森林資源信息外業(yè)采集移動(dòng)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

查東平 ，林 輝 ，孫 華 ，王繼志

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 林業(yè)遙感信息工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.黃豐橋國(guó)有林場(chǎng)，湖南 攸縣 412300)

森林資源信息外業(yè)采集移動(dòng)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

查東平1，林 輝1，孫 華1，王繼志2

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 林業(yè)遙感信息工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.黃豐橋國(guó)有林場(chǎng)，湖南 攸縣 412300)

森林資源信息外業(yè)采集時(shí)，常遇到定位難、調(diào)查和記錄難、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理難等問(wèn)題。本文圍繞森林資源外業(yè)數(shù)據(jù)采集、記錄和數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐?wèn)題提出了一個(gè)系統(tǒng)的解決方案：即在移動(dòng)平臺(tái)上將GIS、GPS、RS集成在手持PDA中，開(kāi)發(fā)一套支持林業(yè)信息采集的低成本、效率高、攜帶方便的移動(dòng)平臺(tái)，平臺(tái)利用GPS定位功能在野外快速定位，利用移動(dòng)GIS平臺(tái)將電子地圖與實(shí)地聯(lián)動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)直接保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化操作，內(nèi)業(yè)只要將外業(yè)數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入到系統(tǒng)中，不需要手工錄入卡片，大大減少了內(nèi)業(yè)處理的工作量和誤差傳導(dǎo)。論文在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、GPS定位與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、小班實(shí)地繪制和編輯、調(diào)查數(shù)據(jù)錄入等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了調(diào)試和應(yīng)用，效果較好。

森林經(jīng)理學(xué);森林資源信息采集；3S; PDA

本研究旨在圍繞森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查目標(biāo)，開(kāi)發(fā)一套支持林業(yè)信息實(shí)地調(diào)查的成本低、易攜帶的系統(tǒng)，為林業(yè)信息采集工作提供一個(gè)系統(tǒng)的解決方案，使復(fù)雜、繁瑣的外業(yè)調(diào)查和內(nèi)業(yè)處理工作變得簡(jiǎn)單而高效[1-2]。同時(shí)在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，使之不斷完善。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)林業(yè)信息采集的特點(diǎn)，采用內(nèi)置GPS模塊的PDA作為系統(tǒng)運(yùn)行載體。在PDA上充分發(fā)揮GIS、RS和GPS的優(yōu)勢(shì)。其基本原理是：利用GPS載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，實(shí)時(shí)地提供測(cè)量點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位成果和移動(dòng)平臺(tái)的地理信息圖形處理功能[4]，使野外調(diào)查實(shí)地與電子地圖相互聯(lián)動(dòng)表達(dá)，通過(guò)電子屏幕輸入外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，直接保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)過(guò)程中各個(gè)選項(xiàng)設(shè)置相應(yīng)的邊界約束條件，減少人為計(jì)算工作量和人為判斷誤差。與PC機(jī)器連接之后直接交換數(shù)據(jù)，減輕內(nèi)業(yè)計(jì)算和處理的繁重工作量。系統(tǒng)所包含的功能如圖1所示：

該系統(tǒng)是一個(gè)典型的林業(yè)移動(dòng)GIS系統(tǒng)，支持ArcGIS的shp矢量數(shù)據(jù)和img、tiff等遙感影像數(shù)據(jù)。用戶可以通過(guò)設(shè)置圖層的疊加方式和圖層渲染方式豐富地圖表達(dá)。GPS打開(kāi)之后，電子地圖上自動(dòng)顯示操作人員所處位置和地理坐標(biāo)。通過(guò)該系統(tǒng)，操作人員可以直接在電子地圖上繪制小班也可以根據(jù)GPS采點(diǎn)繪制成圖，成圖小班可以直接計(jì)算出其面積。根據(jù)不同的移動(dòng)終端，GPS精度不同。普通攜帶GPS的PDA單機(jī)定位的精度在6 m左右，完全滿足大范圍林業(yè)區(qū)內(nèi)測(cè)量所需要的精度。若需要進(jìn)一步提升其精度，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)差分。偽距離差分能夠達(dá)到1～3m的精度，而載波相位差分則更可以達(dá)到亞米級(jí)精度[3-6]。結(jié)合遙感影像圖和地形圖，在PDA屏幕上采用對(duì)坡勾繪的方式進(jìn)行小班區(qū)劃，遙感圖、地形圖和實(shí)地實(shí)時(shí)精確對(duì)照，能提高現(xiàn)場(chǎng)區(qū)劃的精度和效率。所采集的林業(yè)調(diào)查信息直接通過(guò)PDA平臺(tái)直接輸入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，系統(tǒng)對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步的邊界判斷和邏輯判斷，可以減少人工計(jì)算的工作量和誤差。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 GPS串口通訊

