物联GIS及其应用

吴长彬

一、物联网概述

物联网是时下非常时髦的一个名词。所谓物联网（the internet of things），指的是将各种信息传感设备，如射频识别装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等与互联网结合起来形成的一个巨大网络［1］。新事物总是容易受到追捧，如同当初互联网刚出现的时候，物联网似乎正成为一种新的“概念经济”［2-3］。无锡正举全市之力努力打造中国的“传感中心”，把无锡建成传感网信息技术的创新高地、人才高地和产业高地［4］。南京、苏州紧随其后，许多厂商正纷纷加入物联网产业链。

从技术架构上来看，物联网可分为3层:感知层、网络层和应用层。目前我国物联网所需要的自动控制、信息传感、射频识别等上游技术和产业已经基本成熟，而物联网所需要的整体系统架构、基础软件体系平台及多领域的感知应用尚处于起步阶段［5］。

二、空间信息技术与物联网

1.物联网中的地理位置特征

日常生活中的信息80%跟地理位置有关，因而GIS可以应用于各个社会行业。GIS具备位置、时间、属性三大特征，物联网中被嵌入射频识别装置的“物”也同样具备这三个特征，可将其看做设备或设施资源的一种［6］，正如目前的电力、给排水、银行设施一样，也需要空间位置的管理、路径的查询分析、资源配置和调度等功能，故物联网仍然离不开GIS。为了与其他GIS应用相区别，暂且给它一个名词——物联GIS，即与物联网结合的具备位置感知智能的GIS技术。而且，物联网的普及可能是GIS社会化的又一重大契机，如同现在的地图导航应用一般。可以设想，不久的将来，我们也可以在手机等电子设备里通过装载地图实时地查看、监控各类物品的当前位置和状态，从而更加直观和方便。

2.物联网的空间信息采集

为了进行物联网下物体的空间定位，必须进行空间信息的采集。红外技术、GPS、遥感传感器、三维激光扫描等先进的技术已经广泛应用于现代测绘和地理信息系统中，物联网的空间信息采集仍然离不开这些技术。反之，物联网本身也为GIS提供了一种新的信息采集方法，拓展了GIS的管理范畴。从这个意义上看，物联网与GIS是一种互相交融的关系。

3.物联网与虚拟地理环境

在当今互联网的世界里，人们已经习惯了网上的虚拟世界。物联网的普及则将这个虚拟世界进一步延伸到与我们生活息息相关的各种实物中。由此，我们过去所讲的数字城市、虚拟社区等将被赋予新的内涵。物联网技术将成为虚拟现实技术里的一个新的而且是最有力的神经末梢。过去我们在虚拟地理环境中强调的以“人”作为本体也将延伸为以“人—物”为本体。

三、物联GIS需要解决的关键技术问题

1.复杂的空间关系和时空数据模型

空间关系是GIS里非常重要的一个问题，通常GIS下的空间关系包括拓扑关系、度量关系、顺序关系。其中拓扑关系最为重要，目前GIS管理的大多数还是静态的空间关系。关于GIS时空关系问题，目前比较常见的有基于快照、基态修正，以及基于事件的时空数据模型。具备移动特征的物体间复杂的空间关系及移动物体的时空数据模型尚不成熟。

物联网下的“物”作为新的一种空间对象，除了具备位置特征外，还有一种很强的特征，即“移动”特征。它会不停地变换空间位置，是一种连续运动的、没有规律的时空对象，信息必须进行实时的更新。其空间拓扑关系更应是一种复杂的时空拓扑关系，传统的数学模型无法很好地描述。因而，如何表达和描述物联网的“物”之间复杂的关系和关联问题，成了亟待解决的一个课题。

2.海量空间数据管理与云计算

有人预测，物联网将有亿万级的设备加入［4，8］，且不断增长，这样的信息将是海量的。随着计算机存储技术、空间数据库等的发展，目前在GIS里已经能够存储和管理海量的数据，物联网设备的数量与其他的空间数据相比，应该不算什么。但是由于它们是实时更新的，而不像通常的GIS里隔一段相对较长的时间更新，它们的历史数据也需要被存储，其数据量将呈级数增长，加上关联的其他信息，对数据存储仍会是一个巨大的考验。在数据存储单元上，笔者认为不适合以行政区为单位，因为这些“物”会经常变换地理位置，采用网格单位的管理模式划分是比较适宜的。物联网的地理信息服务要求非常快捷，对空间查询和分析的效率要求极高，在云计算成熟的情况下应该是可以做到的。

3.面向大众“人—物”公共信息共享平台

另外一个需要解决的问题就是信息共享问题。通过不同途径、不同部门采集的各种电子信息（包括空间信息）可能是多源异构的，这些信息如果不能互联共享，则必然会出现障碍。近年来，我国加大了数字城市建设的力度，在多个城市打造了城市公共信息平台，目的就是使各行各业能够通过城市“一张图”共享信息。物联网采集的空间数据也应该能够加入这个信息共享平台，它应该是真正面向大众，基于面向服务SOA架构的，支持语义、语音等形式，联接诸如智能社区管理系统等应用系统的，实现人与物自由畅通交流的平台。这才是真正的“智慧城市”。物联网即将全面影响城市空间结构与布局［7］。

