物联网与三维GIS在大熊猫智慧国家公园建设中的研究应用.pdf

97物联网与三维GIS在大熊猫智慧国家公园建设中的研究应用http:/ 工程勘测 增刊1 遗迹、自然景观和生物多样性得到系统性保护，是维护国家生态安全，为公众提供生态产品，DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.S1.019物联网与三维GIS在大熊猫智慧国家公园建设中的研究应用曾岁康，林志鹏，王 琦，都 鑫(中国电建集团四川电力设计咨询有限责任公司，四川成都610041)摘要：大熊猫国家公园建设是中国开展生态文明建设的一项重要创新性和探索性举措。以大熊猫国家公园（天全片区）数字化建设试点为例，分析探讨基于物联网和三维地理信息技术进行大熊猫国家公园智慧平台建设，充分发挥 IoT+GIS 的动态监测和数据可视化技术优势，提出基于 IoT+GIS 构建大熊猫国家公园智慧监测体系建设方案。大熊猫国家公园智慧平台建设以地理空间数据库、专题数据库为数据支撑，同时融合三维 GIS 引擎、BIM 信息模型和物联网传感器数据，实现三维场景下对国家公园的人类活动、森林资源、野生动植物资源、森林防火、非法盗猎进行全过程、全方位、一体化实时动态监管。关键词：物联网；三维 GIS；大熊猫国家公园；智能监测中图分类号：P2 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)增刊1-97-08Research on the Application of Internet of Things and 3D GIS in the Construction of Giant Panda National Park Smart ParkZENG Suikang,LIN Zhipeng,WANG Qi,DU Xin(PowerChina Sichuan Electric Power Engineering Co.,Ltd.,Chengdu 610041,China)Abstract:The construction of the Giant Panda National Park is an important innovative and exploratory measure for the country to carry out ecological civilization construction.Taking the digital construction pilot of Tianquan area of the Giant Panda National Park as an example,this paper analyzes and discusses the construction of the intelligent park platform of the Giant Panda National Park based on the Internet of Things and 3D geographic information technology,gives full play to the advantages of IoT and GIS in dynamic monitoring and data visualization technology,and proposes the construction scheme of the intelligent monitoring system of the Giant Panda National Park based on IoT+GIS.The construction of the intelligent platform of the Giant Panda National Park is supported by geospatial database and thematic database,and integrates 3D GIS engine,BIM information model and IoT sensor data to realize the whole process,all-round and integrated