移動平臺3S集成技術(shù)在林業(yè)野外調(diào)查中的應(yīng)用

代 斌，霍志龍，姚正剛

(1.四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，四川 成都 610500；2. 四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610081； 3.梓潼縣林業(yè)局，四川 梓潼 622150)

3S技術(shù)從20世紀90年代開始就在林業(yè)、農(nóng)業(yè)、國土等行業(yè)的野外調(diào)查工作中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1～4]。通常情況下，我們使用手持GPS獲取調(diào)查對象的空間信息，使用衛(wèi)星遙感影像或地形圖打印出來作為野外調(diào)查的工作手圖，使用GIS系統(tǒng)對GPS數(shù)據(jù)和RS遙感影像工作手圖的數(shù)據(jù)矢量化處理后再進行各種空間分析和制作專題調(diào)查成果，這是3S技術(shù)在林業(yè)調(diào)查中應(yīng)用的常態(tài)。在這種應(yīng)用模式下，林業(yè)野外調(diào)查人員開展調(diào)查工作時，需要準備并攜帶手持GPS、計算器、地形圖、影像圖、照相機、記錄表格、過往檔案資料等大量的工器具和材料[2]，特別是從幾十幅甚至上百幅的地形圖中找到調(diào)查范圍并復(fù)印相應(yīng)的圖紙非常不方便；即使到達調(diào)查現(xiàn)場后，通過識別地形圖或遙感影像特征確定所在位置和勾繪圖班，也需要經(jīng)過長期的專業(yè)訓(xùn)練才能完成，給基層林業(yè)技術(shù)人員帶來很大的困擾。

近年來，隨著移動設(shè)備的各項性能越來越強大，移動平臺3S集成技術(shù)應(yīng)運而生，它將GIS(地理信息系統(tǒng)Geographical information System)、GPS(全球定位系統(tǒng)Global Positioning System)和RS(遙感技術(shù)Remote Senescing)有機結(jié)合在手持移動設(shè)備上使用，GIS、RS、GPS的 者集成可構(gòu)成高度自動化、實時化、智能化的地理信息系統(tǒng)，以解決復(fù)雜的應(yīng)用問題[1]。這一技術(shù)讓用戶在手機、平板電腦上能夠輕松地使用移動平臺的GIS軟件，把各種矢量數(shù)據(jù)和遙感影像(RS)進行空間疊加，使用智能終端的定位模塊(GPS、北斗)實時獲取位置信息與矢量數(shù)據(jù)和遙感影像進行疊加。移動平臺3S集成技術(shù)，能夠?qū)⒁粋€縣或者更大范圍的各種矢量、光柵數(shù)據(jù)裝在一個小小平板電腦或手機之中，隨身攜帶在野外進行數(shù)據(jù)的采集、查詢、編輯等，徹底改變了我們獲取和使用地理信息數(shù)據(jù)的方式。對用戶來說，空間數(shù)據(jù)不再是抽象的不可捉摸的，它變得更加直觀，更加可視化，同時對使用者的技術(shù)和技能要求更低，而且?guī)缀醪恍枰鋈魏螠蕚涔ぷ骶湍軡M足基層林業(yè)部門的野外調(diào)查需求，調(diào)查者到達調(diào)查現(xiàn)場后，只要打開移動設(shè)備后啟動應(yīng)用，即可定位到所處位置，結(jié)合各種已有資料馬上開始調(diào)查工作，成為3S技術(shù)在林業(yè)野外調(diào)查中應(yīng)用的新趨勢[4]。

1 移動平臺3S集成的軟、硬件選擇

1.1 硬件的選擇與準備

移動平臺3S集成技術(shù)的硬件，一般是指平板電腦、智能手機等能方便攜帶的移動設(shè)備。在選擇硬件的時候，需要重點考慮的因素包括：

1.1.1 將要使用的GIS軟件。目前移動設(shè)備上使用的GIS軟件分為支持IOS(蘋果)、Android(安卓)、windows(微軟)三大類，在選擇移動設(shè)備的時候，首先就要先確定準備使用的移動GIS軟件是應(yīng)用于哪個系統(tǒng)平臺的，必須購買相應(yīng)平臺的移動設(shè)備。

