生態(tài)環(huán)境移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

申文明，孫中平，*，張 雪，初 東，李 飛，呂燦賓

(1.環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應用中心，北京 100094;2.中國地質(zhì)大學土地科學技術學院，北京 100083)

為系統(tǒng)掌握2000—2010年間全國生態(tài)環(huán)境變化趨勢和存在問題，全面總結(jié)我國十年期間的生態(tài)環(huán)境保護工作成效和經(jīng)驗，由國務院批準，環(huán)境保護部和中國科學院聯(lián)合開展了全國生態(tài)環(huán)境十年(2000—2010年)變化遙感調(diào)查與評估(以下簡稱“生態(tài)十年項目”)工作。生態(tài)環(huán)境野外調(diào)查是遙感調(diào)查與評估工作中非常重要的一個環(huán)節(jié)，通過對土地覆蓋類型、生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)以及典型區(qū)域生態(tài)特征的野外調(diào)查，獲得全國范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境本底數(shù)據(jù)，從而為提高土地覆蓋分類精度、驗證生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)、評估典型區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況提供基礎數(shù)據(jù)。

生態(tài)十年項目野外調(diào)查內(nèi)容不僅包括文字信息，還有照片、點位、觀測儀器原始文件等，涉及樣本點數(shù)量巨大(核查樣本點近8萬個、典型小樣區(qū)620個)，采用常規(guī)的紙質(zhì)手簿方式進行野外調(diào)查，存在成本高、效率低、工作量大、填報不規(guī)范且容易出錯等問題［1］，影響結(jié)果的準確性和完備性，并且不利于數(shù)據(jù)集成與后續(xù)分析。因此，很有必要探索一種簡便易用、穩(wěn)定可靠的野外調(diào)查數(shù)據(jù)采集解決方案，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境野外調(diào)查工作的數(shù)字化、智能化。

移動地理信息系統(tǒng)(簡稱Mobile GIS或移動GIS)集成了GPS、GIS、無線網(wǎng)絡技術，隨著計算機和通信技術的發(fā)展而迅速發(fā)展［2-3］，特別是無線網(wǎng)絡(3G、Wi-Fi)［4］以及具備定位、拍照等功能的個人數(shù)字助理(PDA)［5-6］、平板電腦［7］、智能手機等各種移動智能終端的廣泛應用，提高了空間信息采集、管理和分析能力［8］，被廣泛應用于野外數(shù)據(jù)采集與信息錄入［7，9-11］。但現(xiàn)有系統(tǒng)實時交互性差，缺乏審核校驗，同時，多為區(qū)域級應用，數(shù)據(jù)處理量較少，缺乏國家級應用。

因此，本文就如何建立面向全國生態(tài)環(huán)境調(diào)查的移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的相關問題進行了研究。在分析生態(tài)十年項目野外調(diào)查技術方案基礎上，明晰野外調(diào)查工作內(nèi)容和要求，針對野外數(shù)據(jù)采集的移動性、數(shù)據(jù)實時性和有效性等需求，提出了綜合利用移動智能終端、無線網(wǎng)絡的野外數(shù)據(jù)采集方案，基于ArcGIS for Mobile設計開發(fā)了移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以期為生態(tài)環(huán)境相關野外調(diào)查數(shù)據(jù)采集、管理提供高效的信息化手段與工具。

1 全國生態(tài)環(huán)境野外調(diào)查的數(shù)據(jù)采集需求

生態(tài)十年項目全國生態(tài)環(huán)境野外調(diào)查工作主要包括土地覆蓋類型地面核查、生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)野外觀測、典型區(qū)域生態(tài)實地調(diào)查共3個方面的內(nèi)容。項目組制定了野外調(diào)查技術方案，對野外調(diào)查組織實施方式、樣點布設、調(diào)查內(nèi)容、填報規(guī)范以及提交要求等方面進行了詳細規(guī)定，主要內(nèi)容如下:

(1)土地覆蓋地面核查分為生態(tài)十年項目實施管理組、全國生態(tài)環(huán)境十年變化土地覆蓋與地表參量遙感提取專題組(簡稱“遙感專題組”)、省級專題組3個層次負責實施。全國樣點共計79 349個，省級環(huán)保部門共計54 697個樣本點，遙感專題組共計24 652個，實施管理組進行抽查。主要采集信息包括樣本點位置、遙感土地覆蓋、實際土地覆蓋、植被覆蓋度、植被類型、植被功能、個體照片/景觀照片、采集日期、備注等。提交成果包括樣本點采集信息和野外調(diào)查路線。樣本點位置以實施管理組下發(fā)的矢量數(shù)據(jù)主要依據(jù)，實際核查地塊中心與指定樣本點位置距離在500m以內(nèi)的視為有效，在實際野外調(diào)查中難以到達的核查點可以調(diào)整，需要接近原核查點附近、類型相當?shù)貕K新增加核查點。

