“3S”技術(shù)在林業(yè)勘測設(shè)計中的應(yīng)用

佟 亮

(塔河林業(yè)局森林調(diào)查設(shè)計大隊，黑龍江 塔河 165200)

1 林業(yè)勘測設(shè)計中的“3S”技術(shù)

林業(yè)勘測設(shè)計中的“3S”技術(shù)體系已經(jīng)比較成熟，在信息獲取的及時性、勘測數(shù)據(jù)的細(xì)致性、分析結(jié)果的可信度等方面均具有較為明顯的技術(shù)優(yōu)勢。以“3S”技術(shù)為核心的林業(yè)勘測設(shè)計工作流程如圖1所示。

圖1 基于“3S”技術(shù)的林業(yè)勘測設(shè)計流程圖Fig.1 Flow chart of forestry survey and design based on “3S” technology

1.1 全球定位系統(tǒng)(GPS)

林業(yè)勘測設(shè)計中，首要任務(wù)是確定目標(biāo)位置與范圍。以往勘測人員進(jìn)行外業(yè)調(diào)查時都是借助于手持的羅盤儀等工具確定待勘測林區(qū)的地理位置，不僅費時費力，且誤差較大，直接影響了勘測數(shù)據(jù)的利用價值。GPS能夠準(zhǔn)確、快速地獲取目標(biāo)位置，自動進(jìn)行時間定位，為后期的數(shù)據(jù)檢索和利用提供了便利。根據(jù)定位方式的不同，選擇常規(guī)的碼定位，坐標(biāo)精度可以達(dá)到米級。若對精度要求較高，可選擇載波定位，精度最高可以達(dá)到分米級?；贕PS的林業(yè)勘測系統(tǒng)主要由3個模塊組成，分別是野外數(shù)據(jù)采集模塊、野外設(shè)備巡視模塊、GPS/GIS模塊。其中，野外數(shù)據(jù)采集模塊是通過預(yù)設(shè)參數(shù)(包括勘測范圍、采樣頻率等)，對特定區(qū)域內(nèi)的森林植被信息進(jìn)行采集，可支持定時結(jié)束或定量結(jié)束，前者是設(shè)定采集時間，達(dá)到設(shè)定時間后自動結(jié)束野外數(shù)據(jù)的采集。后者是設(shè)定數(shù)據(jù)總量，當(dāng)樣本數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定數(shù)量后自動結(jié)束采集。野外設(shè)備巡視模塊的功能是進(jìn)行GPS設(shè)備運(yùn)行工況的自檢，保證勘測工作的順利進(jìn)行，保證采集到的數(shù)據(jù)全面、可靠。GPS/GIS模塊是對設(shè)備采集到的林業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的篩選處理，剔除無效的、冗余的數(shù)據(jù)，減輕后續(xù)數(shù)據(jù)處理及分析的工作量。

1.2 衛(wèi)星遙感(RS)

RS技術(shù)是利用不同物體在反射、吸收電磁波方面的特性差異，提取電磁波進(jìn)而實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離識別物體并采集物體信息的一種技術(shù)。衛(wèi)星遙感系統(tǒng)具有廣泛覆蓋的特點，理論上只需要3顆遙感衛(wèi)星即可實現(xiàn)對全球任意位置的勘測。RS系統(tǒng)在拍攝目標(biāo)影像時，始終保持與地球自轉(zhuǎn)的同步，因此可以使拍攝的影像資料維持較高的清晰度。另外，遙感衛(wèi)星還能從不同角度對同一坐標(biāo)進(jìn)行多組拍攝，更加全面地展示該坐標(biāo)上的信息。將GPS和RS配合使用，實現(xiàn)了點、面結(jié)合，兩者相輔相成，進(jìn)一步提高了勘測信息的豐富性和信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。近年來，RS技術(shù)發(fā)展迅速，除了分辨率進(jìn)一步提高，圖像信息更加豐富、精確外，還能支持林業(yè)勘測工作實現(xiàn)從定向到定量、從靜態(tài)估算到動態(tài)監(jiān)測、從試驗分析走向生產(chǎn)應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。另外，基于RS獲取的林業(yè)數(shù)據(jù)，還能以多種圖像的形式呈現(xiàn)出來，如ETM圖像、SPOT圖像、IKONOS圖像、多光譜航空像片等。將各種格式的圖像存儲到數(shù)據(jù)庫中，利用MAPGIS或Mapsource等軟件進(jìn)行圖像信息的復(fù)合處理，在一張電子地圖中可以精細(xì)地呈現(xiàn)出測繪區(qū)域的林業(yè)信息，為林業(yè)工作開展提供參考和指導(dǎo)。

