Πρωτότυπος Τίτλος:
Ανάπτυξη περιβαλλοντικούκοινωνικού δικτύου αισθητήρων και η αποτύπωση του σε περιβάλλον WEBGIS
Συγγραφέας:
Βούτος, Γεώργιος Ε.
Επιβλέπων καθηγητής:
Χαλκιάς, Χρίστος
Περίληψη:
Η περιβαλλοντική κρίση αποτελεί σήμερα μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της ανθρωπότητας και διαθέτει πλήθος συνεπειών. Ορισμένες από αυτές επηρεάζουν άμεσα τον άνθρωπο και την καθημερινότητά του. Βασική προϋπόθεση για την αντιμετώπιση τους αποτελεί η ουσιώδης αναγνώριση και καταγραφή των παραμέτρων υποβάθμισης του περιβάλλοντος. Τα τεχνολογικά επιτεύγματα των τελευταίων δύο αιώνων έχουν δημιουργήσει νέες προοπτικές αλληλεπίδρασης μεταξύ του ανθρώπου και του περιβάλλοντός που διαβιεί. Επίσης, οι σύγχρονες εξελίξεις στις τεχνολογίες υλικού και λογισμικού έχουν διαμορφώσει άρδην το τρέχον πλαίσιο εφαρμογής της επιστήμης της πληροφορικής.
Ο εμπλουτισμός της ανθρώπινης ζωής με τεχνολογικές λύσεις δύναται να λειτουργήσει ως εφαλτήριο για την ελαχιστοποίηση των επιπτώσεων στο περιβάλλον. Οι λύσεις αυτές προέρχονται από σύνθετες επιστημονικές διεργασίες, οι οποίες προσφέρουν αρτιότητα, επιστημονική επάρκεια και μπορούν να εφαρμοστούν ξανά και ξανά. Η αυξημένη προσβασιμότητα σε τεχνολογίες αιχμής και το αυξημένο επίπεδο δεξιοτήτων που κατέχει ο μέσος πολίτης, δημιουργούν προοπτικές συνεχούς ανάπτυξης νέων χρήσιμων μεθόδων για την προστασία και διατήρηση του περιβάλλοντος.
Η παρατήρηση του περιβάλλοντος (environmental monitoring) διακρίνεται στην περιγραφή των αναγκαίων διαδικασιών και των δράσεων για την αποτίμηση της ποιότητάς του. Το πεδίο εφαρμογής της περιβαλλοντικής παρατήρησης τοποθετείται στα βιοτικά και αβιοτικά στοιχεία των ατμοσφαιρικών στρωμάτων του πλανήτη και παρέχει χρήσιμες πληροφορίες για την ανίχνευση πιθανών προτύπων αλλαγής των φυσικών διεργασιών, οι οποίες μπορούν να χαρακτηριστούν ως φυσικές, χημικές ή βιολογικές. Η δειγματοληψία παραμέτρων που χαρακτηρίζουν τις φυσικές διεργασίες παράγει δεδομένα για την κατανόηση της κατάστασης και σύνθεσης του περιβάλλοντος.
Με τον όρο Γεωματική (Geomatics) ορίζεται μία συστηματική, διεπιστημονική και ολοκληρωμένη προσέγγιση με σκοπό την επιλογή κατάλληλων τεχνικών για την διαλογή, αποθήκευση, ενσωμάτωση, μοντελοποίηση, ανάλυση, ανάκτηση, μετασχηματισμό, προβολή και διανομή δεδομένων με χωρική αναφορά από διάφορες πηγές. Μέσω της γεωματικής κάθε στοιχείο/ χαρακτηριστικό στον πλανήτη γεωαναφέρεται και χρησιμοποιείται ως γεωγραφική οντότητα. Η παρούσα μελέτη αξιοποιεί ορισμένες, αλλά αρκετά σημαντικές, από τις μεθόδους που απαρτίζουν τη γεωματική, με σκοπό τη δημιουργία ενός λειτουργικούς σχήματος παρατήρησης του περιβάλλοντος. Συνεπακόλουθα, η πρότυπη πλατφόρμα παρατήρησης του περιβάλλοντος που προτείνεται, βασίζεται σε μεθόδους οι οποίες έχουν αναπτυχθεί μέσω της Επιστήμη των Υπολογιστών, το Παγκόσμιο Σύστημα εντοπισμού Θέσης και τα Διαδικτυακά ΓΣΠ. Η Συμμετοχική Ανίχνευση (Participatory Sensing) εξυπηρετεί αυτό το σκοπό, καθώς επιτρέπει τη συνεισφορά και πρόσβαση ατόμων και ομάδων σε ένα ενιαίο πυρήνα γνώσης. Η διεύρυνση της εφαρμογής τεχνολογιών πληροφορικής και η αλματώδης ανάπτυξη της υπολογιστικής δύναμης των φορητών συσκευών έχει καταστήσει βιώσιμη τη συμμετοχική ανίχνευση σε μεγάλη κλίμακα. Τα Συμμετοχικά Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών αποτελούν μία συμμετοχική προσέγγιση στο χωρικό σχεδιασμό, τη χωρική πληροφορία και τη διαχείριση των επικοινωνιών. Αποτελούν μία προσπάθεια αξιοποίησης της επιστήμης των ΓΣΠ βάσει του περιεχομένου των αναγκών και των δυνατοτήτων που διαθέτουν οι εμπλεκόμενες κοινότητες, με σκοπό την ανάπτυξη σχεδίων εφαρμόσιμων κατά περίπτωση.
