森林資源信息外業采集移動平臺關鍵技術研究

查東平 ，林 輝 ，孫 華 ，王繼志

(1.中南林業科技大學 林業遙感信息工程研究中心，湖南 長沙 410004；2.黃豐橋國有林場，湖南 攸縣 412300)

森林資源信息外業采集移動平臺關鍵技術研究

查東平1，林 輝1，孫 華1，王繼志2

(1.中南林業科技大學 林業遙感信息工程研究中心，湖南 長沙 410004；2.黃豐橋國有林場，湖南 攸縣 412300)

森林資源信息外業采集時，常遇到定位難、調查和記錄難、內業數據處理難等問題。本文圍繞森林資源外業數據采集、記錄和數據傳輸等問題提出了一個系統的解決方案：即在移動平臺上將GIS、GPS、RS集成在手持PDA中，開發一套支持林業信息采集的低成本、效率高、攜帶方便的移動平臺，平臺利用GPS定位功能在野外快速定位，利用移動GIS平臺將電子地圖與實地聯動，現場采集的數據直接保存在數據庫中，實現無紙化操作，內業只要將外業數據直接導入到系統中，不需要手工錄入卡片，大大減少了內業處理的工作量和誤差傳導。論文在數據準備、GPS定位與坐標轉換、小班實地繪制和編輯、調查數據錄入等關鍵技術進行了研究，并對平臺進行了調試和應用，效果較好。

森林經理學;森林資源信息采集；3S; PDA

本研究旨在圍繞森林資源規劃設計調查目標，開發一套支持林業信息實地調查的成本低、易攜帶的系統，為林業信息采集工作提供一個系統的解決方案，使復雜、繁瑣的外業調查和內業處理工作變得簡單而高效[1-2]。同時在使用過程中發現和解決問題，使之不斷完善。

1 系統方案設計

根據林業信息采集的特點，采用內置GPS模塊的PDA作為系統運行載體。在PDA上充分發揮GIS、RS和GPS的優勢。其基本原理是：利用GPS載波相位觀測值的實時動態定位技術，實時地提供測量點在指定坐標系中的三維定位成果和移動平臺的地理信息圖形處理功能[4]，使野外調查實地與電子地圖相互聯動表達，通過電子屏幕輸入外業調查數據，直接保存到數據庫中。數據存入后臺數據庫過程中各個選項設置相應的邊界約束條件，減少人為計算工作量和人為判斷誤差。與PC機器連接之后直接交換數據，減輕內業計算和處理的繁重工作量。系統所包含的功能如圖1所示：

該系統是一個典型的林業移動GIS系統，支持ArcGIS的shp矢量數據和img、tiff等遙感影像數據。用戶可以通過設置圖層的疊加方式和圖層渲染方式豐富地圖表達。GPS打開之后，電子地圖上自動顯示操作人員所處位置和地理坐標。通過該系統，操作人員可以直接在電子地圖上繪制小班也可以根據GPS采點繪制成圖，成圖小班可以直接計算出其面積。根據不同的移動終端，GPS精度不同。普通攜帶GPS的PDA單機定位的精度在6 m左右，完全滿足大范圍林業區內測量所需要的精度。若需要進一步提升其精度，可以進行實時差分。偽距離差分能夠達到1～3m的精度，而載波相位差分則更可以達到亞米級精度[3-6]。結合遙感影像圖和地形圖，在PDA屏幕上采用對坡勾繪的方式進行小班區劃，遙感圖、地形圖和實地實時精確對照，能提高現場區劃的精度和效率。所采集的林業調查信息直接通過PDA平臺直接輸入后臺數據庫中，系統對所采集數據進行了初步的邊界判斷和邏輯判斷，可以減少人工計算的工作量和誤差。

2 關鍵技術研究

2.1 GPS串口通訊

系統通過串口號來操作和控制GPS接收設備，不同的PDA硬件平臺所搭載的GPS模塊接受GPS信號的端口號和波特率不同[7-9]。系統支持NMEA協議格式標準。它的完整數據格式為：

