肖瑾瑜

(湘西自治州林業(yè)科學(xué)研究所， 湖南 吉首 416000)

基于物聯(lián)網(wǎng)的古樹名木管理系統(tǒng)研究開發(fā)

肖瑾瑜

(湘西自治州林業(yè)科學(xué)研究所， 湖南 吉首 416000)

立足古樹名木保護(hù)的實(shí)際情況，研究設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的古樹名木管理系統(tǒng)。系統(tǒng)使用Microsoft Visual Stadio2012基于.Net Framwork4.5和面向領(lǐng)域的多層分布式架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)對(duì)古樹名木基本信息進(jìn)行管理，并充分利用傳感技術(shù)，自動(dòng)的、周期性收集樹木的生理狀況、生長(zhǎng)環(huán)境以及其它相關(guān)數(shù)據(jù)；系統(tǒng)還提供GIS、災(zāi)害預(yù)警、統(tǒng)計(jì)分析和基礎(chǔ)信息管理功能，實(shí)現(xiàn)古樹名木保護(hù)的自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化與智慧化。

古樹名木； 物聯(lián)網(wǎng)； 傳感器； 管理系統(tǒng)

古樹名木一般系指在人類歷史過程中保存下來的年代久遠(yuǎn)或具有重要科研、歷史、文化價(jià)值的樹木[1]。古樹名木不僅經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的環(huán)境變遷，也見證了悠久的歷史。它們對(duì)研究生物資源、植物分布、環(huán)境變遷、物種遺傳特性和歷史文化遺產(chǎn)具有重要的科學(xué)價(jià)值，對(duì)發(fā)展旅游業(yè)也具有重要的意義。古樹名木由于樹齡高，自身衰老，生理機(jī)能下降，生命力減弱，加上環(huán)境污染，生長(zhǎng)條件日趨惡化，古樹名木的衰亡及損毀事件常有發(fā)生[2]，因此，加強(qiáng)對(duì)古樹名木的保護(hù)具有重要的意義。2013年8月國(guó)家林業(yè)局印發(fā)了《中國(guó)智慧林業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見》，明確提出充分利用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，通過感知化、物聯(lián)化、智能化的手段，形成林業(yè)立體感知、管理協(xié)同高效、生態(tài)價(jià)值凸顯、服務(wù)內(nèi)外一體的林業(yè)發(fā)展新模式。物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”[3]，通過智能感知、識(shí)別技術(shù)等的融合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界的無縫連接[4]。充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以使古樹名木保護(hù)更加有效，更加智慧。

1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)及物理架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

古樹名木管理系統(tǒng)主要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以人工為輔助手段充分收集古樹名木的相關(guān)信息，包括樹木生理狀況，以及可能對(duì)樹木產(chǎn)生影響的相關(guān)因素，準(zhǔn)確的反映樹木的生長(zhǎng)狀態(tài)、生理變化，使古樹名木的保護(hù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化、實(shí)時(shí)化，且使古樹名木保護(hù)實(shí)現(xiàn)智慧的流程、智慧的感知、智慧的管理、智慧的應(yīng)用、智慧的服務(wù)。

1.2系統(tǒng)物理架構(gòu)

系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心設(shè)置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于保存樹木的各種關(guān)系型信息，GIS服務(wù)器保存地理信息，文件服務(wù)器用于保存圖片、視頻以及相關(guān)資料文件。Web服務(wù)器提供給用戶通過瀏覽器訪問系統(tǒng)信息的服務(wù)，應(yīng)用服務(wù)器提供用戶通過各種客戶端(如常規(guī)WinFrom客戶端，智能終端的App客戶端等)訪問系統(tǒng)的服務(wù)，以及各種傳感器或匯聚服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)的接口服務(wù)。兩種服務(wù)器透過防火墻向Internet發(fā)布服務(wù)。應(yīng)用服務(wù)器從外部服務(wù)收集信息(比如氣象信息，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)信息等)并及時(shí)發(fā)布，應(yīng)用服務(wù)器還可將信息主動(dòng)推送組用戶，例如將氣象信息、災(zāi)害預(yù)報(bào)信息以及樹木監(jiān)控警告通過手機(jī)短信發(fā)給相關(guān)人員，以便提前做好應(yīng)對(duì)措施。匯聚服務(wù)器接收各種傳感器[5]收集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行初步整理分析，根據(jù)實(shí)際情況選擇不同方式(即時(shí)、定時(shí)上傳)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心，同時(shí)也就近監(jiān)控樹木各種情況。系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)置如圖1所示。

圖1 古樹名木管理系統(tǒng)物理框架Fig.1 The physical frame of the ancient and famous tree management system

