摘 要:国土资源是一个基础性、战略性的资源。国土资源的科学保护对一个国家的生存、发展起到至关重要的作用。本文主要阐述如何利用无线传感器网络,探索构建国土资源地质环境动态监测系统,及时获取国土资源变化情况,为国土资源管理和业务工作提供科学依据和技术服务。

关键词:无线传感器网络国土资源监测地质环境监测系统

中图分类号:TN98文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)08-0168-02

1 引言

我国正处于经济高速增长期,制约经济社会发展的耕地、淡水、能源和重要矿产资源相对不足。矿区土地占用与破坏、地下水超采、水上污染、地质灾害频发等问题将长期存在。如何在实施地质凋查工作的基础上,建立科学合理的国土资源综合监测体系,成为国土资源管理中亟待解决的问题之一[1]。

典型的无线传感器网络[2,3](Wireless Sensor Network,简称WSN)结构如图1。在监测区域内布置大量传感器节点,节点间采用自组织方式进行组网,利用无线通信技术进行数据转发。传感器节点具有数据采集与数据融合转发双重功能,对本身采集到的信息和其它节点转发给它的信息进行初步的数据处理和信息融合之后,以相邻节点接力传送的方式传送到基站,然后通过基站以互联网、卫星等方式传送给最终用户。WSN以其低成本、低功耗的特点从军用信息监测到民用智能家居,正被广泛应用到各个领域。美国军方已投入巨资对WSN进行研究。我国《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了三个前沿方向,其中两个与WSN直接相关。本文以无线传感器网络为基础,探索构建国土资源地质环境监测系统。

2 国土资源监测现状[4]

目前,我国已经开展的国土资源监测工作,包括土地利用动态监测、地下水监测、地质灾害监测和矿山地质环境监测等。当前国土资源监测网主要存在以下问题:

第一,监测网络不健全。目前,我国虽然已经建立了相对完善的地下水动态、土地利用变化、地质灾害等监测网,但总体说,地质环境监测网存在着规模不够、布局不合理、监测点疏密不均等问题。

第二,技术支撑服务工作滞后。20世纪90年代末期,国土资源大调查专项计划有针对性地开展了土地利用和地质灾害调查监测工作,经过十几年的努力,建立了土地利用动态监测体系和地质灾害群测群防体系,并开始在土地资源管理和地质灾害防灾减灾决策中发挥技术支撑服务作用。但是,国土资源和地质环境监测网络建设速度、覆盖范围和运行能力均赶不上经济社会发展需求,对国土资源管理的技术支撑服务多处于被动应付状态。

第三,监测队伍管理体制不顺。目前,土地利用动态监测主要依托各省(自治区、直辖市)土地勘测规划院和市、县国土局(所)承担,其他专业的国土资源监测工作则依托省级地质环境监测总站(院、中心)承担。而省级地质环境监测总站中近1/3隶属于属地化管理的地质矿产勘查局;在已经建立的地(市)级地质环境监测机构中,近1/3挂靠在地质矿产勘查局下属的处于企业化改革进程中的地勘队伍。由于管理体制不顺,多数挂靠地勘队伍的监测机构难以得到基本的人员费和行政事业费,不得不以市场项目收益贴补公益性工作,或加大监测时间间隔,严重制约着国土资源监测工作公益性功能的发挥,严重影响了为国土资源和地质环境管理决策提供技术支撑服务的效能。

以低成本、高密度、自组织为特点无线传感器网络,可以有效弥补上述不足。无线传感网络是无线Ad hoc网络的一个重要研究分支,由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成,借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多用户关注的物质现象[3]。

3 地质环境监测系统设计

国土资源综合监测.就是采取适当的技术手段.定期监测国土资源和地质环境状况,并对监测资料和数据信息进行分析研究,及时掌握国土资源变动规律和地质环境变化念势,为国家合理开发利用国土资源和保护地质环境提供决策依据。国土资源综合监测的内容可以从两个方面界定:一是对资源变动情况进行监测.二是对地质环境变化情况进行监测[1]。合理开发利用土地等自然资源、保护地质环境、减缓地质灾害损失,是国土资源部监督管理职能的重要组成部分。本小结我们将分别从逻辑上和物理上对国土资源地质环境监测系统进行分析设计。

