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2019 , Vol. 39 >Issue 5: 742 - 748

DOI: https://doi.org/10.13284/j.cnki.rddl.003163

The Design and Implementation of a Virtual Reality Based Geographical Environment Monitoring System for a Remote Island

  • Wenzhou Wu 1, 2 ,
  • Yu Zhang , 1, 2 ,
  • Fenzhen Su 1, 2
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  • 1. State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
  • 2. Collaborative Innovation Center of South China Sea Studies, Nanjing 210023, China

Received date: 2019-03-07

  Request revised date: 2019-07-25

  Online published: 2019-11-08

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Copyright reserved © 2019
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Abstract

This study analyzes the present technologies related to environment sensing and intelligent crisis response, and integrates Virtual Reality (VR) and Internet of Things (IoT) technologies to implement a real-time geographical environment monitoring system aimed at solving the real-time monitoring and intelligent reaction needs of the ecological monitoring and protection of a remote island. The system adopts Browser/Server (B/S) architecture that contains four layers, a sensor layer, network layer, service layer, and application layer, forming complete technical processes beginning with data perception, data transmission, and data computation and finalizing in data application. Tables are designed according to environmental monitoring sensors that are mainly utilized in the water, soil, meteorology, and vegetation monitoring, thus achieving a unified storage and management system of multi-source heterogeneous sensor data. IoT technology is adopted to connect the sensors, servers, and computers into a unified network that achieves wireless transmission and both the access and remote storage of geographical environment data (e.g. water, soil, air and biology) from which the dynamic changes of water quality in the harbor, soil drought in the thicket, and meteorology in the island area can be displayed and evaluated; in this manner an early warning for abnormal changes in the environment can be obtained. VR technology is used to navigate and perform operations in both the indoor and outdoor modeled and integrated island scenery. Moreover, by integrating VR and IoT technologies, remote control of the intelligent sensing device is achieved; for example, this control is applicable for vegetation watering valves and lights. Using this system, a manager can not only obtain real-time geographical environment data and identify any abnormal changes of environmental features, but also remotely control intelligent sensing devices. Consequently, manual management of the island is no longer needed, and working efficiency is improved.

Key words： Virtual Reality; Internet of Things; island; 3D scene modeling; geographical environment monitoring

Cite this article

Wenzhou Wu , Yu Zhang , Fenzhen Su . The Design and Implementation of a Virtual Reality Based Geographical Environment Monitoring System for a Remote Island[J]. Tropical Geography, 2019 , 39(5) : 742 -748 . DOI: 10.13284/j.cnki.rddl.003163

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
我国是海陆大国,具有丰富的岛礁资源。远海岛礁作为海洋上的陆地,具有重要的战略地位与价值,是开发利用海洋的远涉基地和前进支点,所涉及的领土、领海、毗连区及专属经济区等相关权利和利益巨大（张荷霞,2014;赵焕庭 等,2015;Jiang et al., 2018）。远离大陆的珊瑚岛礁,其陆域稀缺、环境恶劣,不适宜长期居住,岛上管理人员稀少,其生态环境监测与保护若依靠传统的人工方式,无法满足环境要素实时监测与灾害事件应急处置的及时性需求。因此,亟需引入物联网技术与虚拟现实技术,以实现远海岛礁地理环境要素的实时监测与智能处置,为岛礁生态环境保护提供重要的数据和技术支撑。
虚拟现实技术集计算机、电子信息与仿真技术于一体,通过计算机模拟虚拟环境给人以环境沉浸感;物联网技术通过传感器、射频识别技术、全球定位系统等装置与技术,实时采集目标要素,并通过网络接入实现物与物、物与人的泛在连接,实现对目标要素的智能化感知、识别和管理。当前,GIS技术与两者的结合已成为一种趋势,被应用于矿产资源（李景丽 等,2017）、农业（徐建国 等,2018;孙治贵 等,2018）、城市环境（Virtanen et al., 2015）、灾害防治（Havenith et al., 2019）等方面,以满足实时环境感知与分析决策的需求（Yue et al., 2015; Huang et al., 2016; Lv et al., 2016; Wang et al., 2016）。然而当前仅是虚拟现实或物联网技术与GIS技术的单方面结合,缺乏利用虚拟现实技术构建三维仿真场景,并辅以物联网技术实现虚实一体化的环境要素感知与智能分析决策方面的应用。此外,海岛礁信息系统建设仅侧重于数据管理与分析,以及面向海陆一体化的岛礁三维场景建模（郗笃刚 等,2010;李德仁 等,2012;Cros et al.,2014;吴蔚 等,2015）,缺乏物联感知与分析决策,难以满足实时环境监测与智能处置的需求。
鉴于此,本文综合考虑虚拟现实与物联网在场景渲染、环境感知与信息互联等方面的技术优势,拟设计研发远海岛礁地理环境监测系统,用于解决该区域环境要素实时监测与智能危机处置等问题,以期为远海岛礁的智能化管理提供科学参考。