2 功能設(shè)置

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以每木為核心，以每株古樹名木從認(rèn)定、養(yǎng)護(hù)到死亡的整個(gè)生命周期為主線，沿此主線系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)或人工收集樹木在各個(gè)階段產(chǎn)生的以及相關(guān)的(如生長(zhǎng)環(huán)境，生長(zhǎng)情況等)各種數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行整合加以統(tǒng)計(jì)分析。將結(jié)果以不同形式進(jìn)行反饋，對(duì)異常情況及時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

2.1古樹名木基本信息管理

古樹名木基本信息管理包括每木基本信息管理和古樹群基本信息管理?；拘畔⒁浴度珖?guó)古樹名木普查建檔技術(shù)規(guī)定》為藍(lán)本，同時(shí)根據(jù)科研及管理需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。每木信息管理記錄每株古樹名木在發(fā)現(xiàn)登記時(shí)的基本信息，如樹名、樹種、樹齡、科、屬、經(jīng)度、緯度、所在省、市縣、鄉(xiāng)及具體位置、坡向、坡位、坡度、土壤類型、土壤緊密度、權(quán)屬關(guān)系、特殊狀況、管護(hù)責(zé)任人(單位)以及相關(guān)傳說記載等，同時(shí)將鑒定記錄、相片等相關(guān)文件以附件的形式保存其電子版本。記錄列表如圖2所示，每木詳細(xì)信息如圖3所示。樹群信息管理則記錄樹群的地理坐標(biāo)范圍、主要樹種、目的保護(hù)樹種、株數(shù)、平均樹齡、平均高度、平均胸徑、面積、密度、坡向、土壤類型以及緊密度等信息。

為樹木記錄基本信息即標(biāo)志著此樹木(群)在系統(tǒng)中生命周期的開始，系統(tǒng)將為樹木分配唯一編碼，編碼與主要信息一起生成二維碼，也可使用RFID[6]標(biāo)簽，此二維碼[7]或標(biāo)簽作為樹木(群)的身份證，直到樹木死亡或遷出管轄范圍。把二維碼或標(biāo)簽粘貼在樹上，巡查或養(yǎng)護(hù)時(shí)使用手持設(shè)備掃描即可獲取相關(guān)信息。例如，將內(nèi)容“樹名：車塔村川黔紫薇；樹齡：300(2013年估)；樹種：川黔紫薇(Lagerstroemia excelsa (Dode) Chun)；分類：千屈菜科，紫薇屬；坐標(biāo)：29.3527,109.7602”生成二維碼。

2008 年底 IBM 首次提出“智慧地球”理念以來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，成為改變世界的新力量。作為物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的各種傳感器能夠自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確收集數(shù)據(jù)。將土壤墑情傳感器分布于樹木根部土壤下10cm、30cm、50cm。在干旱季節(jié)較高頻次、多雨季節(jié)則低頻次收集土壤含水量以及土壤溫度數(shù)據(jù)，土壤含水量過低時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，并可通過遠(yuǎn)程控制自動(dòng)澆灌設(shè)備進(jìn)行灌溉[8]；將溫度、濕度、風(fēng)速傳感器布置于樹木周圍，以收集樹木周圍溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)，為防寒抗旱以及防止大風(fēng)對(duì)樹木造成破壞及時(shí)提供信息；莖流傳感器[9]收集樹木莖流量，與葉溫傳感器、總輻射傳感器、光合有效輻射傳感器[10]、葉面濕度傳感器、樹干直徑傳感器一起對(duì)樹木生理數(shù)據(jù)進(jìn)行收集；GPS則用來定位樹木的地理坐標(biāo)，防止樹木被非正常移動(dòng)或者被盜伐的可能。根據(jù)需要還可以利用傳感器監(jiān)測(cè)土壤肥力[11]、緊密度等。通過傳感器周期性收集的數(shù)據(jù)作為樹木體征數(shù)據(jù)保存于數(shù)據(jù)庫并可按時(shí)間來進(jìn)行查詢，這些數(shù)據(jù)也將為林業(yè)科研提供強(qiáng)大的支撐。

圖2 每木信息管理記錄列表Fig.2 List of the basic information of ancient and famous tree

圖3 每木詳細(xì)信息Fig.3 The detailed information of a tree

為彌補(bǔ)傳感器的不足，每隔一段時(shí)間還需人工收集樹木巡查信息。巡查信息記錄著樹木(群)的生長(zhǎng)勢(shì)、樹高、胸徑、冠幅、立地條件、土壤以及現(xiàn)況。在錄入基本信息或巡查信息時(shí)都可將相片以及其它資料作為附件上傳保存。人工錄入的信息必須經(jīng)過審核方可生效，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)綜合分析收集的數(shù)據(jù)，與所設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)異常，系統(tǒng)將報(bào)警提示。