1.1.2 性能。移動GIS因為要處理大量的光柵和矢量數(shù)據(jù)，運行需要的性能配置不能太低，通過試驗，CPU六核心1.6 G以上，運行內(nèi)存4 GB以上，存儲容量64 GB以上，能夠滿足現(xiàn)有移動GIS軟件較為流暢地運行。同時還需要考慮設(shè)備運行的穩(wěn)定性，盡量考慮成熟品牌機型，特別是在選擇工業(yè)三防平板時要慎重測試設(shè)備的各項性能。

1.1.3 續(xù)航時間。由于移動設(shè)備需要長時間的野外操作使用，對電池的續(xù)航時間也有較高的要求，選擇容量在 5 000 MA，理論待機時間250 h以上能滿足野外工作8h左右的為宜。最好能配備一塊大容量的充電寶野外備用。

1.1.4 便攜性。方便野外攜帶使用，重量輕，屏幕尺寸在6 in～10 in之間，以8 in最適合野外操作。

1.1.5 內(nèi)置GPS定模塊。智能手機和平板電腦等移動設(shè)備內(nèi)置的GPS定位功能模塊直接關(guān)系到定位的準確性，以同時支持GPS，GLONASS，北斗(BDS)3種模式定位的移動設(shè)備為佳。

1.1.6 三防功能，適合野外使用。這里的三防更多應(yīng)考慮防水、防摔、防眩光的功能，三防功能和便攜性往往不能很好地兼顧，兩者有沖突的時候優(yōu)先考慮便攜性。

1.2 軟件的選擇與準備

這里所指的軟件，是指在移動平臺上運行的GIS軟件。在軟件選擇的時候，需要重點考慮以下幾個方面：

1.2.1 支持的操作系統(tǒng)

在選擇移動GIS軟件的時候，首先要考慮軟件必須要與將使用的移動硬件設(shè)備的操作系統(tǒng)相匹配。移動GIS軟件支持的主流操作系統(tǒng)主要有Android(安卓)、IOS(蘋果)、windows(微軟)，據(jù)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計，2017年我國移動設(shè)備操作系統(tǒng)的市場份額如下：Android(安卓)86.4%、IOS(蘋果)13.2%、windows(微軟)0.2%、其他占0.2%。從上面的數(shù)據(jù)可以看出，目前Android(安卓)系統(tǒng)的硬件設(shè)備種類最多，可選擇的范圍大，因此，選擇運行于Android(安卓)平臺的移動gis軟件，意味著你有更多的硬件選擇空間。

1.2.2 軟件功能

移動GIS軟件其實就是在移動設(shè)備上運行的一個APP應(yīng)用，大多支持網(wǎng)上自動更新。移動GIS軟件目前種類繁多，功能上差易較大，有的是針對專業(yè)應(yīng)用定制開發(fā)，有的是通用型移動GIS。目前做這類開發(fā)的公司一般規(guī)模不大，尚未形成行業(yè)性的標桿企業(yè)，在選擇軟件的時候，需要對其功能性進行考察，選擇適合自己的移動GIS軟件。移動GIS軟件至少應(yīng)具備以下功能，詳見表1。

在眾多的基礎(chǔ)功能中，作為林業(yè)野外調(diào)查應(yīng)用，更應(yīng)關(guān)注的功能包括以下幾點：

①支持多種坐標系統(tǒng)：林業(yè)上目前廣泛使用的是80坐標系統(tǒng)，也需要使用其他一些坐標系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，支持多種坐標系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可以最大限度地使用我們現(xiàn)有的各類數(shù)據(jù)資源。當然，我們也可以通過桌面GIS軟件對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行坐標系轉(zhuǎn)換后使用。

②提供影像等光柵底圖的轉(zhuǎn)換工具。移動GIS軟件的核心技術(shù)之一是對各類大數(shù)據(jù)量的光柵底圖，如地形圖、衛(wèi)星影像，航攝影像的處理和支持，通過專用轉(zhuǎn)換工具能夠在移動設(shè)備中流暢地顯示和瀏覽。一般情況下，轉(zhuǎn)換工具要滿足壓縮比高和顯示無卡頓的特性。