$GPGGA,002153.000,3342.6618,N,11751.3858,W,1,10,1.2,27.0,M,-34.2,M,,0000*5E。

2.2 坐標轉換

GPS定位后接受坐標系統為WGS-84坐標系，而我國林業信息測繪成果普遍表示在北京54坐標系統，以克拉索夫斯基橢球為參考橢球，Gauss投影，以3°或6°帶劃分中國區域。將GPS接收到的WGS-84位置信息轉換成北京54坐標系需要兩個步驟：先要進行“高斯投影”變換，將WGS-84坐標系轉換成平面坐標系，然后進行坐標轉換。GPS所接受的大地坐標（B,L）轉換為高斯平面坐標公式如下[10-12]：

平面坐標轉換的目的是將高斯平面坐標轉換為北京54坐標系，首先根據WGS-84坐標系和北京54坐標系中的一對公共點求出兩個坐標系中同一邊的方位角之差Δα和長度比例系數k。其計算公式為：

2.3 小班信息編輯

現場編輯小班功能主要有兩個方面：一是對前期已有小班圖形的編輯；二是針對前期沒有區劃邊界的情況外業調查人員利用該功能根據所處位置和實地情況繪制小班邊界。其操作流程如圖2所示：

圖2 小班編輯流程Fig.2Editing process for sub-compartment functions

2.4 調查因子錄入

調查因子記錄功能旨在實現外業調查數據通過電子屏幕直接輸入系統數據庫中，實現全程無紙化操作。其主要作用體現在兩方面：一是在調查階段真實記錄小班調查因子，調查因子與小班直接相關聯；二是在項目檢查時通過具體小班直接查詢所相關的調查信息，并對其修改編輯。錄入和更新方法是：根據小班編號查找對應的屬性，若數據庫中存在相關信息，則按照湖南省森林資源規劃設計調查規定所設置的約束條件進行更新操作，否則進行插入操作。

2.5 蓄積量的計算

單木材積的計算公式為：V單木=a0da1ha2[13]，為了便于野外操作，系統內置湖南省森林資源二元材積表。操作時只要在系統界面輸入單木的胸徑和樹高，便可得到單木材積。標準地內每一棵樹的胸徑和樹高都實測后，可以算出每株樹的材積，系統中累加輸入單木材積能夠得到標準地蓄積，即：V標準地=ΣV單水。測算林分蓄積一般要經過調查取得每個徑階的株數及樹高曲線，根據每個徑階的中值和從樹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，各徑階林木材積相加得到林分蓄積。標準地蓄積量已知的前提下，通過測算林分面積估算林分蓄積量，統根據自動計算的林分面積和標準地測量計算的蓄積量求算得到林分平均蓄積量。

3 系統研發與測試

3.1 系統研發

本系統采用C#作為開發語言，SQLite數據庫作為數據存儲載體。系統包括106個子類，124個子模塊，所有功能，從移動GIS地圖顯示、編輯到數據的處理分析以及結果輸出，和所有的算法都有開發團隊獨立設計和研發，并取得相應軟件著作權證書。

3.2 系統功能測試

為了使系統得到充分的測試和評估，同時為了使系統后期得到更好的改進和完善，研究小組攜本系統在湖南省黃豐橋國有林場進行了試用。

按照二類調查標準實施測試了系統的數據加載功能、配圖功能、小班繪制編輯和二類調查屬性采集和編輯等功能。試驗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遙感影像數據時間為5～6 s，僅加載矢量數據顯示時間在2s內。電子地圖縮放瀏覽平滑無卡機現象。空曠地區GPS定位時間在20 s之內，山谷有遮擋地區定位在60 s內。根據電子屏幕上顯示的遙感影像數據、行政區劃圖、地形圖結合GPS定位信息能夠對現地情況形成統一的認識。根據遙感影像上反應的色彩、形狀、