Η εξέλιξη της σύγχρονης τεχνολογίας GPS (Global Positioning System) καθώς και της ανάπτυξης νέων δυνατοτήτων ανάλυσης και παρουσίασης της χωρικής πληροφορίας συντελούν στη διεύρυνση των εφαρμογών στην επιστήμη των Γεωγραφικών Συστηματων Πληροφοριών. Επιπροσθέτως η μαζικοποίηση του mobile internet μέσω φορητών συσκευών (smartphones, tablets, smartwatches) παρέχει τη δυνατότητα τροφοδότησης του διαδικτύου από τον απλό χρήστη ως ενεργό μέλος μίας "ψηφιακής κοινότητας".
Η παρούσα μελέτη αφορά στην πειραματική εφαρμογή ενός συστήματος παρακολούθησης του περιβάλλοντος (Environmenntal monitoring) βασιζόμενο σε ένα πρότυπο δίκτυο αισθητήρων (Sensor Network). Το δίκτυο αυτό αποτελείται από δομές υλικού, πελάτη/ εξυπηρετητή, εφαρμογή Android και πλατφόρμα διαδικτυακών ΓΣΠ . Το σύστημα ακολουθεί το παράδειγμα του "Διαδικτύου των Πραγμάτων" (Internet of Things - IoT) και βασίζεται κυρίως στην πλατφόρμα ανοιχτού υλικού Arduino. Στο Arduino λειτουργούν αισθητήρες παρακολούθησης/ παρατήρησης περιβαλλοντικών μεταβλητών από τους οποίους παράγονται τα αντίστοιχα τεχνικά μεγέθη. Οι συσκευές καταγραφής διακρίνονται σε δύο τύπους σταθμών: α) σταθεροί, οι οποίοι είναι μόνιμα τοποθετημένοι σε κτιριακές εγκαταστάσεις και συνδέονται απευθείας με το server ενσύρματα ή ασύρματα, και β) φορητοί, οι οποίοι λειτουργούν μέσω διασύνδεσης με φορητές συσκευές Android, με την ενσωμάτωση του απαραίτητου λογισμικού. Η αποστολή και διαχείριση των μεταβλητών βασίζεται στο πρωτόκολλο MQTT και υποστηρίζεται από τη συνδυαστική λειτουργία ενός MQTT broker, ενός web server και μίας βάσης δεδομένων, τα οποία έχουν αναπτυχθεί ειδικά για τη συγκεκριμένη εφαρμογή.
Η λειτουργικότητα του σχεδίου στηρίζεται στην ταυτόχρονη αποτύπωση των περιβαλλοντικών συνθηκών παράλληλα με την καταγραφή της γεωγραφικής θέσης. Σημαντική παράμετρος της παρούσας μελέτης αποτελεί το πλήθος των σημείων εγκατάστασης, καθώς οι σταθεροί σταθμοί τοποθετούνται σε δημόσια κτίρια, ενώ οι φορητοί σε δημόσια και ιδιωτικά οχήματα. Επίσης, δύναται να μεταφέρονται από πεζούς και ποδηλάτες για καταγραφή σε μικρότερες αποστάσεις. Οι πολλές εναλλακτικές που παρέχουν οι φορητοί σταθμοί μαζί με τις συνεχείς καταγραφές των σταθερών μονάδων υποστηρίζουν την αναζήτηση περαιτέρω συσχετίσεων, χωρικών και μη, για την υποβάθμιση του περιβάλλοντος. Επίσης, η πλατφόρμα προσφέρει online καταγραφή των μετρήσεων που οδηγεί στην άμεση αναγνώριση των προτύπων ρύπανσης. Τέλος, τα τεχνικά μεγέθη οδηγούνται για τη χωρική τους υπέρθεση σε ένα περιβάλλον WebGIS, στο οποίο σημειώνονται δυναμικά (στο χώρο και το χρόνο) οι διακυμάνσεις και οι τάσεις μεταβολής των παρατηρούμενων μεταβλητών.
