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作者：孟小亮

出版社：测绘出版社

出版时间：2016年

前言：

物联网、云计算、大数据、互联网+、3G/4G高速通信技术、测绘与地理信息技术快速发展的时代背景下，我国相关产业战略对智慧城市建设和高等院校相关人才培养提出了新的需求。智慧城市建设重要目标之一在于利用具有智能传感器网络的空间数据基础设施，将空间信息通过空间信息服务，用最快捷的方法和最低的成本送给最需要的用户，并实现空间信息的实时在线更新，使空间信息为从科学研究、经济建设、国防安全、人民生活到和谐社会可持续发展的各行各业提供实时智能服务。这是空间信息与传感器网络研究的意义与目标，也是本书作为一本应用技术专著兼教材的指导思想与写作目的。

空间信息与数字技术专业，作为测绘科学与计算机科学、信息科学、资源环境科学、经济与管理科学等的交叉，2004年创始于武汉大学，目前，全国已有电子科技大学、西安电子科技大学、厦门理工学院、成都理工大学、山东农业大学、上海海洋大学、福建农林大学、河南工业大学和中国地质大学（武汉）等高校开设了此本科特设专业或本科专业方向的实验班。以上高等院校根据行业背景、地理位置、学科基础和和师资情况分别制定了具有各自特色的培养目标和主要专业课程设置。以武汉大学为例，在测绘行业背景下，结合其地理、资源环境、计算机、信息和管理等优秀学科基础和师资条件，建设了一套特色专业课程体系。在空间信息与数字技术专业创始人边馥苓教授提议下，经武汉大学空间信息与数字技术专业讨论通过，在国内率先开设“空间信息与传感器网络”课程作为专业必修课，并于2009年度被写入武汉大学空间信息与数字技术专业培养方案，2011年度第二学期正式向本科大三年级学生（含国防生）开课，截止2015年已连续开课四个学期，作者一直担任此课程主讲教师。在本课程教学过程中，作者一直进行相关科学技术应用的深入研究，收集相关资料，并着手创作此书，在实践教学中摸索着前进，编写本书的目的也是为了弥补目前在这个方向上没有教科书的空白。希望本书能对从事相关研究与教学的科技与教育工作者具有一定的参考价值。

本书研究内容覆盖范围广，涉及内容多，总结了空间信息与传感器网络相关技术的交叉知识，从空间信息与传感器网络理论基础出发，系统阐述了传感器网络与传感网的概念，空间信息与传感器网络之间的关系，传感器网络环境下的定位与跟踪机制与技术、三维空间中的传感器节点动态监测、基于地理位置信息的网络路由和传感器网络前沿等方面的内容。书中给出了多个应用领域中的空间信息与传感器网络应用实例，紧跟技术发展动态，介绍了近年来物联网、智慧城市对本书中相关理论方法与工程技术的迫切需求。

本书的内容，有部分的可能是读者已经了解或熟悉的知识，比如第1章中关于3S技术、射频技术和传感器技术等基本理论知识，第2章中关于测距方法和定位算法，第5章中关于路由协议的概述等，已有相关基础的读者可以采用略读或跳过的方式。第2、3、4、5章是阐述空间信息与传感器网络的典型交叉问题，包括目标的定位与跟踪，三维的动态监测和基于地理位置信息的网络路由等，是本书的重点和核心内容。第6章主要是为关心位置隐私和传感器网络安全的读者所准备，随着物联网快速发展，位置隐私成为不得不提的一个重要问题。第7章是作者总结的，或可成为读者研究兴趣的一些空间信息与传感器网络的前沿与发展方向。以下是对本书各章节主要内容的介绍：

第1章主要是对相关技术的概述，包括什么是空间信息与数字技术，什么是射频识别技术，什么是无线传感器网络技术，基于无线射频的主流定位技术包括哪些。这些理论知识是本书其他章节的基础和预备，如果读者已经对这些相关技术比较熟悉，阅读时可以跳过此章。作者在本章中还通过相关技术概念的比较，认为时下流行的智慧城市、智慧交通、智慧医疗和智慧社区等智慧工程实质上是空间信息、数字工程和传感器技术的有机结合，是这些技术的内涵催生出的更加丰富的外延应用。

