基于平板電腦的森林資源信息外業(yè)采集APP設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

古美景

摘 要：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 集成在平板電腦中，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APP軟件，該軟件利用 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、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。

關(guān)鍵詞：平板電腦 森林資源 外業(yè)采集 GPS

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

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APP，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。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模塊的平板電腦作為系統(tǒng)運(yùn)行載體。在平板電腦上充分發(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，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APP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的平板電腦單機(jī)定位的精度在6m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。結(jié)合遙感影像圖和地形圖，在平板電腦屏幕上采用對(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)平板電腦平臺(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，不同的平板電腦硬件平臺(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。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：

2.2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：

2.3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，則按照廣西省森林資源規(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。

2.4蓄積量的計(jì)算

單木材積的計(jì)算公式為：，為了便于野外操作，系統(tǒng)內(nèi)置廣西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：。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，標(biāo)準(zhǔn)地標(biāo)準(zhǔn)地林分林分。系統(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APP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(lèi)，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)在廣西省某國(guó)有林場(chǎng)進(jìn)行了試用。按照二類(lèi)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(lèi)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5～6s，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。空曠地區(qū)GPS定位時(shí)間在20s之內(nèi)，山谷有遮擋地區(qū)定位在60s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、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(lèi)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。

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)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。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0.5m以內(nèi)，能夠滿足本次測(cè)試的需求。測(cè)試數(shù)據(jù)表明：水平方向上的最大誤差5.7m，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5.8m，最小0.3m；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1.8m，點(diǎn)位誤差為2.8m，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(lèi)調(diào)查所的精度要求。

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(lèi)型，而且減少內(nèi)業(yè)工作量；二類(lèi)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)置了廣西省不同樹(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)，能夠滿足廣西省二類(lèi)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6m以內(nèi)，滿足林區(qū)大范圍測(cè)量需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬榮華，黃杏元等.數(shù)字地球時(shí)代“3s”集成的發(fā)展[J].地理科學(xué)進(jìn)展.2012，20（1）： 89-95.

[2] 李家樹(shù)，魏輝根.平板電腦在高效數(shù)字化教育中的應(yīng)用與展望[J]電腦編程技巧與維護(hù).2012，（10）：156-156

[3]楊志高，吳雨光.多源分布式森林資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào).2011，26（2）：171.