Ο εμπλουτισμός της ανθρώπινης ζωής με τεχνολογικές λύσεις δύναται να λειτουργήσει ως εφαλτήριο για την ελαχιστοποίηση των επιπτώσεων στο περιβάλλον. Οι λύσεις αυτές προέρχονται από σύνθετες επιστημονικές διεργασίες, οι οποίες προσφέρουν αρτιότητα, επιστημονική επάρκεια και μπορούν να εφαρμοστούν ξανά και ξανά. Η αυξημένη προσβασιμότητα σε τεχνολογίες αιχμής και το αυξημένο επίπεδο δεξιοτήτων που κατέχει ο μέσος πολίτης, δημιουργούν προοπτικές συνεχούς ανάπτυξης νέων χρήσιμων μεθόδων για την προστασία και διατήρηση του περιβάλλοντος.
Η παρατήρηση του περιβάλλοντος (environmental monitoring) διακρίνεται στην περιγραφή των αναγκαίων διαδικασιών και των δράσεων για την αποτίμηση της ποιότητάς του. Το πεδίο εφαρμογής της περιβαλλοντικής παρατήρησης τοποθετείται στα βιοτικά και αβιοτικά στοιχεία των ατμοσφαιρικών στρωμάτων του πλανήτη και παρέχει χρήσιμες πληροφορίες για την ανίχνευση πιθανών προτύπων αλλαγής των φυσικών διεργασιών, οι οποίες μπορούν να χαρακτηριστούν ως φυσικές, χημικές ή βιολογικές. Η δειγματοληψία παραμέτρων που χαρακτηρίζουν τις φυσικές διεργασίες παράγει δεδομένα για την κατανόηση της κατάστασης και σύνθεσης του περιβάλλοντος.
Με τον όρο Γεωματική (Geomatics) ορίζεται μία συστηματική, διεπιστημονική και ολοκληρωμένη προσέγγιση με σκοπό την επιλογή κατάλληλων τεχνικών για την διαλογή, αποθήκευση, ενσωμάτωση, μοντελοποίηση, ανάλυση, ανάκτηση, μετασχηματισμό, προβολή και διανομή δεδομένων με χωρική αναφορά από διάφορες πηγές. Μέσω της γεωματικής κάθε στοιχείο/ χαρακτηριστικό στον πλανήτη γεωαναφέρεται και χρησιμοποιείται ως γεωγραφική οντότητα. Η παρούσα μελέτη αξιοποιεί ορισμένες, αλλά αρκετά σημαντικές, από τις μεθόδους που απαρτίζουν τη γεωματική, με σκοπό τη δημιουργία ενός λειτουργικούς σχήματος παρατήρησης του περιβάλλοντος. Συνεπακόλουθα, η πρότυπη πλατφόρμα παρατήρησης του περιβάλλοντος που προτείνεται, βασίζεται σε μεθόδους οι οποίες έχουν αναπτυχθεί μέσω της Επιστήμη των Υπολογιστών, το Παγκόσμιο Σύστημα εντοπισμού Θέσης και τα Διαδικτυακά ΓΣΠ. Η Συμμετοχική Ανίχνευση (Participatory Sensing) εξυπηρετεί αυτό το σκοπό, καθώς επιτρέπει τη συνεισφορά και πρόσβαση ατόμων και ομάδων σε ένα ενιαίο πυρήνα γνώσης. Η διεύρυνση της εφαρμογής τεχνολογιών πληροφορικής και η αλματώδης ανάπτυξη της υπολογιστικής δύναμης των φορητών συσκευών έχει καταστήσει βιώσιμη τη συμμετοχική ανίχνευση σε μεγάλη κλίμακα. Τα Συμμετοχικά Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών αποτελούν μία συμμετοχική προσέγγιση στο χωρικό σχεδιασμό, τη χωρική πληροφορία και τη διαχείριση των επικοινωνιών. Αποτελούν μία προσπάθεια αξιοποίησης της επιστήμης των ΓΣΠ βάσει του περιεχομένου των αναγκών και των δυνατοτήτων που διαθέτουν οι εμπλεκόμενες κοινότητες, με σκοπό την ανάπτυξη σχεδίων εφαρμόσιμων κατά περίπτωση.
