jù)庫存儲字段、編號等。

Data格式：“字段名@屬性值@字段名@屬性值”。

包頭、包尾、自定義數(shù)據(jù)構成了UDP傳輸數(shù)據(jù)包結構。服務器端開啟接收線程（RecvThread），利用recvfrom()函數(shù)接收數(shù)據(jù)包、HandlePackage()函數(shù)處理數(shù)據(jù)包。通過驗證包頭、包尾、包長度的正確性，在OnUdpCERecv回調(diào)函數(shù)中解析所有字段，根據(jù)數(shù)據(jù)操作類型對服務器數(shù)據(jù)庫作出相應操作，通過sendto()函數(shù)反饋給移動終端。

(2)服務器端與客戶端間傳輸數(shù)據(jù)用于授權訪問與傳輸自定義信息。將來自移動終端的聯(lián)動數(shù)據(jù)作為strMessage發(fā)送給客戶端。客戶端則采用編碼方式，將“樹種”屬性值對應的編碼與模型庫中的模型綁定。若移動終端請求添加新信息，則軟件平臺中將自動在三維地形上添加編碼對應的三維幾何樹木模型；若移動終端請求修改信息，則客戶端將生成新的數(shù)據(jù)表，用以追蹤古樹名木的歷史位置。

采用多線程處理技術創(chuàng)建監(jiān)聽套接字，開啟接收線程（ProcRecvHandle）解析授權文件。若接收的自定義信息是“Need access”，則進行模塊匹配，判斷授權文件是否過期，客戶端數(shù)量是否超過授權最大數(shù)量限制，授權成功則利用AddClient()函數(shù)將客戶端實例信息添加到list中，并向list中的客戶端 IP發(fā)送“Accept”信息告知授權成功。若接收的自定義信息是“HeartBeat”，則向客戶端發(fā)送“Alive”信息告知心跳連接正常。若接收的自定義信息是“Close”，則將客戶端實例信息從list中去除。

4 系統(tǒng)的實現(xiàn)與應用

4.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)在Visual Studio 2008開發(fā)環(huán)境下，基于WinCE平臺、Windows平臺，集成GPS定位技術、RFID射頻識別技術、網(wǎng)絡傳輸技術，利用 WinCE自帶數(shù)據(jù)庫 API、SQL Server數(shù)據(jù)庫管理技術，實現(xiàn)了基于RFID的古樹名木管理三維信息系統(tǒng)。

4.2 系統(tǒng)應用

(1)野外信息采集

本文選擇福州市長汀村長壽宮的古榕，古樹編號為“閩 A00057”，保護等級為二級，如圖 4(a)所示；將電子標簽綁定在古樹名木上，如圖4(b)所示。

圖4 電子標簽的綁定

首先登陸系統(tǒng)并設置公網(wǎng)IP地址，打開主界面，如圖5(a)所示。在樹根處開啟GPS定位模塊接收GPGGA信息，當數(shù)據(jù)狀態(tài)有效時獲取原始經(jīng)度、緯度、海拔信息并轉換為度分秒形式。開啟RFID讀寫模塊讀取電子標簽ID，寫入編號“閩A00057”，再一次讀取編號信息確保編號寫入成功。選擇傳輸網(wǎng)絡(GPRS/WiFi)，進入古樹信息管理模塊，通過該模塊發(fā)送聯(lián)動數(shù)據(jù)給服務器，如圖5(b)所示。

圖5 移動終端界面

(2)三維信息管理

服務器端處理并反饋移動終端的請求，同時客戶端也會收到數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)更新的提示信息。利用LOD技術選擇簡單的方式來表達要渲染的模型。當觀察者距離模型較遠時，利用billboard技術實時繪制二維圖像，如圖6中綠色小樹圖標所示；當觀察者越靠近模型，模型繪制越精細。對于新增記錄，圖 6中行政區(qū)劃面板將自動識別其所屬的行政區(qū)，并在地圖顯示面板添加閃爍圖標，標識新記錄在二維平面上的地理位置。古樹名木移植復壯會導致地理位置坐標發(fā)生變化，可以查詢某編號的古樹名木的歷史移植情況。同時系統(tǒng)支持照片、360°全景形式展示古樹名木及其周邊的信息，如圖6所示。

本文設計的基于RFID古樹名木管理三維信息系統(tǒng)充分利用了RFID技術具有在極端環(huán)境下動態(tài)快速更改標簽數(shù)據(jù)的特點，以及移動終端自帶的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠程查詢、更新功能，拓展了信息更新聯(lián)動機制，實現(xiàn)三方通信及三維平臺上信息可視化，使得系統(tǒng)除了能實現(xiàn)信息與稀有古樹名木的唯一綁定、統(tǒng)一管理外，還能實時繪制三維古樹名木幾何模型及其生長環(huán)境。這種數(shù)據(jù)驅動的方式更有利于古樹名木三維信息的管理。

圖6 古樹名木管理三維信息系統(tǒng)客戶端界面

[1]陸研,張紹文.基于RFID技術的名木古樹管理系統(tǒng)研究初探[J].山東林業(yè)科技,2008(3)：173.

[2]Zhu Xiaowei,MUKHOPADHYAY S K,KURATA H.A review of RFID technology and its managerial applications in different industries[J].Journal of Engineering and Technology Management,2012,29(1)：152-167.

[3]夏青,王聰.基于 RFID和GSM技術的防盜系統(tǒng)設計[J].微型機與應用,2012,31(17)：31-32.

[4]ELISABETH I Z,Zsolt Kemény,BLOMMESTEIN F V,et al.A survey of applications and requirements of unique identification systems and RFID techniques[J].Computers in Industry,2011,62(3)：227-252.

[5]王晶晶,唐麗玉,林定,等.基于虛擬植物的古樹名木三維管理信息系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].中南林業(yè)科技大學學 報,2012,32(2)：60-69.