real-time dynamic supervision of human activities,forest resources,wildlife resources,forest fire prevention and illegal poaching in the national park under 3D scenes.Keywords:internet of things;3D GIS;giant panda national park;intelligent monitoring*收稿日期：2023-02-28 第一作者简介：曾岁康(1995)，男，硕士，工程师，主要从事电力行业地理信息系统集成开发与应用等工作。0引言国家公园是确保重要自然生态系统、自然98http:/电 力 勘 测 设 计增刊1彰显国家精神和文化，并为子孙后代留下宝贵遗产的重要区域，也是实践美丽中国的重要方式。截至目前，我国已设立三江源、东北虎豹、大熊猫、祁连山、武夷山等多处国家公园体制试点区1。国家公园设立的重要评价内容就是公园的国家代表性、完整性、原真性和适宜性，生态系统原真性、完整性和破碎化程度也是国家公园考核评价的重要指标。大熊猫是我国特有物种，建立大熊猫国家公园，有利于增强大熊猫栖息地的连通性、协调性和完整性，实现大熊猫种群稳定繁衍，有利于加强大熊猫及其伞护的生物多样性和典型生态脆弱区整体 保护2。目前，大熊猫国家公园各分局、管护站信息化系统建设相对独立，数据无法整合，资源无法共享，缺乏一套自然资源监测体系及业务应用系统平台，含生态资源、病虫害防控、防火综合治理、保护地、动植物保护等资源“一张图”综合应用展示平台3。近年来，智能手机、智能手表、人脸识别摄像头、智能网联汽车我们正生活在被智能硬件包围的世界里，随之兴起的智慧城市、智能交通、智能家居、智能安防、智能零售、智能制造等，让我们进入了万物互联的智能时代，数字世界和物理世界的边界逐渐模糊4-5。然而在物联网的世界，各种类型、各式各样的硬件设备如何管控？海量流数据如何汇聚和实时处理，以保持最新的物联感知状态？怎样让实时视频流数据与现实地理空间数据结合，达到虚实叠加之效？基于 IoT+GIS 的实时大数据智慧监测解决方案，实现了物联网对象的空间定位、设备监控、空间追踪、快速查询、可视化展示以及业务分析，以 GIS 密钥开启了物联网更为广阔的应用空间。因此，本文在大熊猫国家公园建设中引入三维 GIS，通过构建大熊猫国家公园部分三维数字场景，实现三维地图场景与 IoT 等设备数据的无缝衔接，同时，依托高精度实景三维模型，实现在真实三维场景下进行园区林业资源、野生动植物资源、电子界桩的可视化展示、管理和维护。1 项目概况本文以大熊猫国家公园(天全片区)数字化和信息化建设为例，建设大熊猫国家公园智慧管理平台，平台以“一张图、一张网、三平台”为基础框架，打造大熊猫国家公园“生态大脑”，构建“感知生态 智慧国家公园”的天空地人一体化感知体系(如图 1 所示)，为林草保护和产业持续奠定坚实基础6-7。同时融合三维 GIS引擎、BIM 信息模型和 IoT 技术实现三维大场景下对国家公园及周边环境的设备设施、资源环境进行全过程、全方位、一体化实时动态 管理。卫星感知天航空感知视频感知视频感知气象、水文、土壤等生态因子感知巡护终端感知空地人图1大熊猫国家公园智慧监测体系2技术方案和架构设计根据国家公园信息化建设要求，以软硬件支撑体系、管理制度体系、规范标准体系、运维保障体系、信息安全体系为核心，以信息化规范和创新建设运维管理为主线，建设大熊猫国家公园三维智慧管控平台，实现三维场景可视化展示、IoT 设备监测集成应用、森林防火监测预警管理、野生动植物监测管理、系统运维管理等模块8。将三维可视化管控平台作为基础平台，还可集成访问其他已建业务系统数据，通过各种数据接口方便后续集成，确保信息的完整性、准确性和及时性，整个系统的总体架构如图 2 所示。99物联网与三维GIS在大熊猫智慧国家公园建设中的研究应用http:/ 工程勘测 增刊1?IT?GIS?POI?Geoserver+Cesiumlab+CesiumGIS?GIS?IoT?BIM?IoT?图2大熊猫国家公园智慧公园平台技术架构施等，是信息化建设必需的软硬件基础设施。2)第二层是数据中心框架层，是数据存储中心。