摘 要：为探索海岛监视监测新模式，以“和美海岛”三角岛为例，设计和实现了海岛生态物联网系统，并针对岛内安全管理、环境监测、旅游活动三大场景，围绕生态物联网监视监测要素及指标，建立了三角岛安全、环境、活力3个分项9个评价内容的评价标准及评价方法，实现了三角岛生态物联网监视监测要素—评价方法—业务应用评价体系构建，为海岛生态物联网监测信息化提供实例参考，丰富了无居民海岛监视监测评价体系建设内涵。
关键词：海岛生态物联网；监视监测；评价体系；系统设计与实现；WebGIS
中图分类号：TP311；TP277 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）15-0179-07
Design and Implementation of Triangle Island Ecological Internet of Things System
LU Xin1， SHEN Jian2， LU Lingyan2， Bao Yuyuan2， ZHANG Qunyao2， CHEN Hou2
（1.Guangdong South Digital Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510510， China;
2.Guangdong Ocean Development Planning Research Center， Guangzhou 510060， China）
Abstract： In order to explore a new mode of island monitoring， taking the “Hemei Island” triangle island as an example， an island ecological Internet of Things system is designed and implemented. For the three major scenarios of safety management， environmental monitoring， and tourism activities on the island， evaluation standards and methods are established for nine evaluation contents in three sub items of ecological Internet of Things monitoring elements and indicators， including safety， environment， and vitality. The construction of the ecological Internet of Things monitoring elements， evaluation methods， and business application evaluation system for the triangle island is achieved， providing reference examples for the informatization of island ecological Internet of Things monitoring and enriching the construction connotation of the monitoring and evaluation system for uninhabited islands.
Keywords： island ecological Internet of Things; monitoring; evaluation system; system design and implementation; WebGIS
0 引 言