2.2GIS

GIS是用于輸入、存儲(chǔ)、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是分析、處理大量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)系統(tǒng)。古樹名木管理系統(tǒng)主要用GIS技術(shù)建立環(huán)境信息和地理信息模型，實(shí)現(xiàn)地點(diǎn)、地理坐標(biāo)的定位與查詢、地圖縮放移動(dòng)控制等。根據(jù)古樹名木的地理坐標(biāo)在地圖上進(jìn)行標(biāo)注，選擇標(biāo)注點(diǎn)時(shí)可展現(xiàn)其基本信息以及傳感器的實(shí)時(shí)信息，同時(shí)可進(jìn)行多種查詢[12]。對(duì)于缺少GIS信息的地區(qū)系統(tǒng)可以利用網(wǎng)絡(luò)的Bing地圖或Google地圖數(shù)據(jù)。GIS界面圖如圖4所示。

圖4 GIS界面圖Fig.4 The GIS user interface

2.3災(zāi)害預(yù)警

系統(tǒng)通過設(shè)置在周圍的氣象類傳感器收集到氣象信息，或者通過接口直接從外部服務(wù)器獲取，比如可以使用Web Service通過地址http://www.weather.com.cn/data/sk/[城市代碼].html可獲取中國(guó)氣象局發(fā)布的氣象預(yù)報(bào)信息。收集到相關(guān)數(shù)據(jù)后經(jīng)過分析綜合，對(duì)可能發(fā)生的災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，并將信息及時(shí)傳送給古樹名木管護(hù)人，促使其做好應(yīng)對(duì)措施。

2.4統(tǒng)計(jì)分析

系統(tǒng)中保存各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的統(tǒng)計(jì)分析功能，從多個(gè)維度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合多種圖表，將結(jié)果以生動(dòng)直觀的形式展示出來，為科研、決策提供充分有力的數(shù)據(jù)支撐。

多樣性統(tǒng)計(jì)可以分地區(qū)顯示古樹名木的樹種、數(shù)量、平均樹齡、保護(hù)級(jí)別以及生境等信息。通過對(duì)樹木生理數(shù)據(jù)的分析，可以確定樹木的健康狀況走勢(shì)，為制定養(yǎng)護(hù)計(jì)劃提供依據(jù)?；趯?duì)樹木長(zhǎng)期收集的數(shù)據(jù)，可以研究引發(fā)樹木衰弱的因素，為復(fù)壯提供理論支持。對(duì)比歷年環(huán)境以及樹木的生理數(shù)據(jù)，可以用于研究環(huán)境對(duì)樹木生長(zhǎng)的影響。

系統(tǒng)還可根據(jù)研究的需要進(jìn)行擴(kuò)展，增加相應(yīng)傳感器等設(shè)備來獲取研究所需數(shù)據(jù)。

2.5基礎(chǔ)信息管理

對(duì)于基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，如樹種分類、行政單位等用字典進(jìn)行統(tǒng)一管理，這樣不僅可以方便輸入也可保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和一致。樹種分類以全國(guó)樹種分類表為基礎(chǔ)，篩選常用古樹名木樹種，在系統(tǒng)中錄入基本信息，包括所屬科、屬，學(xué)名，拉丁名，基本特征等。在使用時(shí)只需選擇對(duì)應(yīng)的樹種，相關(guān)信息可自動(dòng)顯示。此類信息也可供平時(shí)查閱。行政區(qū)域以全國(guó)行政單位表為基礎(chǔ)，根據(jù)管理范圍進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整增補(bǔ)，在使用時(shí)只需進(jìn)行選擇即可。

2.6安全管理

必須有安全管理機(jī)制保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，讓用戶只可以在指定的范圍內(nèi)上傳修改和使用數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中將權(quán)限分為管理、查詢、錄入、修改、刪除、審核、發(fā)布、統(tǒng)計(jì)等。并將以上權(quán)限與各行政區(qū)域、系統(tǒng)模塊以及用戶身份關(guān)聯(lián)形成系統(tǒng)使用安全規(guī)則。比如將錄入權(quán)限與基本信息