系統(tǒng)通過(guò)串口號(hào)來(lái)操作和控制GPS接收設(shè)備，不同的PDA硬件平臺(tái)所搭載的GPS模塊接受GPS信號(hào)的端口號(hào)和波特率不同[7-9]。系統(tǒng)支持NMEA協(xié)議格式標(biāo)準(zhǔn)。它的完整數(shù)據(jù)格式為：

$GPGGA,002153.000,3342.6618,N,11751.3858,W,1,10,1.2,27.0,M,-34.2,M,,0000*5E。

2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

GPS定位后接受坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS-84坐標(biāo)系，而我國(guó)林業(yè)信息測(cè)繪成果普遍表示在北京54坐標(biāo)系統(tǒng)，以克拉索夫斯基橢球?yàn)閰⒖紮E球，Gauss投影，以3°或6°帶劃分中國(guó)區(qū)域。將GPS接收到的WGS-84位置信息轉(zhuǎn)換成北京54坐標(biāo)系需要兩個(gè)步驟：先要進(jìn)行“高斯投影”變換，將WGS-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)系，然后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。GPS所接受的大地坐標(biāo)（B,L）轉(zhuǎn)換為高斯平面坐標(biāo)公式如下[10-12]：

平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的目的是將高斯平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為北京54坐標(biāo)系，首先根據(jù)WGS-84坐標(biāo)系和北京54坐標(biāo)系中的一對(duì)公共點(diǎn)求出兩個(gè)坐標(biāo)系中同一邊的方位角之差Δα和長(zhǎng)度比例系數(shù)k。其計(jì)算公式為：

2.3 小班信息編輯

現(xiàn)場(chǎng)編輯小班功能主要有兩個(gè)方面：一是對(duì)前期已有小班圖形的編輯；二是針對(duì)前期沒(méi)有區(qū)劃邊界的情況外業(yè)調(diào)查人員利用該功能根據(jù)所處位置和實(shí)地情況繪制小班邊界。其操作流程如圖2所示：

圖2 小班編輯流程Fig.2Editing process for sub-compartment functions

2.4 調(diào)查因子錄入

調(diào)查因子記錄功能旨在實(shí)現(xiàn)外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)通過(guò)電子屏幕直接輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)全程無(wú)紙化操作。其主要作用體現(xiàn)在兩方面：一是在調(diào)查階段真實(shí)記錄小班調(diào)查因子，調(diào)查因子與小班直接相關(guān)聯(lián)；二是在項(xiàng)目檢查時(shí)通過(guò)具體小班直接查詢所相關(guān)的調(diào)查信息，并對(duì)其修改編輯。錄入和更新方法是：根據(jù)小班編號(hào)查找對(duì)應(yīng)的屬性，若數(shù)據(jù)庫(kù)中存在相關(guān)信息，則按照湖南省森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查規(guī)定所設(shè)置的約束條件進(jìn)行更新操作，否則進(jìn)行插入操作。