Η εξέλιξη της σύγχρονης τεχνολογίας GPS (Global Positioning System) καθώς και της ανάπτυξης νέων δυνατοτήτων ανάλυσης και παρουσίασης της χωρικής πληροφορίας συντελούν στη διεύρυνση των εφαρμογών στην επιστήμη των Γεωγραφικών Συστηματων Πληροφοριών. Επιπροσθέτως η μαζικοποίηση του mobile internet μέσω φορητών συσκευών (smartphones, tablets, smartwatches) παρέχει τη δυνατότητα τροφοδότησης του διαδικτύου από τον απλό χρήστη ως ενεργό μέλος μίας "ψηφιακής κοινότητας".
Η παρούσα μελέτη αφορά στην πειραματική εφαρμογή ενός συστήματος παρακολούθησης του περιβάλλοντος (Environmenntal monitoring) βασιζόμενο σε ένα πρότυπο δίκτυο αισθητήρων (Sensor Network). Το δίκτυο αυτό αποτελείται από δομές υλικού, πελάτη/ εξυπηρετητή, εφαρμογή Android και πλατφόρμα διαδικτυακών ΓΣΠ . Το σύστημα ακολουθεί το παράδειγμα του "Διαδικτύου των Πραγμάτων" (Internet of Things - IoT) και βασίζεται κυρίως στην πλατφόρμα ανοιχτού υλικού Arduino. Στο Arduino λειτουργούν αισθητήρες παρακολούθησης/ παρατήρησης περιβαλλοντικών μεταβλητών από τους οποίους παράγονται τα αντίστοιχα τεχνικά μεγέθη. Οι συσκευές καταγραφής διακρίνονται σε δύο τύπους σταθμών: α) σταθεροί, οι οποίοι είναι μόνιμα τοποθετημένοι σε κτιριακές εγκαταστάσεις και συνδέονται απευθείας με το server ενσύρματα ή ασύρματα, και β) φορητοί, οι οποίοι λειτουργούν μέσω διασύνδεσης με φορητές συσκευές Android, με την ενσωμάτωση του απαραίτητου λογισμικού. Η αποστολή και διαχείριση των μεταβλητών βασίζεται στο πρωτόκολλο MQTT και υποστηρίζεται από τη συνδυαστική λειτουργία ενός MQTT broker, ενός web server και μίας βάσης δεδομένων, τα οποία έχουν αναπτυχθεί ειδικά για τη συγκεκριμένη εφαρμογή.
Η λειτουργικότητα του σχεδίου στηρίζεται στην ταυτόχρονη αποτύπωση των περιβαλλοντικών συνθηκών παράλληλα με την καταγραφή της γεωγραφικής θέσης. Σημαντική παράμετρος της παρούσας μελέτης αποτελεί το πλήθος των σημείων εγκατάστασης, καθώς οι σταθεροί σταθμοί τοποθετούνται σε δημόσια κτίρια, ενώ οι φορητοί σε δημόσια και ιδιωτικά οχήματα. Επίσης, δύναται να μεταφέρονται από πεζούς και ποδηλάτες για καταγραφή σε μικρότερες αποστάσεις. Οι πολλές εναλλακτικές που παρέχουν οι φορητοί σταθμοί μαζί με τις συνεχείς καταγραφές των σταθερών μονάδων υποστηρίζουν την αναζήτηση περαιτέρω συσχετίσεων, χωρικών και μη, για την υποβάθμιση του περιβάλλοντος. Επίσης, η πλατφόρμα προσφέρει online καταγραφή των μετρήσεων που οδηγεί στην άμεση αναγνώριση των προτύπων ρύπανσης. Τέλος, τα τεχνικά μεγέθη οδηγούνται για τη χωρική τους υπέρθεση σε ένα περιβάλλον WebGIS, στο οποίο σημειώνονται δυναμικά (στο χώρο και το χρόνο) οι διακυμάνσεις και οι τάσεις μεταβολής των παρατηρούμενων μεταβλητών.
Ημερομηνία κατάθεσης:
2017-03-20
Γλώσσες Τεκμηρίου:
Ελληνικά
Θεματικές Κατηγορίες:
Γεωγραφία (Γενικά)
Τεχνολογία της πληροφορίας
Μαθηματική γεωγραφία. Χαρτογραφία
Τεχνολογία της πληροφορίας
Μαθηματική γεωγραφία. Χαρτογραφία
Λέξεις-κλειδιά:
IoT, ΓΣΠ, Android, Συμμετοχικότητα, Περιβάλλον
Περιγραφή:
101 σ., εικ., πίν., διαγρ., σχ.
Άδεια χρήσης:
Αναφορά Δημιουργού – Μη Εμπορική Χρήση – Όχι Παράγωγα Έργα 4.0