该层在统一的数据标准与技术规范的规定下，基础地理数据库、大熊猫国家公园专题数据库以及其他数据组成。实现各类信息资源在各部门的共建共享。3)第三层是系统应用服务层，负责提供应用系统的开发和一体化集成。该层是各种计算机软件平台的所在层。在软件基础架构平台的支持下，形成支持各类应用的开发和集成框架，支持完整的公园园区精细管理应用及其一体化协同运行。4)第四层是应用层，是应用系统的实现及表现层。该层建立在“应用开发与系统(服务)集成框架”基础之上，与具体应用需求相结合，开发并集成各类管理应用功能，以实现大熊猫平台基于 PostgreSQL(PostGIS)数据库建设专题空间数据库，使用 Geoserver 发布专题地图服务。PostGIS 是在对象关系型数据库PostgreSQL 上增加了存储管理空间数据能力的开源 GIS 数据库；Geoserver 是 OGC Web 服务器规范的 J2EE 实现，利用 GeoServer 可以方便地发布地图数据，允许用户对特征数据进行更新、删除、插入操作，通过 GeoServer 可以比较容易地在用户之间迅速共享空间地理信息9。自下向上，总体框架每一层的主要建设内容和职责为：1)第一层是信息化基础支撑层。该层提供系统的基本网络操作系统、桌面操作系统及企业级数据库管理系统等基础软件环境，提供信息化系统运行所依赖的存储设施、计算设施、网络设100http:/电 力 勘 测 设 计增刊1国家公园管理数字化和信息化管理应用。5)第五层是用户层。该层包含了本系统的最终用户群体，大熊猫国家公园天全县管护总站工作人员以及进行决策支持的相关领导。3大熊猫国家公园智慧管理平台功能图 3 为大熊猫国家公园智慧管理平台的系统主界面，平台采用智能化视频监控技术、卫星遥感技术、计算机网络技术、地理信息技术、动物 AI 识别技术、大数据存储与分析技术，集数据信息采集、数据传输、数据分析于一体，实现多层次、全方位、立体化的智慧国家公园综合监测体系。图3大熊猫国家公园智慧公园平台技术架构3.1 BIM 与GIS构建数字熊猫公园3.1.1 公园实景三维信息建模图 4 给出了基于倾斜摄影测量技术实现国家公园高精度实景三维模型结果。对大熊猫国家公园重点区域进行无人机航测，获取区域的高精度正射影像数据并进行三维模型重建。利用倾斜摄影测量技术对大熊猫国家公园重点区域的无人机航测结果进行实景三维建模，采用空中三角测量、密集点云匹配、纹理映射等三维模型重建算法生成区域内高精度实景三维模型10。(a)国家公园内山区实景三维建模(b)国家公园内建筑物实景三维建模图4大熊猫国家公园实景三维建模结果3.1.2 边界设施BIM可视化建模按照大熊猫国家公园设施“一牌一编号，一牌一档案”的建设原则，利用 3D 建模软件对大熊猫国家公园的所有界(碑、桩、牌)建立BIM 信息模型(如图 5 所示)，对所有标识标牌进行空间矢量化和属性数据录入，从而实现界(碑、桩、牌)的数字化管理11。同时，采用空间数据转换坐标信息匹配方法，将大熊猫国家公园边界设施 3D 模型进行坐标定位，实现边界101物联网与三维GIS在大熊猫智慧国家公园建设中的研究应用http:/ 工程勘测 增刊1 实施 3D 模型与真实三维地形、实景三维模型的融合可视化展示(如图 6 所示)。实现大熊猫国家公园园区的数字化围栏建设和三维场景地图可视化。(a)国家公园大型界碑BIM模型(b)国家公园中型界碑BIM模型(c)国家公园指示牌BIM模型(d)国家公园边界界桩BIM模型图5大熊猫国家公园边界设施BIM模型建模图6边界BIM信息模型与实景三维融合3.2 IoT与GIS集成智慧监测3.2.1 保护动物监测野生动物监测是在国家公园管理局所属辖区的野生动物活动区域内，根据痕迹样线调查等方法找出野生动物活动区域，做好安装红外自动触发相机网格规划方案，根据规划方案，在规划区域内批量安装红外自动触发相机，作为野生动物监测的前端监控设备，图 7 为国家公园内前端监控设备抓拍到的国家一级保护动物黄喉貂画面，红外自动触发相机通过红外触发、定时拍摄模式、实时拍摄模式对经过的野生动物进行图像采集，采用 5G(700 M)专网回传图像：支持单网络通道传输；支持多网102http:/电 力 勘 测 设 计增刊1络信道混合传输；端到端音视频延时不高于300 ms；音视频质量清晰可靠。