3.1 逻辑设计

为能够及时查看监测区域状况,实时掌握监测区域变化,系统在逻辑主要包含两方面功能(如图2所示):网络查询和事件监测。

查询系统主要功能在于用户主动发起查询请求,查看整个网络(或部分)监测点的监测状况,监测网实时反馈用户监测信息。利用无线传感器网络可获取高精度的地表三维数据,并通过协同作业的侧视图像进行快速建模,便于地质环境的调查评价。在紧急情况发生时,第一时间获取受灾地区的影像数据,为抢险救灾提供及时的数据保障

时间监测主要在于当监测事件发生时主动反馈用户。通过无限传感器监测成果,及时发现和依法查处被监测区域国土资源违法行为,建立利用科技手段实行国土资源动态巡查监管,违法行为早发现、早制止、早查处的长效机制。

3.2 物理设计

本系统硬件主要包含地质环境监测传感器节点(Sensor Node),监测基站(Base Station/Gateway),监测中心三部分组成(如图3所示)。

地质环境监测传感器节点与监测基站组成小的监控区域,多个这样的网络组成整个资源监测网络,甚至更大范围的远程监测系统。首先,地质环境监测传感器节点采集周围环境参数,并对采集到参数简单处理后,通过无线通信的方式一跳或多跳把数据传输到监测基站。监测基站对数据进行加工(如数据融合,初步分析)后转发给监测中心,由监测中心集中汇集分析处理。监测中心还可以通过Sink节点主动查询某个监测区域的环境参数。

地质环境监测系统的基本组成单位是地质环境监测传感器节点[5],它一般由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元、电源管理单元等功能模块组成,如图4所示。除此之外,地质环境监测传感器节点根据具体应用的需要可能还应该有定位系统、电源再生单元和移动单元等。

其中,传感器单元用来进行外部传感器信号的感知、采集、转换,是整个节点接触外部信号量的模块。然而,地质环境监测传感器是以周边环境为测量对象,由于环境参数大多是微弱信号,一般在mV级别,甚至更低,并且存在多种噪声、工频干扰等。因此,地质环境监测传感器节点设计中,需加入模拟电路处理模块,对采集到的信号进行放大、滤波等处理,去除信号中的噪音、干扰,提取有用信号。处理器模块是传感器节点的核心,负责整个节点的设备控制、任务分配与调度、数据整合与传输等。无线收发模块用于节点之间的数据通信。电源管理单元为节点提供能量,是整个无线传感器节点的基础模块。然而受节点体积限制,传感器节点的能量非常有限。因此,在整个节点设计中,以低功耗、高精度为主要要求,采取一系列有效措施来节省能量,以维持长期监测。

4 地质环境监测系统面临的挑战

虽然无线传感器网络在组建地质环境监测系统方面有其独有优势,但在应用中还存在以下挑战:

(1)资源受限。由于受价格、体积和功耗的限制,传感器节点能量、计算能力、存储空间比普通的计算机功能要弱很多。这一点决定了在系统设计过程中,任何技术和协议的使用都要以节能为前提。在节点操作系统设计中,协议层次不能太复杂。

(2)数据完整性与数据压缩:系统有时需要长达24小时的监测环境参数,但节点存储容量有限,巨大的数据量需要采用压缩算法来减少数据的存储与传输量。然而,压缩算法会损坏原始数据的完成性,影响监测数据的准确性。

(3)数据安全性:系统节点采用无线自组织方式组网,容易受到攻击。但传感器节点资源受限无法采用传统加密算法,因此,数据安全问题必须给予足够重视。

5 总结

国土资源监测是一项基础性、公益性、专业性的工作,在支撑国土资源管理、保障经济社会可持续发展中发挥着重要的作用。国土资源监测既是国土资源管理的重要内容,又是国土资源升发与地质环境保护的“眼睛”[1]。随着技术的发展,传感器节点逐渐向多参数、智能化、微型化、低功耗等方向发展。发展与组建具有智能化的国土监测系统是当今国内外发展的趋势。我们要以科学发展观为统领,以国务院《关于加强地质工作的决定》为指导,以地质找矿改革发展大讨论为契机,健全完善国土资源综合监测体系,为国土资源开发利用与地质环境保护提供更好的技术支撑服务。

参考文献

[1] 侯金武.构建国土资源综合检测体系.水文地质工程地质.2009,36(5).

[2] 毛晓峰.杨珉.毛迪林 无线传感器网络应用综述.-计算机应用与软件.2008(03).

[3] 王靖.信息感知和采集的一场新革命---无线传感器网络的研究及应用.国防技术基础.2007-5-21.

[4] 中国国土资源教育网,构建国土资源综合监测体系. .cn/qkpdf/szjs/szjs201008/szjs201008116.pdf" style="color:red" target="_blank">原版全文