1.3 地理信息技術(shù)(GIS)

GIS是將前面收集到的海量信息進(jìn)行匯總、處理的軟件，并提供自動糾正數(shù)據(jù)差錯、自動進(jìn)行數(shù)據(jù)更新的功能。在數(shù)據(jù)存儲方面，GIS軟件支持2種存儲模式，一是本地物理服務(wù)器存儲，方便快速檢索和調(diào)用需要分析的數(shù)據(jù)；二是線上虛擬服務(wù)器，用于存儲文件的備份，防止數(shù)據(jù)丟失。對于最終的分析結(jié)果，GIS軟件還能生成電子地圖，并將詳細(xì)信息展示在圖面上。隨著GPS和RS不斷傳輸新的數(shù)據(jù)，GIS軟件還能對電子地圖上的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實時更新，幫助技術(shù)人員動態(tài)掌握勘測目標(biāo)的現(xiàn)狀，支持勘測設(shè)計工作的高質(zhì)量開展。相比于以往的人工制圖模式，GIS軟件提供的制圖工具可以基于前期獲取的林業(yè)數(shù)據(jù)，完成自動制圖。除了極大減輕制圖工作量外，無論是在林業(yè)地圖信息的豐富度方面，還是地圖信息的精確性方面，均比人工制圖有了明顯提升。借助于RS和GPS提供的實時更新的數(shù)據(jù)，GIS生產(chǎn)的電子地圖也會自動更新，為林業(yè)工作人員掌握林區(qū)實時狀況提供了幫助，在遠(yuǎn)程監(jiān)測的基礎(chǔ)上，為林區(qū)管理的優(yōu)化提供了幫助。

2 林業(yè)勘測設(shè)計中“3S”的操作方法

2.1 外業(yè)調(diào)查中“3S”技術(shù)的操作方法

2.1.1 利用RS掌握全面數(shù)據(jù)

在獲取森林植被信息時，選擇基于紅外探測或電磁波探測的RS衛(wèi)星遙感系統(tǒng)，根據(jù)接收到的電磁信號或紅外信號，獲取林區(qū)植被的基本信息，如整體的分布情況、單位面積內(nèi)的密度、植物的種類等。利用RS獲取林業(yè)數(shù)據(jù)時，考慮到勘測精度不高，因此必須配合使用GPS，利用GPS提供精確坐標(biāo)，保證采集到的林業(yè)數(shù)據(jù)更加全面、詳細(xì)。例如，在林業(yè)勘測設(shè)計的外業(yè)調(diào)查工作中，如果勘測區(qū)域內(nèi)樹木種類多樣、樹齡差異較大，加上氣象條件、地形地貌等因素的干擾，RS采集數(shù)據(jù)有較大誤差。有了GPS的輔助定位，可以準(zhǔn)確判讀植物種類與年齡等基本信息，提高數(shù)據(jù)的利用價值。