2.5 蓄積量的計(jì)算

單木材積的計(jì)算公式為：V單木=a0da1ha2[13]，為了便于野外操作，系統(tǒng)內(nèi)置湖南省森林資源二元材積表。操作時(shí)只要在系統(tǒng)界面輸入單木的胸徑和樹(shù)高，便可得到單木材積。標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)每一棵樹(shù)的胸徑和樹(shù)高都實(shí)測(cè)后，可以算出每株樹(shù)的材積，系統(tǒng)中累加輸入單木材積能夠得到標(biāo)準(zhǔn)地蓄積，即：V標(biāo)準(zhǔn)地=ΣV單水。測(cè)算林分蓄積一般要經(jīng)過(guò)調(diào)查取得每個(gè)徑階的株數(shù)及樹(shù)高曲線，根據(jù)每個(gè)徑階的中值和從樹(shù)高曲線上查出該徑階的平均值，然后從二元材積表中查出各徑階的單株平均材積，乘以該徑階的林木株數(shù)，各徑階林木材積相加得到林分蓄積。標(biāo)準(zhǔn)地蓄積量已知的前提下，通過(guò)測(cè)算林分面積估算林分蓄積量，統(tǒng)根據(jù)自動(dòng)計(jì)算的林分面積和標(biāo)準(zhǔn)地測(cè)量計(jì)算的蓄積量求算得到林分平均蓄積量。

3 系統(tǒng)研發(fā)與測(cè)試

3.1 系統(tǒng)研發(fā)

本系統(tǒng)采用C#作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)載體。系統(tǒng)包括106個(gè)子類，124個(gè)子模塊，所有功能，從移動(dòng)GIS地圖顯示、編輯到數(shù)據(jù)的處理分析以及結(jié)果輸出，和所有的算法都有開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)獨(dú)立設(shè)計(jì)和研發(fā)，并取得相應(yīng)軟件著作權(quán)證書(shū)。

3.2 系統(tǒng)功能測(cè)試

為了使系統(tǒng)得到充分的測(cè)試和評(píng)估，同時(shí)為了使系統(tǒng)后期得到更好的改進(jìn)和完善，研究小組攜本系統(tǒng)在湖南省黃豐橋國(guó)有林場(chǎng)進(jìn)行了試用。

按照二類調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施測(cè)試了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加載功能、配圖功能、小班繪制編輯和二類調(diào)查屬性采集和編輯等功能。試驗(yàn)表明圖層加載配色功能正常，在電子屏幕上顯示清晰，加載顯示183MBWorldView遙感影像數(shù)據(jù)時(shí)間為5～6 s，僅加載矢量數(shù)據(jù)顯示時(shí)間在2s內(nèi)。電子地圖縮放瀏覽平滑無(wú)卡機(jī)現(xiàn)象?？諘绲貐^(qū)GPS定位時(shí)間在20 s之內(nèi)，山谷有遮擋地區(qū)定位在60 s內(nèi)。根據(jù)電子屏幕上顯示的遙感影像數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃圖、地形圖結(jié)合GPS定位信息能夠?qū)ΜF(xiàn)地情況形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。根據(jù)遙感影像上反應(yīng)的色彩、形狀、

圖3 圖層控制界面Fig.3Layer control interface

圖5 繪制小班界面Fig.5 Editing sub-compartment interface

3.3 GPS精度測(cè)試

為了試驗(yàn)的方便及試驗(yàn)的可靠性，在實(shí)驗(yàn)區(qū)黃豐橋國(guó)有林場(chǎng)均勻選取了10個(gè)測(cè)試點(diǎn)，并固定好鋼釘?？刂泣c(diǎn)分布情況如圖7所示。

采用Trimble GeoXH結(jié)合SBAS差分得到的結(jié)果作為參考值，其精度在0.5 m以內(nèi)，能夠滿足結(jié)構(gòu)、相關(guān)分布和地域分布等相關(guān)關(guān)系，以及現(xiàn)場(chǎng)的確認(rèn)，在電子屏幕上繪制的小班圖形位置精確。二類調(diào)查數(shù)據(jù)采集錄入過(guò)程有相應(yīng)的約束條件，能夠保證數(shù)據(jù)采集的速度和精度。本次測(cè)試的需求。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如下表所示：

圖4 GPS定位界面Fig.4 GPS positioning interface

有表4可知：水平方向上的最大誤差5.7 m，最小誤差0.3m，大部分優(yōu)于2m，垂直方向上的最大誤差3.3m，最小誤差0.1m，大部分優(yōu)于2m，點(diǎn)位誤差最大5.8 m，最小0.3m；根據(jù)表3可知：水平方向上的標(biāo)準(zhǔn)誤差為2.1m，垂直方向上的標(biāo)準(zhǔn)誤差為1.8 m，點(diǎn)位誤差為2.8 m，表明本系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的誤差均在合理范圍，達(dá)到了二類調(diào)查所的精度要求。