模塊、吉首市以及用戶User08關(guān)聯(lián)，使用戶User08具有在基本信息模塊中錄入吉首市古樹名木信息的權(quán)限，但不能錄入古丈縣古樹名木信息。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)使用Microsoft Visual Stadio2012基于.Net Framwork4.5進(jìn)行開發(fā)，選用面向領(lǐng)域的多層分布式架構(gòu)。此架構(gòu)的組件之間、層與層之間低耦合的結(jié)構(gòu)，使得在每次出現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯變更的時(shí)候，可以將領(lǐng)域模型隔離出來進(jìn)行調(diào)整和測(cè)試，而不需要更改應(yīng)用程序的其它部分[13]。在領(lǐng)域模型層把現(xiàn)實(shí)中的對(duì)象抽象為系統(tǒng)中的實(shí)體，該層同時(shí)展現(xiàn)業(yè)務(wù)或領(lǐng)域邏輯、業(yè)務(wù)處理狀態(tài)以及實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)規(guī)則等。實(shí)體數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)持久化層保存于數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)持久化選用Entity Framework[14]，不僅可支持多種數(shù)據(jù)庫還能簡(jiǎn)化開發(fā)難度。為了實(shí)現(xiàn)Winform客戶端、智能終端App客戶端的遠(yuǎn)程訪問，將業(yè)務(wù)邏輯通過Web API進(jìn)行發(fā)布。同時(shí)也使用Asp.Net開發(fā)Web客戶端，使用戶可以通過瀏覽器直接訪問。系統(tǒng)邏輯框架如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)邏輯框架Fig.5 The logic framework of system

4 結(jié)語

古樹名木的特殊性決定其地理位置比較分散、樹齡長(zhǎng)，但是其具有歷史、科學(xué)和文化研究的價(jià)值也比較高[15]，需要經(jīng)常養(yǎng)護(hù)管理，這是十分繁瑣艱巨的工作，需要大量人力、物力和財(cái)力。利用VS2012開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和GIS的技術(shù)開發(fā)古樹名木管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)古樹名木的自動(dòng)、實(shí)時(shí)管理，不僅可節(jié)省成本，也可減少人為失誤對(duì)古樹名木的損害，更加有效地對(duì)古樹名木進(jìn)行保護(hù)。

[1] 全國(guó)綠化委員會(huì).全國(guó)古樹名木普查建檔技術(shù)規(guī)定[EB/OL].(2013-06-18)http://news.163.com/13/0618/16/91LR3MT200014JB6.html.

[2] 王楚榮.新技術(shù)在古樹名木保護(hù)上的應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2010(20)：266.

[3] 百度百科.物聯(lián)網(wǎng)[EB/OL]. http://baike.baidu.com/view/1136308.htm.

[4] 國(guó)家林業(yè)局.中國(guó)智慧林業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見[EB/OL]. (2013-08-21)http://wenku.baidu.com/view/1f9f2dfdd15 abe23482 f4d 40.html.

[5] 維基百科.傳感器[EB/OL]. http://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8.

[6] 維基百科.射頻識(shí)別[EB/OL]. http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B0%84%E9%A2%91%E8%AF%86%E5%88%AB.

[7] 維基百科.二維條碼[EB/OL] . http://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E4%BA%8C%E7%B6%AD%E6%A2%9D%E7%A2%BC.

[8] Wei Yichang, Wang Zhenying, Wang Tongchao, et al. Design of real time soil moisture monitoring and precision irrigation systems[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(17):80-85.

[9] 余成波,劉彥飛.無線莖流傳感器的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2009,22(9):1227-1231.

[10] 張杰,熊顯名,張馨,等.光合有效輻射傳感器及其調(diào)理電路設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表,2012(6):16-19.

[11] 趙玉成,谷小青,頓文濤,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在土壤肥力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2013(9):242-243.

[12] 劉光,唐大仕.Web GIS開發(fā)——ArcGIS Server與.NET[M]. 北京：清華大學(xué)出版社,2009.

[13] Eric Evans.領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社,2006.

[14] Julia Lerman, Rowan Miller. Programming Entity Framework [M]. USA: O’Reilly Media, Inc, 2012.

[15] 葛漢棟.湖南古樹資源概況及保護(hù)對(duì)策[J]. 湖南林業(yè)科技, 2003,30(2):2.

(文字編校：張 珉)

Researchanddevelopmentofancientandfamoustreemanagementsystembaseoninternetofthings

XIAO Jinyu

(Forestry Institute of Xiangxi Autonomous Region, Jishou 416000, China)

In view of the actual situation of ancient and famous tree protection, the management system of ancient and famous tree was researched based on internet of things. The system was constructed using Microsoft Visual Stadio 2012 based on .Net Framwork4.5 and Distributed DDD. The system managed the basic information of ancient and famous tree, and using sensor technology, it automatically and periodically collected the data of the tree, including physiological status, environmental factor and other related data. The system also achieved functions such as GIS, early-warning, analysis of data and maintenance of basic information, to automatically, real-time, intelligent protect the ancient and famous tree.

ancient and famous trees; internet of things; sensor; management system

2013-11-01

肖瑾瑜(1976-)，男，湖南省吉首市人，助理工程師，主要從事林業(yè)信息化研究。

TP 391.44; S 788

A

1003 — 5710(2014)01 — 0102 — 05

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2014. 01. 020