表1 移動GIS軟件應(yīng)具備的基本功能

③支持SHP格式文件的直接導(dǎo)入導(dǎo)出。移動平臺3S集成技術(shù)在林業(yè)上大多是作為野外數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，林業(yè)行業(yè)的地理信息平臺大多采用ARCGIS，因此對shp格式文件的支持非常重要，已有的矢量文件能夠方便直接導(dǎo)入到移動設(shè)備中使用，移動設(shè)備采集和編輯后的矢量文件能夠快速轉(zhuǎn)出供ARCGIS平臺使用。

④數(shù)據(jù)采集和編輯功能完善。移動GIS軟件要具有較為豐富的圖形和屬性數(shù)據(jù)的編輯功能，以滿足野外工作的需要。如野外能多種方式定點，并記錄所在點位的坐標；能野外用電磁筆調(diào)查勾繪，并實時顯示或查詢所繪圖班的面積；能方便地對已繪制的圖班進行調(diào)整編輯形狀，并方便地記錄調(diào)查的屬性信息；能自動記錄調(diào)查者的運動軌跡并存貯為SHP格式的文件；能根據(jù)用戶需求對采集圖層的字段結(jié)構(gòu)進行自定義；能對各個圖層進行渲染和注記；能對指點圖班進行拍照、錄音、錄像作為調(diào)查的輔助記錄，且能修改和編輯等等

1.2.3 穩(wěn)定性、流暢性和易操作性

移動GIS軟件的穩(wěn)定性、流暢性和易操作性是用戶在選擇軟件的時候應(yīng)該重點關(guān)注的，可以在加載大量數(shù)據(jù)的情況下進行測試。所謂大數(shù)據(jù)量，至少應(yīng)該以一個中等縣(面積 2 000 km2)為例，加載全縣的18級衛(wèi)星影像，加載全縣1萬比例尺光柵地圖，加載全縣林地一張圖的各級行政圖層和小班圖層，加載全縣二類調(diào)查小班圖層，加載全縣的公益林檔案圖層等等，在各種圖層加載后，將移動設(shè)備在野外測試其穩(wěn)定性、流暢性和易操作性。

對于穩(wěn)定性，測試方法是：正常高強度使用軟件的情況下，觀察有無軟件崩潰、無提示退出、卡死等現(xiàn)象，一天之中偶爾有1次，可以接受，超過3次，則認為軟件存在穩(wěn)定性方面的問題。

對于流暢性，測試方法是：在地圖各圖層全部顯示的狀態(tài)下，進行放大、縮小、移動等視圖操作，在視圖切換過程中，更新時間0.5 s以內(nèi)，無明顯卡頓，屬于優(yōu)良的軟件，0.5 s～1 s以內(nèi)的更新時間屬于合格的軟件，超過2 s的更新時間，則在流暢性方面存在缺陷。

對于易用性，測試的方法是：通過1 d以內(nèi)的技術(shù)培訓(xùn)，零基礎(chǔ)的使用人員能夠使用軟件進行野外定位、采集和繪制小班圖形，查詢小班面積、編輯小班圖形和屬性、導(dǎo)出野外采集數(shù)據(jù)在ARCGIS中使用這些常用功能，則易用性為優(yōu)；1 d～7 d時間，用戶能完成以上工作的為良；超過1周用戶都不能使用這些基本功能的則易用性較差。

1.2.4 可擴展性和行業(yè)化

移動GIS軟件的可擴展性是指軟件支持外圍GPS設(shè)備和其他測量設(shè)備的能力。在用戶對定位精度沒有特別要求的情況下，移動設(shè)備自帶的3 m～10 m的定位精度基本能滿足林業(yè)野外調(diào)查的需求，但是，對于精度要求較高的應(yīng)用場景，一些移動GIS軟件能支持專業(yè)差分GPS定位設(shè)備的數(shù)據(jù)接入，通過專業(yè)GPS的藍牙功能，將實時采集的定位數(shù)據(jù)傳入軟件供使用；還有一些軟件支持藍牙接入手持激光測距電子羅盤等設(shè)備的測量數(shù)據(jù)接入。 這樣的擴展能力使得移動GIS軟件不僅僅只用于調(diào)查勾繪，還可以應(yīng)用于精準的小面積測量、施工放線、工程造林驗收等多種精細化的應(yīng)用需求。