(2)生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)野外觀測由遙感專題組和省級專題組兩個層次負責實施，遙感專題組負責綜合樣區(qū)、典型樣區(qū)調(diào)查，省級環(huán)保部門負責典型小樣區(qū)調(diào)查。綜合樣區(qū)4個，典型樣區(qū)50個，典型小樣區(qū)620個。生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)野外觀測信息主要包括樣地位置、大小、環(huán)境照片、土地利用類型、土壤類型、坡度、坡向、植被蓋度、植被平均高度、葉面積指數(shù)(LAI)、生物量等信息。提交成果包括野外觀測信息、樣地坐標矢量文件(樣地及樣方中心點)以及儀器觀測原始文件(照片、LAI等)。樣區(qū)布設樣地，綜合樣區(qū)要求不低于100個樣地，典型樣區(qū)要求不低于25個，典型小樣區(qū)要求不低于3個。為保證野外調(diào)查精度，每個樣地須保證有2—9個重復樣方。

(3)典型區(qū)域生態(tài)實地調(diào)查則針對自然保護區(qū)、生物多樣性保護優(yōu)區(qū)、重點生態(tài)功能區(qū)、礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)等生態(tài)監(jiān)管重點區(qū)域，開展區(qū)域生態(tài)特征實地調(diào)查。典型區(qū)域生態(tài)實地調(diào)查需要填寫大量的文字信息，鑒于智能移動終端文字輸入的局限性，本研究暫不涉及典型區(qū)域生態(tài)實地調(diào)查。

根據(jù)以上分析，面向全國生態(tài)環(huán)境野外調(diào)查的移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應具備空間定位、數(shù)據(jù)綜合采集、多重校核機制、實時交互以及大數(shù)據(jù)管理等功能，以滿足全國范圍的生態(tài)環(huán)境調(diào)查需求。

2 移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構與功能

2.1 總體架構

全國生態(tài)環(huán)境野外調(diào)查移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從功能體系上看，主要由移動終端、系統(tǒng)管理網(wǎng)站和服務器端三部分組成，系統(tǒng)框架結(jié)構如圖1所示。移動終端是系統(tǒng)設計和研發(fā)的核心，主要實現(xiàn)野外調(diào)查中數(shù)據(jù)采集、錄入、校驗、上傳等。系統(tǒng)管理網(wǎng)站主要實現(xiàn)用戶注冊與管理、采集數(shù)據(jù)審核與管理、數(shù)據(jù)包管理、安裝包管理等。服務器端主要完成任務制作與管理、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)校驗等。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構圖Fig.1 Frame structure diagram of mobile data collection system

2.2 系統(tǒng)流程

移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程如圖2所示，主要過程包括:(1)任務下發(fā):野外調(diào)查任務通過網(wǎng)絡與移動介質(zhì)以任務信息離線包的形式發(fā)送到用戶計算機客戶端;(2)任務解析:在野外調(diào)查前，將下發(fā)任務信息解析生成野外數(shù)據(jù)采集任務;(3)數(shù)據(jù)采集:憑借快速定位、地圖快速切換瀏覽、圖/屬交互查詢以及多媒體信息自動掛接等輔助支持工具，實現(xiàn)調(diào)查指標的綜合采集;(4)數(shù)據(jù)上傳:經(jīng)由移動終端通過USB連接或無線方式上傳采集數(shù)據(jù)離線包、用戶地理位置信息;(5)任務審核:審核用戶通過網(wǎng)站進行任務初步審核，審核完成后提交任務，系統(tǒng)對提交任務進行審核，并向用戶返回審核結(jié)果。

2.3 主要功能模塊

(1)任務制作與管理

主要包括野外調(diào)查任務制作、導入和管理等功能。任務信息制作功能主要實現(xiàn)任務信息離線包的創(chuàng)建與分發(fā)，支持矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)按照空間范圍(分幅、省區(qū)、地級區(qū)域等)進行分割處理。任務生成功能主要是用戶通過USB連接或無線方式(如3G、Wi-Fi)由計算機客戶端將任務信息離線包導入移動端，解析生成野外數(shù)據(jù)采集任務。任務管理主要包括任務瀏覽、編輯、增加、刪除以及統(tǒng)計等功能。