我国是海洋大国，海岛众多[1]。《中国海域海岛标准名录》显示，我国总计有11 000多个海岛，其中无居民海岛占96%。海岛具有重要的生态、资源、经济和权益价值[2]。同时，海岛一般面积狭小，地域结构简单，相对隔离，生态系统食物链层次低，生物多样性少，生态系统不够稳定，容易遭到损害，物种消失、环境改变都会对海岛的整个生态系统造成很大的影响，一旦生境遭到破坏就难以或根本不能恢复[3]。自20世纪70年代以来，我国对海岛的开发利用逐渐加强，但由于海岛生态系统的独特性以及缺乏海岛保护和管理法规制度，海岛开发利用方式粗放，生态保护意识薄弱，在推动海洋经济发展的同时给生态环境带来巨大压力[4]。2010年，《中华人民共和国海岛保护法》颁布实施，其中第十五条规定：“国家建立海岛管理信息系统，开展海岛自然资源的调查评估，对海岛的保护与利用等状况实施监视、监测”。因此，对海岛生态进行动态监视监测以避免过度开发显得尤为重要，也是落实海岛保护法要求的重要措施。
对于海岛实施监视监测，最重要的是要实现持续、快速、全覆盖，常规的现场登岛调查监测，时间周期长，成本高，难以满足需求[5]。物联网技术被称为世界信息产业第三次浪潮，与5G、AI、大数据、云计算等技术发展迅猛，快速应用到社会发展的各行各业，为海洋领域的应用提供了新思路。近年来，通过物联网技术对海岛生态进行长期实时监视监测已从概念模型发展为可实践的技术路径。2019年，常立侠等[6]对海岛生态物联网的概念及模型进行了详细阐述，并以广东典型小海岛——三角岛为例展示了海岛生态物联网概念模型在具体海岛上的构建应用；2018—2019年，中山大学彭少麟团队[7]与广东省海洋发展规划中心共同承担了三角岛生态建设与生态物联网监测项目，进行海岛生态修复与生态监测实验；2021年，路晓磊等[8]探讨了物联网在海洋观测、海岛生态监测、海洋牧场监测、智能船舶这4个海洋相关领域的研究与应用进展情况。
为探索海岛自然资源管理新模式，更好保护与开发利用海岛，广东提出将三角岛打造成无居民海岛保护修复与利用的示范基地，并在该岛开展了生态物联网监测的研究和实践。
1 三角岛概况
三角岛（22° 08′ 30″ N，113° 42′ 34″ E）位于广东省珠江口万山群岛西北部，粤港澳大湾区的几何中心，如图1所示，海岛面积0.86平方千米，海岛岸线总长5.38千米，是南海海域众多小型无居民海岛的典型代表[9]。得天独厚的地理位置和自身禀赋，使得三角岛具有巨大的开发价值。但由于20世纪80年代采石活动的影响，岛上原生植被受损严重，约2/3区域被挖成裸地，天然沙滩被破坏，生态环境问题突出。
2010年三角岛被列入国家海洋局无居民海岛修复试点海岛，次年被列入全国第一批可开发利用无居民海岛名录，主导用途为旅游与交通用岛。2014年，广东启动珠海市三角岛“公益+旅游”模式市场化出让探索工作。2015年12月，经广东省政府同意，由原省海洋与渔业厅批复省海洋发展研究中心作为三角岛公共服务用岛项目主体，其中部分使用权（64公顷）用于适度旅游开发，并于2016年12月以挂牌方式成功转让。三角岛由此成为全国首个挂牌出让的无居民海岛，经过“整体规划、整体修复”，以“公益+旅游”模式进行保护性开发，岛上生态面貌已焕然一新、基础设施齐备，成功入选自然资源部首批“和美海岛”名单，已然成为无居民海岛保护修复与利用的标杆与典范。
2 系统设计
2.1 设计思路
物联网是将传感器技术与互联网技术相结合，利用智能传感器将互联网用户终端延伸到任何需要实时管理的物品，实现人与人、人与物、物与物在任何时间、任何地点的互联[10]。生态物联网（Ecological Internet Of Things， EIOT）是将网络和感应器嵌入生态应用对象，监测生态信息（水体、土壤、大气、生物）、社会经济数据和环保数据（污染状况、环境效应、管理策略）等[11]。
在三角岛保护修复与开发利用过程中，为了实现对岛内资源环境状态的监测以及人为活动的监控，开展了海岛生态物联网的建设。依据岛体地形地貌、环境特点及应用需要，三角岛生态物联网按照“物联感知、无线组网、大屏应用”的思路进行设计，全岛部署7台摄像机（1台可见光摄像机、4台热红外摄像机、2台客流统计摄像机）、2台多参数水质在线分析仪、2个环境感知节点、5个无线微环境安防终端，如表1所示，采用太阳能供电系统取电，LoRa无线自组网的方式进行设备与机房的数据通信，通过大屏系统实现监视监测数据处理、展示、应用，进而实现三角岛常态化监视监测与预警，促进海岛资源的科学合理利用，推进海岛的可持续发展。
2.2 总体架构
系统按照物联网体系感知层、网络层、应用层3层架构设计建设。总体架构图如图2所示。具体介绍如下：
1）感知层。通过可见光/热红外摄像机、客流统计摄像机、多参数水质在线分析仪、环境感知节点、无线微环境终端等传感器设备，实现海岛天气、空气质量、土壤、水质等生态要素监测及人员流动和安全监控。
