基于Android 平臺的林業(yè)調(diào)查輔助APP 的設(shè)計(jì)研發(fā)

李秀峰

（新羅區(qū)大池鎮(zhèn)人民政府，福建新羅364000）

國家林業(yè)局在《中國智慧林業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見》中指出，智慧林業(yè)是智慧地球的重要組成部分，是未來林業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的必由之路，是統(tǒng)領(lǐng)未來林業(yè)工作、拓展林業(yè)技術(shù)應(yīng)用、提升林業(yè)管理水平、增強(qiáng)林業(yè)發(fā)展質(zhì)量、促進(jìn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐和保障[1]。智慧林業(yè)是發(fā)展生態(tài)林業(yè)民生林業(yè)的重要支撐[2-3]。傳統(tǒng)的林業(yè)生產(chǎn)和森林資源調(diào)查是一項(xiàng)綜合性、專業(yè)性很強(qiáng)的復(fù)雜工作，涉及林學(xué)、測繪學(xué)、遙感學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等學(xué)科，需要先借助羅盤儀、全站儀、測繩、GPS、圖紙等工具進(jìn)行外業(yè)勘測，然后對勘測的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)統(tǒng)計(jì)整理[4]，工作強(qiáng)度大、工作效率較低、人力投入量大，野外調(diào)查還存在一定的危險性[5-6]。傳統(tǒng)林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營及調(diào)查時，原木材積、立木材積都要查詢相關(guān)的材積計(jì)算表，樣地測量時羅盤儀換算和平均樹高胸徑計(jì)算需要用計(jì)算器，在野外調(diào)查較為不便。

目前，我國基于Android 平臺的林業(yè)調(diào)查APP 相關(guān)課題研究較多，且取得了一些優(yōu)秀的研究成果，其中功能較全面的系統(tǒng)有蔣君志偉的掌上超站儀一體化系統(tǒng)、曾毅的二類調(diào)查一體化系統(tǒng)；蔣君志偉以測樹學(xué)、森林經(jīng)理學(xué)、攝影測量、圖像識別技術(shù)和傳感器技術(shù)等原理為手段，在Android Studio 開發(fā)環(huán)境下構(gòu)建系統(tǒng)，研究開發(fā)了一種基于掌上超站儀的森林觀測內(nèi)外一體化系統(tǒng)[7]；曾毅采用Android 開發(fā)技術(shù)與UCMap 二次開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn)外業(yè)調(diào)查，并采用C#開發(fā)語言結(jié)合ArcGIS Engine 組件開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析處理，研發(fā)一套森林資源二類調(diào)查一體化的系統(tǒng)[8]。另有功能單一的Android 輔助APP，如張曉藝[9]結(jié)合測樹學(xué)、攝影測量學(xué)、圖像處理技術(shù)應(yīng)用Android軟件開發(fā)技術(shù)完成了對智能手機(jī)/平板森林計(jì)測方法的研究及軟件實(shí)現(xiàn)；彭染姝等[10]設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)樣地每木檢尺結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)語音輸入APP；劉翔等[11]設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)木材材積計(jì)算器APP；周克瑜等[12]研究實(shí)現(xiàn)測樹系統(tǒng)APP；魏斌[13]實(shí)現(xiàn)根徑或地徑計(jì)算立木材積APP；金煜現(xiàn)等[14]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)森林撫育檢查驗(yàn)收輔助APP。但是林業(yè)基層單位因受到技術(shù)、方法、區(qū)域規(guī)程、資金及環(huán)境等因素影響，一些APP 無法廣泛普及。針對福建區(qū)域設(shè)計(jì)一款基于Android 系統(tǒng)的多功能林業(yè)調(diào)查APP，便于原木材積、二元立木材積、平均樹高胸徑等計(jì)算，以及羅盤儀水平距、斜距換算和經(jīng)緯度坐標(biāo)3度帶、6 度帶轉(zhuǎn)換，對當(dāng)?shù)亓謽I(yè)生產(chǎn)和森林資源調(diào)查有一定輔助作用。