移動GIS軟件的行業(yè)化是指軟件與行業(yè)結(jié)合的緊密度和專業(yè)性。移動GIS軟件的發(fā)展目前分為兩個方向，一個方向是通用型，另一個方向是專業(yè)型。通用型的移動GIS軟件的架構(gòu)更為靈活，功能更全面，適合各種行業(yè)根據(jù)自身特點來組織數(shù)據(jù)和使用，這類軟件的優(yōu)勢在于它有專業(yè)的開發(fā)和維護團隊，功能更加成熟穩(wěn)定；專業(yè)型的移動GIS軟件則是專門針對特定的行業(yè)進行定制開發(fā)，功能與行業(yè)應(yīng)用結(jié)合緊密是其優(yōu)勢，但由于用戶的數(shù)量有限，使用的面較窄，長期的軟件維護和升級優(yōu)化大多缺乏專業(yè)團隊支撐。在選擇軟件的時候，兩類軟件各有優(yōu)勢，應(yīng)作好利弊權(quán)衡。

2 移動平臺3S集成的數(shù)據(jù)準備

由于不同地理信息平臺的數(shù)據(jù)并沒有一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表達的標準規(guī)范，所以各GIS應(yīng)用軟件都使用各自的數(shù)據(jù)定義方式，當需要建立一個標準的地理信息數(shù)據(jù)庫的時候，就需要將來自不同GIS應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)進行格式的轉(zhuǎn)換操作，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合[1]。數(shù)據(jù)準備是移動平臺3S集成重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，需要把林業(yè)野外調(diào)查相關(guān)的大量的矢量化數(shù)據(jù)、光柵影像數(shù)據(jù)集成到移動設(shè)備上，才能與移動GIS軟件和衛(wèi)星定位設(shè)備協(xié)同運作。

2.1 矢量數(shù)據(jù)的準備

一個縣的主要矢量數(shù)據(jù)文件一般要準備以下圖層，以滿足在外業(yè)使用過程中，隨時知道自己所在的行政區(qū)劃和經(jīng)營區(qū)劃。以下這些圖層，是森林資源管理中使用最頻繁的數(shù)據(jù)，應(yīng)將其轉(zhuǎn)換為西安80坐標系的SHP文件。各圖層的投影坐標系要完全一致，以確保數(shù)據(jù)能正確在移動GIS中加載使用。

?縣鄉(xiāng)村林場各類駐地點圖層——來源于林地一張圖地名點圖層；

?縣行政區(qū)劃面圖層——來源于林地一張圖；

?鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃面圖層——來源于林地一張圖，其中包括林業(yè)局、林場的經(jīng)營區(qū)劃信息；

?村行政區(qū)劃面圖層——來源于林地一張圖，其中包括作業(yè)區(qū)、林班的經(jīng)營區(qū)劃信息；

?小班區(qū)劃現(xiàn)狀圖層——來源于林地一張圖的現(xiàn)狀圖層；

?公益林圖層——來源于公益林年度更新檔案數(shù)據(jù)庫；

2.2 光柵圖像數(shù)據(jù)的準備

這類數(shù)據(jù)一般是衛(wèi)星遙感影像、航攝影像、地形圖等等。光柵圖像文件一般是作為背景信息與矢量文件疊加使用，也可以作為野外調(diào)查的基礎(chǔ)底圖進行使用。在準備這些數(shù)據(jù)時，最重要的工作就是利用各種工具軟件進行相嵌、融合、校正和投影坐標系的轉(zhuǎn)換[5]，使之與已有的矢量數(shù)據(jù)使用同一投影坐標，能夠高度吻合。通過在野外疊加分析和相互參照采集數(shù)據(jù)。目前谷歌衛(wèi)星遙感影像使用WGS84坐標系，天地圖遙感影像和航攝影像以及最新版的地形圖使用CGCS2000坐標系，老版地形圖的坐標系則使用西安80或北京54坐標系。由于林業(yè)行業(yè)矢量數(shù)據(jù)大多為80坐標系，因此需要將不同坐標系的光柵圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到西安80坐標系才能使用，常用的轉(zhuǎn)換方法包括參數(shù)法和ARCGIS地理配準校正的方法。