2）网络层。通过无线基站、物联网网关、交换机、4G/5G、光纤等将实时监视监测数据传输汇聚到各数据库表中。
3）应用层。将岛上生态物联网监视监测数据进行分析处理，设计系统功能模块，通过大屏终端展示应用，支撑业务需求。
2.3 技术架构
系统采用B/S架构，部署在岛内局域网中的两台服务器上，使用主流技术框架，按照前后端分离的理念开发。
在前端，选取渐进式前端框架VUE，图表框架Echarts，二维地图框架Openlayer。
在后端，框架服务采用Spring Boot，选取物联网生态广泛使用的NodeJS进行高频、大数据量的处理，地图服务引擎采用ArcGIS Server，基础服务采用Java开发。
数据库采用MySQL存储系统配置运行信息，Oracle存储结构化数据，Oracle SDE存储空间数据，MongoDB存储非结构化数据。技术架构图如图3所示。
3 关键技术
3.1 NodeJS技术
NodeJS是一个让JavaScript运行在服务端的开发平台，采用Google-V8引擎作为编译器，使得JavaScript的执行速度远超Ruby、Python等脚本语言；另外，Nodejs具有开发实时监控系统的能力，它采用事件驱动、异步编程、非阻塞模式的IO处理工作机制，为其带来在相对低系统资源耗用下的高性能与出众的负载能力，非常适合用作依赖各种IO资源的中间层服务，可完美解决数据IO密集型、分布式部署环境下的实时应用系统[12]。
3.2 无线多跳自组网技术
无线多跳自组网络是由一组带有无线收发装置的通信终端组成的一个多跳的、机动的自治网络系统，终端兼具收发信号、路由和报文转发的功能，彼此之间可以构成任意的网络拓扑结构。该种网络中，若某节点发生移动、信号阻隔或失联，依靠其中继节点可以自动寻找其他可用的中继节点进行数据的转发，网络自愈合能力很强[13]。目前，该技术已在农业、水利、海事等行业远程监测监控系统中得到实践应用，为海岛生态物联网的应用实践提供积极参考。
3.3 WebGIS技术
WebGIS是以Web界面展示的网络地理信息系统，通过服务器端的地图服务发布引擎（如Geoserver、Arcgis server等）将地理空间数据、地理分析处理工具等发布为各种Web服务，如地图服务、影像服务、要素服务、地理处理服务、地理编码服务、Globe服务、几何服务等，这些服务使用标准Web接口，包括：REST；SOAP XML；KML；OGC服务（如WMS、WCS、WFS、WPS和WMTS）；用于多用户地理数据库管理的SQL等。
以实现空间数据在互联网的共享和互操作。作为将Internet技术应用于GIS的产物，WebGIS使得Intermet用户可以通过任意一个Web节点来浏览WebGIS站点中的空间数据、制作专题图，以及进行各种空间检索和空间分析等，极大促进了地理信息技术的发展。
4 系统功能实现
根据三角岛物联网监视监测信息分类展示、查询下载、预警监测、地图联动及深化应用需求，系统实现了智能安防、环境监测、地图展示、告警处理和海岛评价5个主要功能模块，为海岛管理人员全面、直观、高效掌握三角岛安全态势、环境状态、人员活动等提供信息化支撑，服务海岛精细化管理。
4.1 智能安防
接入全岛5个监控站位7个摄像机的实时监控画面，如图4所示。可在线进行音视频控制，如抓图、录像，以及操控云台转向不同方位，设置摄像机变倍、变焦、光圈大小等。
4.2 环境监测
以折线图方式，直观呈现全岛环境监测站位的传感器实时监测指标值，如图5所示。
同时通过系统设置各监测指标的告警阈值，可以及时发现监测要素或监测设备的异常状态，起到预警监测的作用。系统提供对历史监测数据的查询、导出功能，以支撑业务多样化需求，如图6所示。
4.3 地图展示
地图展示模块基于WebGIS技术开发，地图数据目录集中展示基础地理数据、海岛开发利用数据、海岛保护规划数据等图层，支持各类地图服务接入系统，如ArcGIS动态地图服务、ArcGIS影像服务、WMTS服务、WFS服务、WMS服务等。地图工具箱支持坐标查询、测距测面、分屏比对、卷帘地图等功能。三角岛监视监测设备通过所在地理坐标在地图上进行映射，用设备符号及其颜色实时呈现监测数据告警情况，如红色表示监测到告警记录，蓝色表示监测正常，如图7所示。
4.4 告警处理