根据以上分析，可以初步得到物联GIS的技术解决架构，如图1所示。

图1 物联GIS技术架构

四、应用实例

下面以一个数字化矿山系统为例说明物联GIS的具体应用。由于采矿井下作业处于地表深处，地质条件复杂，环境恶劣，瓦斯、粉尘、水害、顶底板事故、火灾隐患等难以探测和辨识，大型事故时有发生，给我国采矿生产造成了重大损失，也极大地危及了矿工的人身安全。无法对各种设施进行全面的监测和监控，往往导致矿山在开拓设计、巷道布置、采掘设计、接替安排、进尺计划等生产方面没有充分的安全性、可靠性和合理性保障。利用物联网的射频识别（RFID）技术可自动完成矿山各类信息的自动采集，而这些采集好的信息通过GIS则可以得到实时的定位、展现和监控。该系统提供了矿山全景三维视图，并在场景中集成自动化控制设备（提升系统自动化、充填系统自动化、选矿系统自动化、运转系统自动化、数字视频监控系统、安全监管自动化等），可与现有的生产管理系统、安全监控系统、人员定位系、视频监控系统进行实时数据交换，以实现人员定位、安全监测、设备管理、应急管理、安全巡检等场景全息化、生产可视化管理功能，见图2。

五、物联网在行业中的应用展望

物联网可广泛应用于城市建设、物流运输、公共安全、智能交通、智慧医疗、智慧教育、智慧能源、智能电网、智慧海洋［9］等多个领域［10］，某些行业目前已经出现一些成功的案例。以智能交通为例，采用射频识别技术，在汽车上安装“电子标签”，使高速运行的车辆能够“被感知”，相关数据能够实时采集、整理和分析，有效解决车辆自动识别、动态监测及流量精确预测等难题。据报道，南京将在两年内，利用物联网技术构建一个以全面“感知”为基础的新型智能交通系统，从而加强城市交通管理。

图2 矿山设备的虚拟三维管控界面

再以国土资源管理为例，也涉及一些需要被实时“感知”的信息，如地质灾害，滑坡、泥石流都等都可以通过物联网技术进行远程监控和掌握，甚至可以根据采集的一些前兆信息进行及时的识别并预报，尽可能降低危险。另外物联网未来可广泛应用于局部重点地区，如基本农田、矿产资源的动态监测。目前全国正在着力建立国土资源的“一张图”，将遥感、土地利用现状、基本农田、遥感监测以及基础地理等多源信息有效地整合起来。物联网技术的应用，将使全天候、自动化的监测成为可能，不再需要土地执法人员肉眼巡查。可以通过植入芯片，将每个私挖滥采点、土地的地块进行连接，只要出现违法行为，第一时间就可以将信息反馈到执法人员那里，进行查处、制止，从而实现国土资源执法的“早发现、早制止、早预防”。

六、结束语

地理信息最本质、最重要的就是信息的整合、共享，即提供地理信息服务。物联网采用的是给在流动的物件赋予特定的身份标记，其目的也是实现信息的有效整合、共享，并为社会大众提供服务，地理信息服务是其中的重要一项内容。因而，可以预见，物联网的普及必将进一步推动空间信息技术的发展。从产业上讲，物联网也将为空间信息技术提供广阔的舞台，机遇与挑战并存。

［1］ 百度百科.物联网［EB/OL］.［2012-04-01］http:∥baike.baidu.com/view/1136308.html?wtp=tt.

［2］ 于正凯.概念经济的产生与传播——以物联网经济为例［J］.新闻与传播研究，2010（2）:16-17.

［3］ 扬帆.“物联网”——热概念的冷思考［J］.通讯世界，2009（10）:52-52.

［4］ 胡向东.物联网研究与发展综述［J］.数字通信，2010（4）:17-21.

［5］ 李清泉，李必军.物联网应用在GIS中需要解决的若干技术问题［J］.地理信息世界，2010（5）:7-21.

［6］ 乔彦友，李广，常原飞，等.基于GIS和物联网技术的基础设施管理信息系统［J］.地理信息世界，2010（3）:17-21.

［7］ 陈曦，翟国方.物联网发展对城市空间结构影响初探——以长春市为例［J］.地理科学，2010，30（4）:529-535.

［8］ 张南.中国移动:物联网是“万亿级”产业［N］.通信世界周刊，2009（7）.

［9］ 周立，谢宏全，董春来，等.海洋物联网展望［C］∥地理信息与物联网论坛暨江苏省测绘学会2010年学术年会.南京:［s.n.］，2010.

［10］ 陈云，张华，张益平.关于我国物联网产业发展的思考与建议［J］.科技管理研究，2010（20）:103-106.