基于移动GIS的生态环境智能感知方法

杨 志，张 华,张 磊,王 成，张春菊

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

2018年全国两会审议通过了《深化党和国家机构改革方案》，不再保留国土资源部、国家海洋局、国家测绘地理信息局，将其职责整合，组建自然资源部，建立自然资源有偿使用制度[1]。生态环境是自然资源的重要组成部分。我国长期以来的粗放式发展，对资源的掠夺、对环境的巨大破坏，造成生态环境问题愈发严重[2]。在这样的长期快速发展中累积的资源环境约束问题日益突出，生态环境问题已经严重制约了我国经济社会的发展。党的十九大报告将坚持人与自然和谐共生作为新时代坚持和发展中国特色社会主义的基本方略之一，将建设美丽中国作为全面建设社会主义现代化国家的重大目标，提出着力解决突出环境问题。习近平总书记更是着重强调了“绿水青山就是金山银山”的理念，在决胜全面建成小康社会的阶段，不可否认的是，小康全面不全面，生态环境质量是关键。

随着全球范围移动互联网的高速发展，新一代网络应用模式逐渐成为人的“第二生命”，人们作为“传感器”行走在真实社会中制造实时的、实地环境的、大范围的地理信息[3-4]。特别是具有互动性和实时性的区域环境状况的地理信息。这类数据具有交互性、实时性、丰富性、社会性等特点，成为数据科学家眼中的金矿[4-5]。随着互联网的高速发展，越来越多的人开始思考，将“互联网+”的思想运用于环保领域，以及将移动客户端、云计算、大数据这些新技术方法与环境保护相结合。许多欧美国家开始将互联网与环境信息监管相结合，提出智慧环保的理念。例如，英国环保局制作了可以让公众查到环境质量信息、污染源信息和历史污染源信息的网站[6]，哈佛大学和BBN公司合作开发出的城市环境监测传感网络City Sense可以报告整个城市实时监测数据的无线传感网络项目[7]。相比于国外，中国起步较晚，但近年来在“互联网+”的浪潮中，学者研究人员、地区政府部门及环保产业公司等各方都纷纷进行了该思想的尝试。例如，陕西省正式上线环保公众监督互动平台[8]，阿里巴巴发布蔚蓝地图，尝试将互联网和环保行业结合等[9]。但是，这些新的尝试更倾向于政府部门或科研机构与公司进行合作，缺乏公众参与环节，尤其是国内，这种情况尤为突出。公众对环境保护的关注度低，参与渠道单一。然而，引导和鼓励公众参与是环境保护的重要内容之一[10]，我国目前公众参与环境保护在广度和深度两方面都有较大的发展空间。

基于“互联网+”时代背景，随着移动互联网、移动GIS技术和LBS技术日趋成熟，本文提出基于移动GIS的生态环境智能感知方法，研发生态环境智能感知系统，从大众的视角感知和获取生态环境信息，为大众提供实时动态环境信息查询方式，引导鼓励公众参与环境保护，提供治理环境污染新思路。

1 环境信息数据库设计与实现

1.1 需求分析

目前，公众对环境保护的认知程度低，参与的形式单调、渠道单一[11]。随着移动互联网、移动GIS技术和LBS技术日趋成熟，基于移动GIS的生态环境感知需求如下：当用户使用客户端软件时，系统能够向用户提供环境概况信息，向用户展示污染地图，以及对于用户出行、着装建议等；当用户发现污染问题时，用户可以用带有GPS定位功能的终端设备通过拍照、文字的方式将污染问题上传到系统，并且可以浏览、评论其他用户分享的环境问题；管理员可以对污染问题进行处理，与用户互动，并且基于系统提供的专题图、统计信息进行决策[12]。另外，系统的性能需求包括：计算机系统能够满足所有功能和数据处理的要求；兼容性高，易于同现有设备相连接；网络功能强，系统建立在一个强大的网络功能基础上；使用方便、稳定性高。

1.2 数据库逻辑模型

环境信息数据库存储的数据包括用户信息数据、污染事件数据、专题数据等，逻辑模型如图1所示，可以对空间数据、属性数据进行存储、管理、查询、增删和修改。环境信息数据库采用MySQL与Geodatabase相结合的方式进行组织和存储，包括基础环境信息表、用户上传的环境信息表、污染评论回复表、用户个人信息表、专题数据表。基础环境数据由已有的监测站的监测信息和通过智能检测传感器获得，具体包括监测站编号、监测站名称、位置信息、环境质量数据。用户上传的污染信息主要为用户在某地发现污染事件，经过拍照、视频、文字对产生的污染事件进行的描述，主要包括污染信息ID、媒体数据、文字信息、位置信息等。污染评论与回复表主要包括公众和管理人员之间关于解决环境问题的互动数据，其内容包括污染事件ID、评论、回复内容事件、事件、用户ID等。用户个人信息表主要存储用户名、密码、ID、积分等个人数据。专题图数据主要包括基础底图数据、基础环境数据属性层、用户上传的污染情况属性层，用于进行空间分析和可视化表达。