告警处理功能展示告警统计与告警处理效率信息。按照监视监测站位和设备类型统计报警数量和告警记录响应时间。同时可根据筛选条件过滤查看历史监视监测告警信息，如图8所示。
4.5 海岛评价
三角岛是以“公益+旅游”模式开发的海岛，开通有珠海九洲港—三角岛交通航线，可实现30分钟登岛。据相关数据显示，2023年“五一”试运营期间，登岛人数近4 000人次[14]。针对岛内安全管理、环境监测、旅游活动3大场景监测需要，系统设计了海岛评价模块，依据三角岛生态物联网监视监测要素及指标，建立了三角岛安全、环境、活力3个分项9个评价内容的评价标准及评价方法，实现了三角岛生态物联网监视监测要素—评价方法—业务应用场景评价体系构建，如表2所示。
在三角岛评价体系中，海岛安全评价由区域入侵、森林防火、地形地貌、烟感监测四项评价内容组成，通过监控设备、烟感设备实时感知环境中监测对象的状态，判断监测内容的正常和异常，从而实现海岛安全态势的评价。
海岛环境评价由舒适度、空气质量、水质指数、土壤指数四项评价内容组成，利用环境感知节点监测指标数据，按照相关标准规范计算评价内容结果值，进而判定出评价等级，为海岛环境状况作出指示。
海岛活力评价主要反映三角岛客流强度特征，通过客流统计摄像机进行人员进出岛统计，以每日登岛人次和每日离岛人次计算当日客流量，再与三角岛最大日客流接待量数据进行比较，判定海岛客流强度。
系统直观呈现海岛安全态势、环境状况、客流强度的评价结果，方便海岛管理人员进行态势感知、研判决策，如图9所示。
5 结 论
三角岛，已逐渐成为广东省乃至全国无居民海岛保护性开发的样板。本文通过三角岛生态物联网系统的设计与实现，构建了一个将物联网技术应用在典型海岛监视监测方面的具体实例，推进了海岛生态物联网建设发展，同时针对岛内安全管理、环境监测、旅游活动监测等主要场景，构建了一套生态物联网监视监测评价体系，丰富新时代海岛自然资源监测评价管理内涵。
系统正式运行后能较好地满足海岛监视监测新模式探索及精细化管理业务的需要，积累了在海岛建设生态物联网的一定经验，如应注意：
1）海岛生态系统的特殊性。海岛被海水隔离大陆，使其形成了一个独立的生态系统，包括岛陆、潮间带、近海海域三个生态子系统。针对海岛生态系统的异质性、独特性和脆弱性，海岛生态物联网建设时可以考虑分区分类、点面结合、立体监测。
2）海岛基础设施的齐备性。海岛通常距离海岸一定距离，交通不便，而实施海岛生态物联网建设，需要人员来往于海岛与陆地，运送相关设施、设备，对陆岛交通、通信、供电、用水等海岛基础设施均提出一定的要求。因此，系统的建设应充分考虑海岛基础设施的齐备性。
3）海岛气候环境的适应性。海岛上通常昼夜温差较大，海风频繁、风力强且无阻挡，携带的水气多、湿度大、盐度高，对岛上生态物联网建设设施材料及设备有较强的腐蚀性，而这些设施材料、设备由于长期暴露在海岛自然环境中，需要匹配环境温度、抗风、耐盐耐腐蚀，因此系统建设时要兼顾对海岛恶劣气候环境的适应性。
同时，建议未来从感知层、网络层、应用层不断拓展三角岛生态物联网系统的建设，以加强系统自动化监视监测能力，深化系统智能分析应用，提升技术创新和服务管理水平。
1）在感知层，丰富各类监视监测传感器设备以获取更多更精细三角岛监视监测对象或要素信息，如通过激光、声呐、摄影测量等技术手段，开展岛体形态、沙滩、岛体及周边海域重要生物等的感知监测。
2）在网络层，通过岛陆专网形式开展海岛物联网监视监测数据中心建设，实现数据汇聚、质检、抽取、应用、销毁全生命周期安全管理，岛陆数据同步控制。
3）在应用层，结合实景三维、AI、数字孪生技术，对物联网监视监测场景进行实体建模，动态多维虚实映射，同时构建海岛生态评估模型，持续提高海岛生态物联网监视监测智能化分析、应用水平，助力三角岛“公益+旅游”保护性开发稳健发展，保障海岛生态、资源、经济和权益协调统一。
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[18] 生态环境部，国家市场监督管理总局.土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）：GB 15618—2018 [S].北京：中国标准出版社，2018.
作者简介：卢鑫（1993—），男，汉族，河南信阳人，工程师，本科，研究方向：自然资源信息化、GIS系统建设；通讯作者：申键（1979—），男，汉族，广东广州人，高级工程师，本科，研究方向：海域海岛管理。