1 開發(fā)環(huán)境

目前市場上手機(jī)開發(fā)APP 以安卓系統(tǒng)（Android）和蘋果系統(tǒng)（IOS）為主。之所以選擇Android 系統(tǒng)，一是因?yàn)槠涫袌稣加寐矢?、普及面廣，根據(jù)美國網(wǎng)站通訊流量監(jiān)測機(jī)構(gòu)StatCounter 提供的數(shù)據(jù)，2022 年2月Android 操作系統(tǒng)在移動操作系統(tǒng)市場份額占比，全球?yàn)?0.94%[15]，中國為78.86%[16]，都以極大的優(yōu)勢在國內(nèi)外市場占主導(dǎo)地位，因此開發(fā)基于Android 系統(tǒng)的APP 更有利于普及；二是開發(fā)環(huán)境Android Studio 基于Java 語言，操作便攜、兼容性好，Android Studio 是谷歌公司推出的一個Android 集成開發(fā)工具，基于IntelliJ IDEA 提供了集成的Android 開發(fā)工具用于開發(fā)和調(diào)試，易學(xué)易懂。此外，目前除了一些微信、支付寶小程序支持跨平臺運(yùn)行，還沒有一款成熟的APP 開發(fā)軟件可以同時適用開發(fā)Android、IOS系統(tǒng)或其他系統(tǒng)。

開發(fā)環(huán)境：Window10 x64 操作系統(tǒng)，JDK 14，Android Studio 4.1.1，Android SDK。編程語言：Java。運(yùn)行環(huán)境：Android 操作系統(tǒng)。

2 林業(yè)調(diào)查APP 的界面設(shè)計(jì)

林業(yè)調(diào)查APP 界面風(fēng)格簡約，目前按功能分5個模塊（如圖1）分布顯示在主頁，分別是原木材積計(jì)算、二元立木材積計(jì)算、羅盤儀換算、平均樹高胸徑計(jì)算、坐標(biāo)定位轉(zhuǎn)換。主頁及每個功能界面的最上方設(shè)置工具欄（ToolBar），工具欄左右兩側(cè)設(shè)置了不同的菜單（Menu），左側(cè)利用側(cè)滑菜單欄（DrawerLayout）設(shè)置了Home、Email、關(guān)于我們、退出等索引；右側(cè)設(shè)計(jì)了5 個功能導(dǎo)航欄，方便各功能模塊之間快速切換。APP 頁面布局大多使用線線布局（LinearLayout），少數(shù)使用相對布局（RelativeLayout）。

圖1 主頁Fig. 1 Home page

3 各功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 原木材積計(jì)算

根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《原木材積表（GB/T 4814—2013）》[17]：

1）檢尺徑為8～120 cm，檢尺長0.5～1.9 m 原木材積計(jì)算公式：

2）檢尺徑為4～13 cm，檢尺長2.0～10.0 m 原木材積計(jì)算公式：

3）檢尺徑為14～120 cm，檢尺長2.0～10.0 m 原木材積計(jì)算公式：

4）檢尺徑為14～120 cm，檢尺長大于10.2 m 以上的超長原木材積計(jì)算公式：

式(1)～式(4)中：V為材積(m3)，L為檢尺長(m)，D為檢尺徑(cm)。原木的檢尺長、檢尺徑按GB/T 144-2013 的規(guī)定檢量。檢尺徑4～7 cm 的原木材積數(shù)字保留4 位小數(shù)，檢尺徑8 cm 以上的原木材積數(shù)字，保留3 位小數(shù)。