第2章详细阐述传感器节点的定位机制与算法，这些机制与算法不局限于RFID系统和传感器网络中的定位应用，还包括其他多种定位应用场景，如卫星导航定位、蜂窝基站定位和雷达定位等。本章内容上首先分析了传感器节点定位的应用领域，然后讨论了定位技术的分类方法，详细说明了几种距离相关和距离无关的定位技术，介绍了节点位置计算的基本方法，列出了一系列定位算法的性能评价指标，最后对一些典型定位系统做了简单的介绍。本章中的定位机制与算法主要是以二维平面为假设条件，在第4章会扩展到三维空间中。

第3章的关键假设还是在二维平面上，分析了空间信息与数字技术和传感器网络研究中都广泛存在的一个典型问题——跟踪运动目标。给出了两个基于RFID和传感器网络的实际应用情景，分析了面向目标定位与跟踪的网络模型构成，包括网络部署、设计需求、结构、工作过程和模拟工具等。引入协作信号和信息处理方法将跟踪问题形式化，并给出求解单目标和多目标跟踪问题的解决办法。如果读者是传感器网络工程应用方面的科技工作者，也许会对本章中描述的智慧交通和智慧物流，与第4章中描述的土壤、水下和数字战场动态监测等实际应用更感兴趣。

第4章将无线传感器网络从二维平面扩展到三维空间中，以适应地下、水下和空中等实际三维应用场景。作者认为除了理论问题研究的复杂性，三维无线传感器网络更受到物理环境的严格制约，要与实际应用紧密结合。本章给出了基本的三维空间模型和定位方法，并认为现有的二维研究成果并不能简单的推广到三维无线传感器网络。最后还针对虚拟现实对节点定位精度与实时性的要求，讨论了三维定位的精度分析问题。

第5章描述空间信息在无线传感器网络中的另一个重要作用——利用地理位置信息指导网络路由。本章首先介绍了无线传感器网络路由的功能、关键问题和分类，然后通过几种典型基于地理位置路路由协议，阐述通过获取各个节点的位置信息实现能量高效转发的方法，最后还详细介绍了作者团队设计的一种基于栅格网分簇的路由协议，目的是为给出如何设计基于地理位置的路由的方法。

第6章是关于传感器节点的位置隐私保护问题，主要为对空间信息与传感器网络的信息安全方面问题感兴趣的读者准备。本章分析了RFID系统和传感器网络中的位置隐私威胁包括哪些，总结了一些位置隐私的保护方法，分别具体介绍了RFID系统和传感器网络中的主要位置隐私保护技术。

第7章是对空间信息与传感器网络前沿研究的展望，分别研究传感器网络（Sensor Network）与传感网（Sensor Web）两条发展路线，就传感网标准与实现、语义传感网、空间传感网虚拟实验、传感器网络服务和大众传感器等方面提出了自己的看法，希望读者们也能在读完本书后一起思考空间信息与传感器网络丰富的内涵与外延。

就以上研究内容而言，作者认为本书既是一本应用技术专著，可供传感器网络、物联网、测绘、数字工程应用方面的科技工作者参考使用，也是武汉大学空间信息与数字技术专业《空间信息与传感器网络》课程的专业教材，还可以作为其他相关课程的教材或参考书。

对本书而言至关重要的是，特别感谢边馥苓教授在本书写作过程中给予的无私帮助，边馥苓教授不仅为本书的提供了前瞻性的学术视野和厚实广博的专业知识，她一丝不苟的治学作风和无私奉献的德育精神更感染并帮助作者克服了写作过程中的重重困难。作为一项探索性和前沿性的研究工作，作者不断对本书相关研究目标与研究方向进行调整。在研究过程中，美国东密歇根大学空间信息与教育研究所所长Yichun Xie教授深入介入了本书的相关研究并给与了具体的技术指导，为本书带来了先进理念和方法。武汉大学国际软件学院院长崔晓晖教授、华中科技大学柳健教授、华中农业大学马才学教授对本书的指导和肯定，让作者及时了解研究需求并充满研究动力。武汉大学空间信息与数字技术专业、软件工程专业、物联网专业的很多同事都为本书做出了贡献，他们为本书提供了很多主题讨论和技术建议，感谢他们的鼓励、支持与指导。感谢我们研究团队的老师与学生成员们，他们为本书资料收集付出了大量的时间和精力。感谢本书的责任编辑吴芸老师，她对本书的编辑、校对和出版起着至关重要的作用。总之，感谢为本书提供过帮助的所有热心的朋友们。

应该强调的是，尽管我从上面提到的每个人那里得到了有益的建议，但是我认为，因为本人能力有限和准备时间仓促等原因，您很有可能还会发现书中存在不准确或错误的地方。如果发现任何错误，您可以随时与我们联系。