应用智能 AI服务凭条对采集到的野保数据进行识别、分类、统计及分析等，再将处理后的结果回传至各级业务系统，实现野生动物保护的监测、重点区域可以提供实时监测视频、种群信息的管理等功能，并在各级指挥中心分别进行统一的管理及展示。图7物联感知设备实时抓拍、监控园区野生动物3.2.2 森林防火监测与预警大熊猫国家公园智慧管理平台通过集成国家公园内的森林防火云台，通过实时视频流和异常烟雾、森林火源识别，自动定位森林火情火险，同时上报系统设定的负责人。火情人为确认后，可跟进火情信息，手动或自动启动预案。系统可在 GIS 地图上显示火点附近的相关资源信息，包括蓄水池、扑火队、村庄/城镇、加油站、各类工厂等信息12。可在地图上绘制扑火方案，系统基于三维场景和三维粒子效果进行火源定位和灭火指挥模拟(图 8 所示)。前端用户可进行火情上报(初报、续保、终报)。火险等级上报，各管护站上报本区域的温度、湿度、风力等信息，系统按固定模型，计算火险等级。图8热红外传感器监测森林异常火源并在智慧平台中进行灭火指挥模拟3.3林草资源专题可视化管理基于大熊猫国家公园智慧管理平台提供的各类资源类专题数据，对林地资源数据、森林资源数据、公益林数据、林木种质资源数据、森林病虫害数据、征占数据、采伐数据通过“文103物联网与三维GIS在大熊猫智慧国家公园建设中的研究应用http:/ 工程勘测 增刊1 字描述、专题地图、统计图、统计表、多媒体”等多种方式进行现状数据展示以及数据动态变化展示13。如图 9 所示，基于三维 GIS 对林地一张图矢量数据进行地图服务发布和数据可视化，可以直观展示了国家公园内易燃树种分布概况和林地类型分布情况，同时，基于“林地一张图”数据，以简练文本描述、结合丰富统计图形的方式展示林业资源的数量，以自由灵活的排序方式展示不同行政单位资源数据的对比排名情况，以不同颜色表示林地图斑和林地类型，以柱状图与行政区图形互动的方式直观展示不同行政区的资源分布及数量。(a)国家公园森林易燃树种分布可视化 (b)林业一张图矢量数据可视化 图9林草资源专题图三维可视化管理4结语基于物联网、BIM 建模、无人机航测和实景三维建模技术对大熊猫国家公园园区进行三维数字化和可视化，建立大熊猫国家公园智慧管理平台，实现林草资源、野生动植物资源、人类活动、森林防火监测等业务和功能的指挥决策。基于 IoT+GIS+BIM 的大熊猫国家智慧公园建设方案是建立大熊猫国家公园监测体系各个业务应用模块的基础和前提，借助智慧公园平台实现对大熊猫国家公园内时空地理数据的104http:/电 力 勘 测 设 计增刊1服务共享，更好、更直观地将各类专题数据信息和物联感知信息展示出来。参考文献1 李悦，姚杨鑫，王纪杰.四川大熊猫国家公园区域景观生态系统特征与国家公园适宜性研究J.四川林业科技，2022，43(4)：38-44.2 张丛林，车晓旭，郑诗豪，等.大熊猫国家公园四川片区生态价值实现机制研究J.国土资源情报，2020(6)：15-19.3 张冬冰，黄凯.国家公园解说系统建设初探以四川大熊猫国家公园为例J.价值工程，2020，39(2)：2.4 叶菁，宋天宇，陈君帜.大熊猫国家公园监测指标体系构建研究J.林业资源管理，2020，(2)：53-60.5 王卫伟.智慧园区的BIM，GIS和IOT技术应用融合探讨J.智能建筑，2015(7)：3.6 邓力铭，罗利，罗建勋，等.基于”BIM+GIS”技术在城市公园项目智慧建造应用研究J.四川建筑，2021，41(增刊1)：3.7 叶平，刘明冲，谭迎春，等.大熊猫国家公园卧龙数字平台的应用探讨J.现代农业科技，2022(17)：126-130.8 吕德奎，沈雨，张凤梅，等.基于物联网的三维数字园区管理信息系统的设计与实现J.现代测绘，2015，38(3)：44-46.9 李晗.三维GIS在智慧城市中的应用分析J.智能建筑与智慧城市，2021(12)：30-31.10 曹伟超，古晓东，刘江，等.大熊猫国家公园建设测绘地理信息保障服务初探J.科技创新与应用，2018(33)：68-70.11 王树臣，刘文锋.BIM+GIS的集成应用与发展J.工程建设，2017，49(10)：6.12 徐晓峰，张皓琳，孙志超.天地一体化森林防火监测体系建设J.林业资源管理，2019(5)：9.13 黄国胜，刘谦，史京京.大数据时代林地一张图建设构想J.林业资源管理，2018(3)：5.(编辑 卢靖冉)