將以上公式編入程序中，通過條件判斷將所輸入檢尺長度、檢尺徑的原木數(shù)據(jù)選擇對應(yīng)的公式計(jì)算。在布局界面中，分別設(shè)置了長度、尺徑、根數(shù)等輸入框（EditText）和材積框（TextView），在相應(yīng)的輸入框輸入長度、尺徑、根數(shù)程序就會自動計(jì)算并將結(jié)果顯示。對輸入框設(shè)置文本監(jiān)聽功能（TextWatcher），改變其中的數(shù)字，程序也會自動計(jì)算并將結(jié)果顯示在材積框（如圖2）。為了便于輸入和避免計(jì)算時非數(shù)字字符的干擾，長度輸入類型設(shè)置為小數(shù)（inputType="numberDecimal"），尺徑和根數(shù)輸入類型設(shè)置為整數(shù)（inputType="number"），同時程序中通過條件判斷排除非數(shù)字字符（如“.”“0.”）造成公式無法計(jì)算的影響，二元立木材積計(jì)算、羅盤儀換算、平均樹高胸徑計(jì)算都執(zhí)行類似設(shè)置。清除按鍵可以將所有輸入的內(nèi)容都清空并將結(jié)果歸零。

圖2 原木材積計(jì)算界面Fig. 2 Interface of logvolume calculation

3.2 二元立木材積計(jì)算

本APP 設(shè)計(jì)的二元立木材積計(jì)算參考1978 年農(nóng)林部頒發(fā)的《全國立木材積表》中適用于福建省地區(qū)的材積表[18]，暫時只設(shè)計(jì)杉木（Cunninghamia lanceolata）、馬尾松（Pinus massoniana）、闊葉樹、木麻黃（Casuarina equisetifolia）、桉樹（Eucalyptus robusta）等樹類，所以本APP 二元立木材積暫時僅適用于福建省地區(qū)。在樹種下拉框中設(shè)置了7 個別類：杉木、馬尾松、闊葉樹、杉木（人工）、馬尾松（人工）、木麻黃（人工）、桉樹（人工）。

各類樹種材積計(jì)算公式如下：

式（5）～式（11）中：V為材積(m3)，H為高度(m)，D為胸徑(cm)。

界面設(shè)置類似原木材積計(jì)算，分別設(shè)置高度、胸徑、株數(shù)3 個輸入框；樹種選擇設(shè)置了下拉框（Spinner），將以上7 類樹預(yù)先列入其中。選擇樹類后，在界面中相應(yīng)的輸入框輸入高度、胸徑、根數(shù)，程序通過條件判斷選擇相應(yīng)樹種的計(jì)算公式計(jì)算，并將結(jié)果顯示（如圖3）。同樣設(shè)置了文本監(jiān)聽，改變其中的數(shù)字，計(jì)算結(jié)果也隨之改變。

圖3 二元立木材積計(jì)算界面Fig. 3 Interface of binary standing volume calculation

3.3 羅盤儀換算

正方形標(biāo)準(zhǔn)樣地調(diào)查精度較高，是森林資源調(diào)查常用的方法[20-21]。根據(jù)《國家林業(yè)資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定（2014）》，方形固定樣地面積為667 m2，周界邊長為25.82 m[22]。森林資源調(diào)查667 m2大小的正方形標(biāo)準(zhǔn)地邊界測量時，采用羅盤儀測傾斜角α，皮尺測距，根據(jù)公式，斜距=，用計(jì)算器換算出斜距或水平距。一般如果地勢好無障礙遮擋，一站就能測到底，根據(jù)羅盤儀測量出傾斜角α，用計(jì)算器能較快速計(jì)算出斜距。如果地勢不好或有障礙遮擋，就需要測量兩到三站，根據(jù)公式換算水平距或斜距，較費(fèi)時費(fèi)力。本APP 設(shè)計(jì)了一站、二站、三站3 種情況，在計(jì)算一站斜距時，輸入水平距和羅盤儀測得的傾斜角α，斜距就會自動計(jì)算；計(jì)算二或三站時，分別輸入測量出的相應(yīng)傾斜角α 和斜距，就可以快速計(jì)算出對應(yīng)的水平距或斜距，并顯示計(jì)算結(jié)果（如圖4）。