基于SPOT5的遙感數(shù)據(jù)獲取流程為：其一，準(zhǔn)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。包括1∶50 000的大比例尺地形圖與1∶25 000的高精度DEM。使用掃描設(shè)備對1∶50 000地形圖進(jìn)行掃描，讀取地形圖信息后進(jìn)行幾何糾正，設(shè)定糾正精度為0.5 mm。完成糾正后，將1∶50 000地形圖轉(zhuǎn)化成與DEM一樣的6度分帶投影。其二，正射校正。使用與SPOT配套的Geoimage軟件，該軟件可自動讀取DEM信息，獲取遙感數(shù)據(jù)的瞬間狀態(tài)參數(shù)，如衛(wèi)星的經(jīng)緯度、高度、傾角等，從而進(jìn)一步提高正射校正的精度。校正時，先從地形圖上選擇若干個特征明顯的點，作為地面控制點。采用全色波段數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，進(jìn)行多光譜數(shù)據(jù)校正。以1∶50 000地形圖為例，需要選擇25～30個控制點。其三，影像數(shù)據(jù)融合。將不同波段、不同空間分辨率的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可以進(jìn)一步提升影像數(shù)據(jù)的豐富性。根據(jù)融合程度的不同，又分成了像元級、特征級、決策級3個層次。要想從遙感數(shù)據(jù)中獲取更加全面的森林植被信息，必須要選擇像元級數(shù)據(jù)融合，最終得到的融合數(shù)據(jù)兼有高空間分辨率特征和多光譜特征。

2.1.2 利用GPS制圖

在RS獲取林區(qū)植被影像資料的基礎(chǔ)上，利用GPS測量儀可以準(zhǔn)確掌握勘測范圍內(nèi)每個坐標(biāo)點上的圖像信息。使用數(shù)據(jù)線分別連接GPS測量儀和計算機(jī)，并在計算機(jī)上運(yùn)行Mapsource軟件。在軟件主界面上選擇“導(dǎo)入”選項，在彈出的對話框中選擇GPS測量儀中的數(shù)據(jù)，導(dǎo)入完畢后點擊“確定”，并選擇“另存為”選項，創(chuàng)建文件將勘測數(shù)據(jù)保存到本地服務(wù)器。再運(yùn)行GPS轉(zhuǎn)換器軟件，在主界面上選擇“按每小班制作”圖標(biāo)，彈出新的對話框中勾選“源文件”一項，確認(rèn)之后即可轉(zhuǎn)換得到制圖數(shù)據(jù)。將制圖數(shù)據(jù)另存為新的文件，再運(yùn)行Maplnfo軟件，將制圖數(shù)據(jù)套入地圖后，即可得到該勘測區(qū)域的繪制圖。

2.1.3 利用GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析

GIS作為一款功能強(qiáng)大的地理數(shù)據(jù)分析軟件，可以將RS與GPS提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，完成分析?；贕PS繪制的電子地圖，只能靜態(tài)地展示某一個時間點下的森林信息。而GIS軟件同時具有時間定位和空間分析的功能，在可視化圖像上動態(tài)展示森林植被的變化情況，使得林業(yè)勘測設(shè)計的指導(dǎo)功能與實用價值得到了進(jìn)一步提升。運(yùn)用GIS完成數(shù)據(jù)匯總處理后，開始內(nèi)業(yè)匯制?；贕IS的數(shù)據(jù)分析流程如圖2所示。