(2)數(shù)據(jù)瀏覽

支持遙感影像、矢量數(shù)據(jù)的快速切換瀏覽及圖/屬交互查詢?yōu)g覽。系統(tǒng)提供圖層放大、縮小、漫游、查詢、鷹眼等功能，支持增加、移除、調(diào)序、顯示、自動標注以及符號定制等圖層管理功能。

圖2 系統(tǒng)總體流程圖Fig.2 The overall flow chart of customizable mobile data collection system

(3)數(shù)據(jù)采集

利用移動終端的定位和拍攝功能，結(jié)合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)編輯功能，支持野外調(diào)查指標、多媒體信息、地理位置信息等多種類型的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)核查點新建、照片等信息的自動編碼與掛接。

(4)數(shù)據(jù)同步

系統(tǒng)支持采集數(shù)據(jù)上傳與更新。數(shù)據(jù)上傳功能支持采集數(shù)據(jù)利用USB連接或無線方式經(jīng)由移動客戶端以采集數(shù)據(jù)離線包的形式上傳到數(shù)據(jù)庫，用戶地理位置可通過3G無線通訊方式實時發(fā)送到服務器。數(shù)據(jù)更新功能支持通過3G等無線通訊方式實現(xiàn)更新信息由服務器端直接下載，同時支持對已上傳數(shù)據(jù)的更新和修正。

(5)數(shù)據(jù)校驗與審核

移動終端能夠?qū)Σ杉畔⒌恼_性、完整性以及有效性進行檢查校驗。系統(tǒng)支持審核用戶通過網(wǎng)站進行任務初步審核和任務提交，支持審核用戶對任務信息進行瀏覽、修正。

(6)用戶管理

實現(xiàn)用戶管理各項功能，包括用戶注冊、權限分配、用戶審計、用戶位置跟蹤等。

(7)資料庫

移動客戶端內(nèi)置離線資料庫，便于野外調(diào)查人員查詢野外調(diào)查技術方案以及有關參考資料。

2.4 數(shù)據(jù)庫設計

移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要包括任務信息圖像庫、基礎地理信息庫、土地覆蓋類型地面核查庫、生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)野外觀測庫、用戶管理庫以及支撐信息庫。任務信息庫主要存儲各省區(qū)任務信息離線包。基礎地理信息庫主要是地名數(shù)據(jù)和行政邊界數(shù)據(jù)。土地覆蓋類型地面核查庫包括遙感解譯土地覆蓋類型地面核查任務信息和數(shù)據(jù)采集信息。生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)野外觀測庫則包括樣點、樣線、樣方等地面觀測尺度上地表參數(shù)測量信息。用戶管理庫用來存放用戶權限和注冊信息。支撐信息庫包括系統(tǒng)字典、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)日志等信息。

3 移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關鍵技術研究

3.1 應用運行機制

移動GIS分為APP應用和Web瀏覽器應用兩類應用運行機制。APP應用基于C、C++或Java等語言開發(fā)，直接運行在移動終端上。Web瀏覽器應用模式是指通過移動終端上的瀏覽器或中間件來運行的GIS應用。Web瀏覽器模式的通用性強，但需要有服務端的基礎。鑒于生態(tài)環(huán)境野外調(diào)查的無線信號不穩(wěn)定和數(shù)據(jù)資源應用量大的特點，移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用APP應用運行機制，可以更充分地發(fā)揮終端的硬件資源能力，也能支持更全面、豐富的GIS功能。

3.2 數(shù)據(jù)訪問模式

移動GIS數(shù)據(jù)訪問更新包括在線、離線和混合3種模式。離線應用的數(shù)據(jù)在移動端本地存儲，數(shù)據(jù)訪問不受限于網(wǎng)絡，訪問速度更快，但數(shù)據(jù)更新編輯后需要有良好的與服務器同步的機制。在線應用的優(yōu)勢則在于對移動端本地存儲要求低，而且可以實時更新數(shù)據(jù)，但在網(wǎng)絡中斷或無信號時不能使用，并耗費一定的流量成本。移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用混合模式，將實時在線模式與離線模式結(jié)合起來，野外調(diào)查人員在外調(diào)查時可利用離線數(shù)據(jù)包進行數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)也可以緩存到移動端;當無線網(wǎng)絡(如3G、Wi-Fi)通暢時可以使用在線模式與服務器實時同步更新數(shù)據(jù)，大大降低了系統(tǒng)對網(wǎng)絡條件的依存度。