圖7 控制點(diǎn)分布情況Fig.7 The distribution of control points

表3 PDA+GPS適配器觀測(cè)值定位精度Table 3Positioning observation accuracy of PDA + GPS adapter m

表4 標(biāo)準(zhǔn)誤差Table 4 Standard error

4 結(jié)果與討論

（1）基于3S技術(shù)的森林資源信息采集系統(tǒng)在林業(yè)信息采集工作中具有很強(qiáng)的實(shí)踐意義。利用3S技術(shù)將行政區(qū)劃信息、地形信息和遙感信息協(xié)同表達(dá)，結(jié)合GPS定位調(diào)查人員對(duì)調(diào)查區(qū)域具有直觀的認(rèn)識(shí)。通過(guò)電子屏幕直接采集存儲(chǔ)調(diào)查信息能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和避免錯(cuò)誤。

（2）本系統(tǒng)能夠提高森林資源信息采集的效率。多源數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)表達(dá)和GPS定位能夠減少工作人員在野外工作中判斷時(shí)間，野外調(diào)查過(guò)程中通過(guò)小班繪制功能能夠快速區(qū)劃不同森林類型，而且減少內(nèi)業(yè)工作量；二類調(diào)查信息采集存儲(chǔ)通過(guò)下拉菜單方式設(shè)置選項(xiàng)相比手工填寫(xiě)更加方便和快捷；系統(tǒng)內(nèi)置了湖南省不同樹(shù)種的二元材積表，錄入相應(yīng)調(diào)查數(shù)據(jù)之后能立刻計(jì)算蓄積量。

（3）所采集數(shù)據(jù)精度在合理范圍內(nèi)，能夠滿足湖南省二類調(diào)查所需精度要求。GPS所接受數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)投影和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之后水平方向、垂直方向以及點(diǎn)位精度均在6 m以內(nèi)，滿足林區(qū)大范圍測(cè)量需求。

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Design and implementation of forest resources information collection system based on 3S technology

ZHA Dong-ping1, LIN Hui1, SUN Hua1, WANG Ji-zhi2
(1. Research Center of Forest Remote Sensing & Information Engineering, Central South University of Forestry & Technology,Changsha 410004, Hunan, China; 2. Huangtengqiao State-owned Forest Farm, Youxian 412300, Hunan, China)

There were problems such as difficulties in confirming location of survey destination, investigating and recording, and processing collected data when the field works of the forestry resources information collection were conducted. A solution for the problems has put forward which integrated GIS, GPS, RS functions into a mobile platform, namely a hand-hold PDA instrument to realize forestry resources information collection in fi eld with low cost and high eff i ciency. The GPS positioning function are helpful for fast exploration of survey area, and the mobile GIS platform is helpful for showing the real-time location on the map. The fi eld survey result and other record are directly stored in the database while achieving paperless work, which will help to reduce the off i ce workload and mistakes. The study project focuses on the method of data preparation, GPS positioning and coordinate conversion, sub-compartment drawing and editing and survey data recording. The debugging and employing achieve results effectively.

forest management; forestry resources information collection; 3S; PDA

S771.8

A

1673-923X(2012)09-0032-05

2012-04-14

國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃（863）子課題（2012AA102001-4）；國(guó)家林業(yè)局林業(yè)公益項(xiàng)目專題（201104028）；高分對(duì)地觀測(cè)專項(xiàng)子課題；湖南省高?？萍汲晒a(chǎn)業(yè)化培育項(xiàng)目(11CY019)

查東平（1985-），男，江西贛州人,碩士研究生，研究方向?yàn)榱謽I(yè)遙感和地理信息系統(tǒng)

林 輝（1965-），女，湖北黃岡人,教授，博士,博士生導(dǎo)師，主要從事森林經(jīng)理學(xué)、遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的教學(xué)和科研工作

[本文編校：吳 毅]