參數(shù)法有三參數(shù)法、四參數(shù)法和七參數(shù)法。林業(yè)上對坐標的絕對精度要求并不高，因此在小范圍內(nèi)(經(jīng)驗值小于30 km)，可以考慮使用三參數(shù)或四參數(shù)進行轉(zhuǎn)換，否則選擇七參數(shù)法。參數(shù)法轉(zhuǎn)換需要向測繪部門購買公共已知點，通過公式計算出X平移、Y平移、Z平移、X旋轉(zhuǎn)、Y旋轉(zhuǎn)、Z旋轉(zhuǎn)、尺度變化K這七個參數(shù)，進行兩個坐標系之間的精確轉(zhuǎn)換。

ARCGIS地理配準校正法。這種方法是通過在ARCMAP中打開目標坐標系圖層和需要校正的光柵影像，通過地理配準的方法，指定盡量多的同一特征點，如道路交叉口，河流交叉口，房角等，利用ARCGIS的校準功能，強制性地將坐標系進行校正。這種方法是最廉價最適用的校正方法，也能滿足林業(yè)野外調(diào)查的精度要求，被廣泛使用。

2.3 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

移動平臺GIS一般提供了矢量數(shù)據(jù)和光柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到移動設(shè)備使用的轉(zhuǎn)換軟件。通過以上的數(shù)據(jù)準備以后，所有數(shù)據(jù)均被轉(zhuǎn)換至同一投影坐標系，按照轉(zhuǎn)換軟件的使用說明進行操作和設(shè)置，即可拷貝至移動設(shè)備上使用。

3 林業(yè)野外調(diào)查3S集成應(yīng)用場景

3.1 資源調(diào)查應(yīng)用

移動平臺3S集成技術(shù)應(yīng)用于二類調(diào)查，具有以下優(yōu)勢：圖紙和各種參考數(shù)據(jù)均存放于移動設(shè)備上，可以讓野外調(diào)查人員不必攜帶大量的圖紙，隨時出發(fā)進行野外調(diào)查；全部調(diào)查范圍的地形圖、遙感影像等拼接為1張圖，減少野外接圖拼圖的時間；通過GPS實時定位并將位置顯示在影像圖上，減少現(xiàn)場確定站立點的時間，下車即可開始調(diào)查，提高調(diào)查效率；通過拍照、視頻、語音、輸入等多種方式快速記錄調(diào)查小班的主要因子；調(diào)查采集或勾繪的圖形數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)出到桌面GIS進行處理和完善，真正實現(xiàn)內(nèi)外一體化。

3.2 作業(yè)設(shè)計應(yīng)用

移動平臺3S集成技術(shù)的使用，可以讓不熟悉地形圖使用的人員也能進行野外調(diào)查。因為地形圖、遙感影像通過處理后，已經(jīng)高度吻合，調(diào)查人員只需要關(guān)注直觀的影像特征進行勾繪調(diào)查，就可以將調(diào)查結(jié)果直接與地形圖相關(guān)聯(lián)。對于勾繪調(diào)繪還困難的技術(shù)人員，更有效的方法，就是可以圍繞調(diào)查的地塊走動，記錄其軌跡即可，小班的邊界和面積在地圖上一目了然。在內(nèi)業(yè)桌面GIS處理中，使用和移動設(shè)備上相同的矢量和光柵圖層，通過預(yù)先制作的MXD工程文件快速制作各類設(shè)計圖。

