6.4 基于物联网系统的数据地理数据采集

物联网技术在地理学中的应用已经较为普及，例如，气象观测网络台站系统、水文观测网络台站系统、生态网络台站系统、流域观测网络系统、电网运行监控系统、通信网络运行监控系统、供水监控系统等。这里我们以自动气象观测系统为例，介绍其组成与应用。

6.4.1自动气象观测系统

我国的国家级地面气象观测站和自动气象站的安装情况如图6.30所示。

自动气象站是一种能自动地观测和存储气象观测数据的设备、网络与系统，主要由数据传感器和采集器、通信网络、计算机系统组成。根据搭载的平台，可分为固定式、移动式、便携式和车载自动气象站系统。

    随着观测环境的气象条件的变化，各传感器的感应元件将相应的气象参数转换成电信号（如电压、电流、频率等）。这种变化量被CPU实时控制的数据采集器所采集，经过线性化和定量化处理，实现工程量到要素量的转换；再对数据进行筛选，得出各个气象要素数值；再由通信系统将采集到的数据通过有线或无线传输方式传送给数据中心或用户，或存储在介质上。

自动气象站所观测项目主要包括环境温度、环境湿度、露点温度、风速、风向、气压、太阳总辐射、降水量、地温（包括地表温度、浅层地温、深层地温）、土壤湿度、土壤水势、土壤热通量、蒸发、二氧化碳、日照时数、太阳直接辐射、紫外辐射、地球辐射、净全辐射、环境气体共20项数据指标。数据采集频率较高，往往以分钟为单位采集并存储一组观测数据。

自动气象站根据对自动气象站人工干预情况也可将自动气象站分为有人自动站和无人自动站。

自动气象站往往被放置在供电网络和通信网络内。现在，由于太阳能电池板、风力涡轮机、移动通信技术和卫星通信技术的普及使用，使自动气象站能在供电网络和通信网络外，实施无线通信型监控与信息传输。

自动气象站常用的传感器有：气压，振筒式气压传感器、膜盒式电容气压传感器；气温，铂电阻温度传感器；湿度，湿敏电容湿度传感器；风向，单翼风向传感器；风速，风杯风速传感器；雨量，翻斗式雨量传感器；蒸发，超声测距蒸发量传感器；辐射，热电堆式辐射传感器；地温，铂电阻地温传感器；日照，直接辐射表、双金属片日照传感器。

    数据采集器是自动气象站的核心，其主要功能是数据采样、数据处理、数据存储及数据传输（图6.31）。采集器的电源至少要保证7天正常工作，数据存储器至少能存储3天的每分钟气压、气温、相对湿度、1分钟平均风向和风速、降水量数据，能在计算机中形成规定的数据文件。

    自动气象站各类数据通过表格或曲线视图对数据进行分析，通过多种通信方式，可动态组网，可支持百台以上监测站点并发通信。

自动气象站广泛应用于大中专院校、科研机构、机场及环境监测、交通运输、军事、农林、水文、极地考察等诸多领域。

6.4.2 ETC不停车电子收费系统

ETC（electronic toll collection）不停车收费系统是目前世界上最先进的路桥收费方式（图6.32），也是一种典型的物联网系统，是车辆大数据获取的重要手段，所采集的数据是典型的动态地理数据。ETC系统通过安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签（也称IC卡，图6.33）与在收费站ETC车道上的微波天线之间的微波专用短程通信（图6.34），利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理，从而达到车辆通过路桥收费站不需停车而能交纳路桥费的目的。

ETC技术以IC卡作为数据载体，通过无线数据交换方式实现收费计算机与IC卡的远程数据存取功能。计算机可以读取IC卡中存放的有关车辆的固有信息（如车辆类别、车主、车牌号等）、道路运行信息、收费状态信息，按照既定的收费标准，通过计算，从IC卡中扣除本次道路使用通行费。当然，ETC也需要对车辆进行自动检测和分类。

ETC车道主要由ETC天线、车道控制器、费额显示器、自动栏杆机、车辆检测器等组成（图6.35）。

    ETC采用的关键技术包括；自动车辆识另」、自动车型分类、短程通信、逃费抓拍、红外数据采集等技术。

    ETC车道上采用的传感器包括：车道控制器、电子标签读写器、车辆检测器（抓拍线圈以及落杆线圈）、抓拍摄像机、费额显示器／通行信号灯／声光报警器、自动栏杆、字符叠加器等。

    ETC使用的工业控制计算机（工控机）主要用于信息同步、通信控制，以及与联网计算机的数据交换。

    车辆进人ETC通道后的处理流程是：当车辆进人通信范围时，车道上的读写天线与车辆上的电子标签和CPU卡进行通信，获取车辆类别、车主、车牌号、充值余额等信息。同时当车辆碾压到抓拍线圈时，摄像机获取车辆照片，采集车牌号，并在显示牌上显示准备经过车辆的车牌号、IC卡中的余额。这时工业控制计算机（工控机）实时比对判别车辆信息。如系统判别有效，控制栏杆抬升，通行信号灯变绿，车辆可以通过。在车辆通过自动栏杆下的落杆线圈后，栏杆自动回落，通行信号灯变红，系统等待下一辆车进入。如系统判别无效，则报警并封闭车道，直到车辆离开检测线圈。

    车辆出ETC通道后的处理流程与车辆进人不同的是，当工控机判别出收费站的车辆信息有效时，工控机与收费系统实时联网，计算出收费金额和IC卡上的余额，在显示牌上显示车辆车牌号、收费金额、IC卡中的余额信息，同时将余额信息写回到IC卡上。

不停车收费技术特别适用于在高速公路或交通繁忙的桥隧环境下采用。可以允许车辆以几十千米以至一百多千米每小时的速度高速通过，可大大提高公路的通行能力、降低收费管理的成本，有利于提高车辆的营运效益，也可以大大降低收费口的噪声水平和废气排放、缩小收费站的规模，节约基建费用和管理费用。ETC系统更重要的作用是作为交通大数据的重要组成部分，对车辆轨迹、道路物流、路网承载、社会经济分析具有重要支撑。