圖4 羅盤儀換算界面Fig. 4 Interface of compass conversion

3.4 平均樹高胸徑計(jì)算

平均樹高和平均胸徑都是森林調(diào)查中重要的測樹因子，平均樹高是反映林木高度平均水平的測樹指標(biāo)，平均胸徑是反映林木粗度的基本指標(biāo)[23]。本APP采用算術(shù)平均數(shù)計(jì)算得到平均樹高（），其計(jì)算公式為；平方平均胸徑是長期以來認(rèn)為最合理的平均胸徑（）[24]，其計(jì)算公式為。在野外森林調(diào)查中，要用計(jì)算器快速計(jì)算較多樣本的平均樹高和平均胸徑，較為困難，輸入過程中一旦有錯誤，不易檢查和糾正。本功能界面思路很清晰，建立類似Excel 的兩列表格，將樹高和胸徑分兩列輸入框。為了實(shí)現(xiàn)表格下滑功能，布局中鍥入了RecyclerView，輸入框（EditText）的輸入內(nèi)容通過SparseArray 存儲調(diào)用。同樣對輸入框設(shè)置監(jiān)聽，每輸入或更改輸入框數(shù)字，結(jié)果就會自動計(jì)算并顯示（如圖5）。

圖5 平均樹高胸徑界面Fig. 5 Interface of average tree height and DBH calculation

3.5 坐標(biāo)定位轉(zhuǎn)換

本APP 使用Android 自帶的原生定位獲取經(jīng)緯度。GPS-PROVIDER：通過手機(jī)內(nèi)置的GPS 芯片，利用衛(wèi)星獲取定位信息。在AndroidManifest.xml 文件里配置手機(jī)定位權(quán)限。經(jīng)緯度格式分為3 種：度、度-分、度-分-秒。這里使用的是度-分-秒格式，因?yàn)橹苯荧@取的經(jīng)緯度是度格式，需要將十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為六十進(jìn)制。再通過一系列公式將經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為3 度帶和6度帶投影平面直角坐標(biāo)[25]。對地理位置變化設(shè)置了監(jiān)聽，一是設(shè)置每3 000 ms（即3 s）更新，二是當(dāng)坐標(biāo)改變時觸發(fā)onLocationChanged 函數(shù)，如果傳進(jìn)相同的坐標(biāo)，它就不會被觸發(fā)。另外，APP 通過location.getAltitude()函數(shù)獲取相應(yīng)的海拔。在主頁點(diǎn)擊坐標(biāo)定位轉(zhuǎn)換，如果手機(jī)定位功能未開啟，會提示“訪問我的位置信息”，確定后將自動獲取數(shù)據(jù)換算并顯示（如圖6）。

圖6 顯示經(jīng)緯度界面Fig. 6 Interface of display longitude and latitude

4 結(jié)語

智慧林業(yè)是現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展趨勢，是當(dāng)前林業(yè)發(fā)展最前沿、最亟待發(fā)展和完善的內(nèi)容[26]。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的新技術(shù)將會應(yīng)用于林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營，從而解放生產(chǎn)力，提高生產(chǎn)效率。本APP在原木材積計(jì)算、二元立木材積計(jì)算、羅盤儀換算、平均樹高胸徑計(jì)算和坐標(biāo)定位轉(zhuǎn)換等功能在Android系統(tǒng)上做了研究探索。目前APP 安裝后僅3.8 MB，占用空間很小，操作簡單明了，對林業(yè)生產(chǎn)和森林資源調(diào)查起到一定的幫助。但是還有不足之處，比如對輸入的數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果沒有統(tǒng)計(jì)、保存和傳輸功能，下一步將繼續(xù)完善數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、保存和傳輸相應(yīng)功能，減少人工記錄和重復(fù)數(shù)據(jù)錄入，提升調(diào)查內(nèi)業(yè)整理效率。