3.3 各類檢查驗收應(yīng)用

如今，環(huán)保督查、森林資源監(jiān)督檢查、退耕還林年度檢查驗收、保護區(qū)人為活動監(jiān)測等，都大量使用了矢量數(shù)據(jù)下發(fā)后進行現(xiàn)地核實的方法和手段。通過使用移動平臺3S集成技術(shù)，只需要將下發(fā)的矢量圖層加入移動GIS中，即可方便地導(dǎo)航至需要核實的地塊，有的移動平臺GIS軟件還支持第三方導(dǎo)航軟件，為到達調(diào)查現(xiàn)場提供方便。

3.4 行政執(zhí)法和資源管理應(yīng)用

移動平臺3S集成技術(shù)可以將全縣范圍內(nèi)的各類矢量和光柵數(shù)據(jù)裝入移動設(shè)備并隨身攜帶，在進行資源管理行政執(zhí)法過程中，現(xiàn)場就可以查詢各類資源數(shù)據(jù)，比如是否在保護區(qū)內(nèi)，是否是國家公益林，是否在其他重點生態(tài)區(qū)域，林地保護等級是幾級……都可以在現(xiàn)地查詢得清清楚。比先采集坐標點再室內(nèi)利用桌面GIS查詢更方便，更高效。

3.5 應(yīng)用心得

移動平臺3S集成技術(shù)由于其便攜性、大數(shù)據(jù)容量、無需網(wǎng)絡(luò)支持、直觀性和地理信息可視化表達等優(yōu)勢，為林業(yè)野外調(diào)查提供了新一代的調(diào)查工具。通過筆者近年來使用的經(jīng)驗，在使用過程中，要注意以下幾個方面：首先它不適合野外記錄大量數(shù)據(jù)，大量數(shù)據(jù)的野外錄入，會降低用戶的使用體驗；其二它不應(yīng)作為大量圖形編輯的平臺，大量的圖形編輯應(yīng)放在外業(yè)調(diào)查后在桌面GIS中進行；三是在使用過程中應(yīng)注意地形圖等涉密數(shù)據(jù)保密，防止丟失造成不必要的損失；第四是充分利用照片、視頻、語音進行信息記錄的獨特優(yōu)勢；第五是移動GIS和桌面GIS應(yīng)使用一樣的圖層和一樣的投影坐標系，方便野外調(diào)查數(shù)據(jù)的匯總和處理；第六是在二類調(diào)查這些大規(guī)模的區(qū)劃調(diào)查時，應(yīng)先在桌面GIS上進行圖班的區(qū)劃，移動端作為野外信息采集的工具使用；第七是這一技術(shù)特別適合采伐設(shè)計、造林設(shè)計、征占用林地、檢查核查等工作，特別適合非專業(yè)的林業(yè)技術(shù)人員使用。

3.6 移動平臺3S集成技術(shù)的發(fā)展，呈現(xiàn)出與網(wǎng)絡(luò)GIS相互融合的新方向

網(wǎng)絡(luò)GIS是基于C/S、B/S空間Web服務(wù)、移動與嵌入式等技術(shù)[6]，采用分布式計算進行海量空間數(shù)據(jù)管理，通過網(wǎng)絡(luò)提供發(fā)布、瀏覽、下載、查詢、分析、更新等桌面GIS的功能的網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)平臺，它具有開放性、互操作、社會化采集數(shù)據(jù)和更新的特點，為移動平臺3S集成技術(shù)的應(yīng)用提供了更大的舞臺。移動平臺3S集成技術(shù)將作為網(wǎng)絡(luò)GIS平臺數(shù)據(jù)實時更新、信息采集和查詢的前端設(shè)備，為林業(yè)資源數(shù)據(jù)庫的共建共享提供便捷服務(wù)。

參考文獻：

[1] 馬莉、宋慶慶．“3S”集成技術(shù)研究現(xiàn)狀的綜述[J]．資源環(huán)境與發(fā)展，2009(2)：32～49．

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[3] 江聰世，邊馥苓．3S集成技術(shù)在廣州農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究[J]．測繪通報，2005(11)：25～27．

[4] 鄭澤忠，范東明，等．3S集成技術(shù)在土地利用動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用[J]．測繪通報，2005(11)：25～27．

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[6] 胡圣武，朱燕霞．網(wǎng)絡(luò)GIS的發(fā)展及其應(yīng)用[J]．測繪工程，2007(4)：5～9.