圖3 圖層控制界面Fig.3Layer control interface

圖5 繪制小班界面Fig.5 Editing sub-compartment interface

3.3 GPS精度測試

為了試驗的方便及試驗的可靠性，在實驗區黃豐橋國有林場均勻選取了10個測試點，并固定好鋼釘。控制點分布情況如圖7所示。

采用Trimble GeoXH結合SBAS差分得到的結果作為參考值，其精度在0.5 m以內，能夠滿足結構、相關分布和地域分布等相關關系，以及現場的確認，在電子屏幕上繪制的小班圖形位置精確。二類調查數據采集錄入過程有相應的約束條件，能夠保證數據采集的速度和精度。本次測試的需求。具體測試數據如下表所示：

圖4 GPS定位界面Fig.4 GPS positioning interface

有表4可知：水平方向上的最大誤差5.7 m，最小誤差0.3m，大部分優于2m，垂直方向上的最大誤差3.3m，最小誤差0.1m，大部分優于2m，點位誤差最大5.8 m，最小0.3m；根據表3可知：水平方向上的標準誤差為2.1m，垂直方向上的標準誤差為1.8 m，點位誤差為2.8 m，表明本系統運行時產生的誤差均在合理范圍，達到了二類調查所的精度要求。

圖7 控制點分布情況Fig.7 The distribution of control points

表3 PDA+GPS適配器觀測值定位精度Table 3Positioning observation accuracy of PDA + GPS adapter m

表4 標準誤差Table 4 Standard error

4 結果與討論

（1）基于3S技術的森林資源信息采集系統在林業信息采集工作中具有很強的實踐意義。利用3S技術將行政區劃信息、地形信息和遙感信息協同表達，結合GPS定位調查人員對調查區域具有直觀的認識。通過電子屏幕直接采集存儲調查信息能夠及時發現和避免錯誤。

（2）本系統能夠提高森林資源信息采集的效率。多源數據的聯動表達和GPS定位能夠減少工作人員在野外工作中判斷時間，野外調查過程中通過小班繪制功能能夠快速區劃不同森林類型，而且減少內業工作量；二類調查信息采集存儲通過下拉菜單方式設置選項相比手工填寫更加方便和快捷；系統內置了湖南省不同樹種的二元材積表，錄入相應調查數據之后能立刻計算蓄積量。

（3）所采集數據精度在合理范圍內，能夠滿足湖南省二類調查所需精度要求。GPS所接受數據經過投影和坐標轉換之后水平方向、垂直方向以及點位精度均在6 m以內，滿足林區大范圍測量需求。

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Design and implementation of forest resources information collection system based on 3S technology

ZHA Dong-ping1, LIN Hui1, SUN Hua1, WANG Ji-zhi2
(1. Research Center of Forest Remote Sensing & Information Engineering, Central South University of Forestry & Technology,Changsha 410004, Hunan, China; 2. Huangtengqiao State-owned Forest Farm, Youxian 412300, Hunan, China)

There were problems such as difficulties in confirming location of survey destination, investigating and recording, and processing collected data when the field works of the forestry resources information collection were conducted. A solution for the problems has put forward which integrated GIS, GPS, RS functions into a mobile platform, namely a hand-hold PDA instrument to realize forestry resources information collection in fi eld with low cost and high eff i ciency. The GPS positioning function are helpful for fast exploration of survey area, and the mobile GIS platform is helpful for showing the real-time location on the map. The fi eld survey result and other record are directly stored in the database while achieving paperless work, which will help to reduce the off i ce workload and mistakes. The study project focuses on the method of data preparation, GPS positioning and coordinate conversion, sub-compartment drawing and editing and survey data recording. The debugging and employing achieve results effectively.

forest management; forestry resources information collection; 3S; PDA

S771.8

A

1673-923X(2012)09-0032-05

2012-04-14

國家高新技術發展計劃（863）子課題（2012AA102001-4）；國家林業局林業公益項目專題（201104028）；高分對地觀測專項子課題；湖南省高校科技成果產業化培育項目(11CY019)

查東平（1985-），男，江西贛州人,碩士研究生，研究方向為林業遙感和地理信息系統

林 輝（1965-），女，湖北黃岡人,教授，博士,博士生導師，主要從事森林經理學、遙感技術和地理信息系統的教學和科研工作

[本文編校：吳 毅]