1 系统需求分析

系统总体目标为：满足远海岛礁生态环境保护与有效监管的需求,提升地理环境要素实时感知与智能危机应对的能力,综合利用虚拟现实技术、物联网技术与GIS技术,研发远海岛礁地理环境监测系统,实现岛礁虚实一体化的环境要素实时感知与互操作。
为实现上述总体目标,分析明确系统功能需求,主要涉及：1）三维场景漫游,在岛礁三维场景建模的基础上,实现岛礁室内外场景的无缝漫游;2）岛礁综合状态显示,在岛礁地理环境要素评估建模的基础上,依据传感器实时采集数据评估各要素所处的状态;3）在线监测与预警,主要依据地理环境要素特征部署传感器,实现环境要素的实时感知,并对异常情况进行预警;4）远程智能控制,主要利用物联网技术实现虚实一体化的水阀、路灯的远程控制;5）查询与分析,实现针对地理环境要素历史与当前变化情况的统计分析;6）空间量算,实现对距离、面积的测量（图1）。
图1 系统主要功能

Fig.1 Main functions of the system

2 系统总体设计

2.1 总体架构设计

系统综合利用物联网、虚拟现实和GIS等技术,采用B/S结构进行系统框架设计,包括感知层、网络层、服务层和应用层共4层体系（图2）。
图2 系统架构

Fig.2 The structure of the proposed system

感知层：感知层处于整个系统架构的最底层,主要负责岛礁港池内水体、岛上气象、绿化区土壤和树木周长等岛礁环境监测要素的采集与获取,并通过网络层将数据传输至远程服务器。感知层监测仪器主要包括多参数水质监测仪、高精度气象站、土壤温度/湿度/水势传感器、树木周长传感器等。
网络层：网络层是整个系统架构的数据传输枢纽,主要负责实时监测数据的传输、接入和远程存储。数据传输网络主要包括短距离有线传输和长距离无线传输。短距离有线传输是将岛上传感器通过有线方式连接到数据采集箱,由数据采集箱存储实时监测数据。考虑到传感器布设位置的分散性,为降低布线困难,每个据采集箱只负责一个或几个邻近位置的传感器的监测数据收集。长距离无线传输是借助据采集箱的无线传输模块,采用GPRS移动通信技术将其存储的实时监测数据无线传输至互联网,并存储至远程数据服务器。
服务层：服务层在整个系统架构中处于网络层与应用层之间,在数据交互中起承上启下的作用,主要提供传感器状态异常预警、地理环境监测要素异常预警、地理环境综合状态评价、历史数据查询分析等服务,并注重数据资源组织与管理、高性能计算、智慧决策等,其中涉及到数据挖掘、机器学习等分析方法。
应用层：应用层在整个系统架构位于最顶层,是整个系统与用户进行互动的窗口,以可视化的方式展示岛礁地理环境监测系统的各种逻辑功能,最终形成从智能感知到智能服务的一整套理论与方法体系。
综上所述,感知层侧重解决“感”的问题,网络层侧重解决“传”的问题,服务层侧重解决“算”的问题,应用层侧重解决“用”的问题,4个层次组成一个有机、完整的系统架构,缺一不可。

2.2 数据库设计

数据库设计主要是针对不同传感器实时监测的数据进行存储与管理。将岛礁水、土、气、生（植被）等不同专题的监测仪器划分为3类：第一类包含多个传感器,可以同时监测多个参数,如多参数水质监测仪、高精度气象站;第二类只含有一个传感器,只监测一个参数,如树木周长传感器;第三类虽然只含有一个传感器,且监测一个参数,但这些传感器用于监测同一专题且布设于同一空间位置,可以将这些独立的传感器合并看作为一个多参数监测仪器,如土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤水势传感器可以合并看作为1个土壤监测仪,此时即为第一类。考虑到数据库的可扩展性和可维护性,针对不同类型、不同粒度的异构传感器,设计了监测站点表、监测仪器表、传感器表、监测要素表、监测专题表等（图3）,解决多源异构传感器的集成与管理问题。
图3 传感器表格设计