2 基于移动GIS的生态环境智能感知系统

2.1 系统体系架构

本文系统采用B/S、C/S体系架构，如图2所示，底层数据为基础环境数据、用户信息、用户环境数据、专题图数据[13]。采用MySQL存储和管理各种位置信息、属性信息，Geodatabase存储专题图数据。应用服务层由Apache Tomcat服务器结合百度Map服务器和ArcGIS Server组成，采用Myeclipse10.0+Java JDK1.7平台开发本地服务端，地图操作部分由百度地图完成，由ArcGIS Sever平台和本地服务器搭建服务端进行专题图操作，客户层由客户端和网页端组成，采用Android平台和JavaScript嵌入百度地图API、ArcGIS API，以及将用户的查询、访问操作通过HTTP请求与服务器通信。

2.2 系统功能实现

本文系统采用客户端通过Android Studio 2.3进行开发，通过调用百度Map接口实现地图操作，基于HTTP协议与服务器通信，服务器使用Myeclipse10.0+Java JDK1.7平台开发、数据库采用MySQL和Geodatabase相结合的方式。通过调用PM25.in接口和天气接口实现基础环境数据采集，用户通过智能终端使用APP进行实现查询环境质量指数、查看环境污染地图、污染分享和解决。

2.2.1 用户位置环境概况查询

如图3所示，该系统软件通过腾讯天气的接口，定位到用户目前所处位置，用户可以查询具体各个时段的天气状况，同时包含了天气预报、穿衣指数、交通指数、运动指数、出游指数等信息，旨在为用户提供更全面、更便捷的生活服务。

2.2.2 用户信息管理

用户分为普通用户和管理者，普通用户即民众，管理者为各地区环境监管部门及环保协会等组织，各地区管理者针对用户所共享的问题进行协调解决并反馈至系统中，用户可以查询到问题的解决进度。

2.2.3 大气环境质量获取及分析

人们对所生活的环境中空气质量非常关切，能否实时地反映周边的空气质量成为人们迫切关注的问题。通过百度地图API，以合肥市为例，通过PM25.in网站可以获取设立在合肥市的监测站所采集到的基础环境数据，将这些数据进行可视化分析，从而用户可以使用该系统软件随时查看自己所处位置的空气质量指数、污染指数及首要污染物等信息(如图4所示)。

2.2.4 环境问题的共享及问题追踪

环境是人类社会赖以生存和发展的物质基础，而环境问题往往与地理空间是相结合的。在进行一个地区环境质量评价和分析时，大多以行政单位为对象进行评价，从而每个地区只能反映出一个平均值，然而却掩盖了无法实际反映一个点的环境状况的问题，精度不高[14]。用户可以通过该系统随时将自己所发现的环境问题及其位置上传到网络中进行共享，从而引起更多人的关注。同时其他用户可以查看到这一问题的实际地点，从而精确定位并解决问题。管理员可以是环保部门人员也可以是政府部门人员或社区物业人员，他们可以对于污染问题及时进行实地了解并联系有关部门进行处理，向公众回复处理进程。环境问题共享及问题追踪如图5所示。

2.2.5 空间插值分析功能

本文系统采集的监测站数据只是局部、离散、有限空间点的数据，需要通过空间插值的方法来获得连续有序的空间数据。空间插值的方法有反距离加权法、泰森多边形法、多项式回归法、克里金法等。克里金空间插值方法是基于一般最小二乘算法的随机插值技术，用方差图作为权重函数，可被应用于任何需要用点数据估计其在地表上分布的现象，被广泛应用于地理科学、环境科学、大气科学研究[15]。本文采用克里金空间插值方法生成专题图，将离散的监测站数据通过克里金空间插值可得到连续区域内空气质量状况，并且辅助图表展示各种污染物的变化趋势，帮助用户了解自己所在位置的空气质量和在空间上污染分布情况，并且有助于管理者进行规划决策和环境治理工作。可视化分析功能如图6所示。

3 结 语

本文基于移动互联网的高速普及和“互联网+”浪潮的时代背景，综合利用地理信息系统、移动互联网、LBS服务等技术，开展基于移动GIS的生态环境智能感知方法研究，开发基于Android平台的APP，实现查询环境质量指数、查看环境污染地图、污染一键分享和解决等功能，从而引导更多的社会公众参与环保工作，掌握公众参与环保的态度和行为模式，从公众的角度反映环保工作的重难点， 形成测绘地理信息资源获取的新思路，推动测绘地理信息科学的社会化、大众化和智能化发展。