圖2 基于GIS的數(shù)據(jù)分析流程Fig.2 Flow chart of data analysis based on GIS

在數(shù)據(jù)獲取環(huán)節(jié)，如果勘測范圍較小，可使用數(shù)字化儀、攝影測量設(shè)備采集數(shù)據(jù)；如果勘測范圍較大，則配合使用遙感衛(wèi)星完成數(shù)據(jù)獲取任務(wù)?；诓杉降脑紨?shù)據(jù)，以1∶25 000地形圖作為工作底圖，實地勾繪小班界線，并根據(jù)地類、林種、樹種、權(quán)屬等各項指標(biāo)填寫小班卡片，同時在小班卡片上補(bǔ)充地貌、土壤等相關(guān)因子。對原始數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)編輯、投影變換處理后，得到結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，并將其存儲到新建的GIS空間數(shù)據(jù)庫中。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分為2種類型：一種是以小班調(diào)查卡片為主的屬性數(shù)據(jù)，另一種是以外業(yè)調(diào)繪工作基本圖為主的空間數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫中采取分區(qū)存儲的模式，可支持?jǐn)?shù)據(jù)圖形的輸入、輸出和編輯、查詢等基本功能。在GIS軟件中打開某小班線文件，并在該文件中插入地形圖的原圖，畫出坐標(biāo)橫縱交叉點，之后點擊“控制點”并在彈出的對話框中“設(shè)置控制點參數(shù)”一欄輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)，即可重建線文件。輸入控制點參數(shù)后，可以得到各個點的坐標(biāo)值，點擊“控制點”并選擇“瀏覽控制文本”選項，由GIS系統(tǒng)自動對輸入?yún)?shù)進(jìn)行校對。經(jīng)過校正確定數(shù)據(jù)無誤后，將同一林區(qū)的多個文件進(jìn)行合并，最終以表格或圖形的形式輸出。

2.2 內(nèi)業(yè)匯制中“3S”技術(shù)的操作方法

2.2.1 數(shù)據(jù)匯總

內(nèi)業(yè)匯制是對每次外業(yè)調(diào)查工作得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計并記錄，用于觀察森林面積的變化，地形地貌的細(xì)微變化。匯總后的數(shù)據(jù)需要新建一個文件夾保存，并且標(biāo)注好數(shù)據(jù)采集時間，后期可以與新數(shù)據(jù)對比，更加直觀地掌握林業(yè)資源隨著時間的變化情況，為前景預(yù)測和開發(fā)利用提供依據(jù)。每進(jìn)行一次外業(yè)調(diào)查，數(shù)據(jù)會更新一次，工作人員要注意保持備份數(shù)據(jù)的同步更新，防止數(shù)據(jù)丟失，保證林業(yè)數(shù)據(jù)的完整性。

2.2.2 繪制圖紙

一張圖紙不僅要把各類不同的數(shù)據(jù)同時表示出來，還要計算好橫向和縱向數(shù)值間的距離。經(jīng)過多次的修改、計算，最終采用的數(shù)值間的距離，要使勘測工作得出的數(shù)據(jù)在圖紙上錄入后，表現(xiàn)出非常直觀的變化曲線和趨勢，以便于日后與新的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。由于電子地圖上包含的信息較為復(fù)雜，為了更加直觀地進(jìn)行區(qū)分，可以采用顏色填充的方式，用不同顏色代表相應(yīng)的信息。例如，對比歷次外業(yè)調(diào)查獲取數(shù)據(jù)的變化情況，如果某個區(qū)域內(nèi)植被大幅度減少，則用紅色表示，說明植被破壞嚴(yán)重、樹木數(shù)量銳減，林業(yè)勘測人員可進(jìn)行實地勘測并制定相應(yīng)的恢復(fù)方案；若植被樹木數(shù)量沒有明顯變化，則以藍(lán)色表示。

2.2.3 分析圖紙

林業(yè)勘測人員根據(jù)繪制的電子地圖，獲取信息并進(jìn)行分析，對林區(qū)情況有一個總體的掌握。如果某個區(qū)域發(fā)生異常，可以根據(jù)GPS提供的精確坐標(biāo)，安排人員進(jìn)行現(xiàn)場勘測，從而減輕工作壓力，提高工作效率。

3 結(jié)語

林業(yè)勘測設(shè)計中“3S”技術(shù)的運(yùn)用實現(xiàn)了森林資源信息的動態(tài)化、可視化展示，應(yīng)重視技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)外業(yè)調(diào)查和內(nèi)業(yè)匯制的高質(zhì)量開展。