Fig.3 The design of sensor-related tables

1）监测站点表：用于存储监测站点的空间坐标,实现对监测仪器的空间定位,包括站点的编号、名称、坐标等字段,并通过站点编号字段与监测仪器表进行外键关联。每个监测站点布设1个或多个监测仪器,每个监测仪器只从属于1个监测站点。
2）监测仪器表：用于管理监测仪器,包括仪器编号、仪器名称、站点编号和专题编号等主要字段,并通过仪器编号、专题编号分别与传感器表、监测专题表进行外键关联。不管监测仪器包含1个还是多个传感器,都将其看作1个监测仪器。相对于传感器而言,其层次较高、粒度较粗。
3）传感器表：用于管理所有监测仪器含有的传感器,包含传感器编号、监测要素名称、监测要素数值单位、仪器编号等主要字段。每个传感器只从属于1个监测仪器,与监测仪器表通过仪器编号字段进行外键关联,可以查询某个传感器从属于哪个监测仪器或某一监测仪器包含哪些传感器。由于每个传感器可以监测1或2个要素,如多参数水质监测仪中的“温度电导传感器”,为1个传感器,但能够同时监测温度和电导率2个要素,因此该表中传感器编号和监测要素名称2个字段联合作为主键。
4）监测要素表：用于存储所有传感器在不同时刻的监测要素值,是随着时间增长数据记录增加的“动态表”,包括传感器编号、采集时刻、监测要素名称、监测要素数值等字段。
5）监测专题表：用于存储不同类型监测仪器的专题用途,如用于监测水体、土壤、气象、植被等专题,包括专题编号、专题名称等主要字段,并通过专题编号字段与监测仪器表进行外键关联,可以查询每个监测专题下布设有多少个监测仪器。
当新增加1个监测仪器时,只需将该监测仪器的专题用途、布设位置、包含的传感器等信息插入到监测专题表、监测站点表、监测仪器表、传感器表中,作为静态信息进行表维护,而其包含的传感器监测的实时要素值则统一存储于监测要素表中。

2.3 系统功能设计

2.3.1 三维场景漫游模块 该模块主要实现岛礁三维场景的实时渲染,并可进行场景漫游,涉及岛礁室内外场景漫游等功能。
1）室外场景漫游：根据预先设定的路径、飞行高度与角度等相关参数,由系统自动控制摄像机漫游岛礁三维场景。
2）室外向室内场景漫游：在三维场景中按照行走方式从室外走进室内,这一过程中建筑物大门可自动打开。
2.3.2 岛礁综合状态显示模块 该模块主要根据传感器的实时监测数据,对环境监测要素状态进行综合评估与显示,包括岛礁港池水质综合状态评价、绿化区土壤干旱状态评价和岛礁气象状态显示等功能。
1）水质综合状态评价：根据监测的pH值、溶解氧、浊度等要素评估岛礁港池内水质,将评估结果分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4级,对应于水质从优到差的变化,并显示当前水质状态。
2）土壤干旱状态评价：根据监测的土壤温度、湿度、水势等要素评估绿化区土壤干旱状态,将评估结果分为严重干旱、干旱、轻微干旱、无旱4级,并显示当前干旱状态。
3）岛礁气象状态显示：显示岛礁上的实时气象要素信息,包括气温、空气湿度、风向、风速、紫外辐射、地表温度等要素。
2.3.3 在线监测与预警模块 该模块主要实现传感器状态在线监测、地理环境在线监测、监测要素异常预警等功能。
1）传感器状态在线监测：在三维场景中显示并定位监测仪器的站点位置,查看监测仪器包含的各个传感器的物理参数信息,并能够显示传感器的工作状态,对异常状态进行警报。
2）地理环境在线监测：以曲线图展示岛礁水、土、气、生（植被）等环境要素的实时变化,其中水体监测主要包括海水温度、电导率、pH值等;土壤监测主要包括土壤温度、湿度、水势等;气象监测主要包括风速、风向、空气温度等;植被监测主要包括树木周长。
3）监测要素异常预警：当某个监测要素值超过阈值库中设定的阈值时,系统发出异常警告。
2.3.4 远程智能控制模块 该模块主要通过物联网技术,实现岛礁绿化区浇灌水阀、岛上路灯的远程开启与关闭。
1）水阀控制：在三维场景中打开水阀模型,水阀模型以粒子流的效果显示喷水,同时系统将“打开”命令通过网络传递给现实中的对应智能水阀,现实中的水阀开始喷水;当关闭水阀模型时,水阀模型停止喷水,同时现实中的水阀也停止喷水。
2）路灯控制：在三维场景中打开路灯模型,路灯模型以光亮效果照亮周围,同时系统将“打开”命令通过网络传递给现实中的对应路灯,现实中的路灯发光;当关闭路灯模型时,现实中的路灯也立刻关闭。
2.3.5 查询与分析模块 该模块主要实现三维场景中模型属性查询,以及水、土、气、生（植被）等环境监测要素的历史数据查询、统计分析与对比分析等功能。
1）三维模型属性查询：在三维场景中能够通过鼠标点击查询每个模型的属性信息。
2）历史数据查询：查询一定时间段内各监测要素的变化情况,并提供该时间段内的数据下载功能。
3）统计分析：按时间粒度划分为日/周/月/季/年报表5种。其中,日报表按小时统计,周报表和月报表按天统计,季报表和年报表按月统计,可显示各监测要素的日/周/月/季/年的平均、最大值与最小值等统计结果,并将统计结果以表、图形和文字的形式输出。