3.3 移動數(shù)據(jù)庫技術

移動環(huán)境下的移動數(shù)據(jù)庫是當前國際數(shù)據(jù)界的一個新的研究方向。移動終端存在處理能力弱、內(nèi)存小和電量供應時間短等設備資源型限制問題，而傳統(tǒng)的關系型數(shù)據(jù)庫體系龐大，并占用了相當多的系統(tǒng)資源。新近發(fā)展起來的嵌入式數(shù)據(jù)庫直接在應用程序進程中運行，提供了零配置運行模式，并且資源占用非常少，非常適合移動數(shù)據(jù)管理。目前國內(nèi)外市場上有多種嵌入式數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，如Pocket Access、SQL Server CE、Oracle Lite、Berkley DB、SQLite、OpenBase Mini等［12］，每種數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品在技術上都有不同的側(cè)重點，以滿足嵌入式應用不同層次的需求。其中，SQLite是一款開源的、輕量級的、嵌入式的關系型數(shù)據(jù)庫，支持Windows、Linux、Unix、Mac OS、Android、IOS等主流操作系統(tǒng)平臺，被廣泛應用在蘋果、Adobe、Google的各項產(chǎn)品中。本系統(tǒng)移動終端數(shù)據(jù)庫采用SQLite，大大減少了應用程序管理數(shù)據(jù)的開銷，提高了數(shù)據(jù)處理效率，同時，無需進行數(shù)據(jù)庫安裝和管理配置，方便應用。

由于移動環(huán)境具有動態(tài)的移動性、有限的信道帶寬、環(huán)境的復雜性等特點，移動數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)在采集和傳輸中易于出錯或丟失［13］，因此需要建立有效的恢復和容錯機制以保證數(shù)據(jù)的可用性和正確性。移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用自動備份、手動暫存、數(shù)據(jù)導出、多重校驗等多種機制，保證采集數(shù)據(jù)的安全。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于ArcGIS移動解決方案，采用C#和Java語言，以SQL Server 2008為服務器端的數(shù)據(jù)庫環(huán)境，Microsoft Visual Studio 2008集成開發(fā)環(huán)境上實現(xiàn)設計開發(fā)。移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)移動終端可部署在配置Android(版本2.3及以上)操作系統(tǒng)的任何移動智能設備上，終端主界面如圖3所示，實現(xiàn)了空間定位、數(shù)據(jù)采集與錄入、數(shù)據(jù)校驗、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)導出等功能。

圖3 移動終端主界面Fig.3 The main interface of customizable mobile data collection system

5 應用與展望

移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制完成后，在生態(tài)十年項目土地覆蓋類型地面核查、生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)野外觀測等工作中得到了應用。經(jīng)使用，系統(tǒng)運行正常，開發(fā)功能基本滿足野外調(diào)查技術要求。系統(tǒng)野外調(diào)查人員利用該系統(tǒng)進行野外調(diào)查數(shù)據(jù)采集，大多數(shù)項目可通過下拉選擇形式進行填寫，同時照片名稱按照規(guī)范進自動編碼，無需后期手動修改，減小了野外調(diào)查工作量，提高了工作效率;通過多重校驗，保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量，采集數(shù)據(jù)實時或直接導入數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了有效管理和長期應用。

實踐檢驗表明本文提出的移動數(shù)據(jù)采集方案可以較好的解決常規(guī)生態(tài)環(huán)境調(diào)查時數(shù)據(jù)記錄方式落后的問題，數(shù)據(jù)的有效性和完整性得到了提高。在應用過程中，也發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)存在的一些問題。主要是當前移動終端硬件配置不高，對大數(shù)據(jù)量空間圖層的顯示、查詢、定位等功能有影響，照相功能不能滿足典型區(qū)調(diào)查中對高質(zhì)量相片采集的需求;目前系統(tǒng)后臺對于空間數(shù)據(jù)，主要采取切片方式進行轉(zhuǎn)換處理，轉(zhuǎn)換效率較低，同時也限制了系統(tǒng)應用的靈活性。今后將根據(jù)業(yè)務需求對系統(tǒng)進行進一步優(yōu)化和完善，簡化后臺數(shù)據(jù)處理工具，集成導航定位、軌跡記錄等功能，提高系統(tǒng)靈活性和實用性，使該系統(tǒng)不僅在此次生態(tài)十年項目中進行應用，也能夠在類似的地面調(diào)查和野外數(shù)據(jù)采集工作中發(fā)揮作用。

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