2.4 开发与运行环境

采用IntelliJ IDEA 2017作为开发平台、Java作为开发语言;利用Oracle数据库管理异构传感器实时监测数据;利用ArcSDE空间数据引擎管理地理空间数据;采用ArcGIS Portal作为地图服务器;使用ArcGIS API for JavaScript进行Web服务系统开发与实现。

3 系统关键技术

3.1 三维场景建模技术

依据远海岛礁地貌形态特征,地物类型差异及其空间分布特点建立相应的三维模型,实现远海岛礁三维场景渲染：以实地环境调查数据为基础,利用3D MAX建模工具在材质编辑、灯光处理与后期渲染上的强大优势,实现针对植被、道路、路灯、风机、建筑物等地物的三维建模,依据各类地物形态特征进行实际纹理贴图,以展示较为真实的岛礁三维场景。

3.2 服务发布技术

利用ArcGIS Pro的三维模型管理功能,将精细建模（建筑物）与批量创建的远海岛礁地物模型（植被、道路、路灯、风机等）整合,形成覆盖岛礁全方位的三维场景,并借助ArcGIS Pro的三维渲染功能实现岛礁三维场景渲染,最后利用Portal for ArcGIS三维场景服务发布技术,生成各三维图层的网络服务URL地址,供Web系统调用加载。

3.3 Web三维技术

为了让用户足不出口就能够身临其境地掌握现实中远海岛礁上的水、土、气、生（植被）等地理环境实时信息,利用Web三维技术,在远海岛礁三维模型服务发布的基础上,实现三维场景的无缝浏览与互操作。不需要预先下载客户端,可自由查看各监测要素的动态变化,并可实现虚实一体化的远海岛礁相关智能感应设备的远程操作,大大提升了用户的体验感。

4 系统实现

目前已成功在远海岛礁上布设了水、土、气、生（植被）等地理环境专题的监测仪器,并将获取的地理环境监测要素通过无线传输技术接入到远程数据服务器,供系统显示、分析。图4为系统的主界面,由顶端窗口、左侧窗口、右侧窗口、中间窗口组成。其中,顶端窗口用于显示系统的标题栏和菜单项,左侧窗口用于显示系统的综合监控与异常预警信息,右侧窗口用于显示远海岛礁地理环境专题要素实时动态;中间窗口用于远海岛礁三维场景可视化。
图4 系统主界面

Fig.4 The main interface of the system

岛礁三维场景自由浏览与漫游是系统最基本的可视化功能。通过鼠标左键控制三维场景的平移操作,鼠标右键控制三维场景的旋转、俯仰视角等,鼠标滚轮控制三维场景的缩放操作。图5为远海岛礁某建筑物三维可视化,通过旋转、俯仰角、平移、缩放等操作,可以实现对感兴趣场景信息的浏览与漫游。
图5 岛礁三维场景局部漫游可视化

Fig.5 3D visualization of a local scene

为了便于岛礁管理人员足不出户就可以对远海岛礁进行远程智能管理与控制,以远程水阀控制为例进行测试与验证。管理人员在虚拟场景中开关水阀的同时,真实场景中也进行相应的水流控制响应（图6）。
图6 水阀智能控制

Fig.6 Smart control of water valve

5 结论与讨论

远海岛礁生态环境实时监测与智能处置,对提升岛礁信息化监管能力,最终建设形成集全方位感知、智能危机应对与虚实一体化的智慧岛礁具有重大意义。鉴于以往物联网系统注重物联感知而缺少三维场景可视化,虚拟现实系统注重三维场景可视化而缺少物联感知的短板,本文充分结合物联网和虚拟现实技术,面向远海岛礁生态环境实时监测与保护等重大需求,研发了基于虚拟现实的远海岛礁地理环境物联网监测系统,实现了虚实一体化的环境要素感知与智能管控,为远海岛礁生态环境保护与有效管理提供重要数据和技术支撑。
在未来工作中,可考虑引入语义网技术（Janowicz et al., 2012; Li et al., 2012; Zhang et al., 2015）,形成围绕环境感知与智能危机应对的统一物联网语义描述框架,以增强针对岛礁环境监测与危机处置等相关知识分析与推理的能力,从而提高从环境要素感知、智能分析到智能处置等一整套处理流程的有效性,最终形成一整套较为完善的远海岛礁智慧化管理的理论与方法。

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