基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的林區(qū)智能巡檢測(cè)繪系統(tǒng)研究

趙燕東 涂佳炎

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083;2.北京林業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

林業(yè)資源調(diào)查中的面積測(cè)量、林區(qū)樣地采集在森林資源和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)中十分重要，面積測(cè)繪以及樣地智能選取的手段、方法和功效直接影響森林資源調(diào)查的結(jié)果和有效性[1-2]。

目前國(guó)內(nèi)外林區(qū)巡檢及測(cè)繪測(cè)量的主要手段包括全站儀測(cè)繪法、地形圖勾繪法以及手持全球定位系統(tǒng)(Global positioning system，GPS)儀測(cè)量法[3-4]。楊平[5]研究了基于GPS技術(shù)的林區(qū)巡檢系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了GPS手持機(jī)和后臺(tái)林區(qū)巡護(hù)管理系統(tǒng)，使森林巡檢技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一定程度上的信息化；黃穎[6]提出了基于北斗衛(wèi)星定位技術(shù)的林業(yè)野外巡護(hù)管理方法。全站儀測(cè)繪法測(cè)量成本高，操作相對(duì)復(fù)雜，而且能測(cè)的林區(qū)面積范圍有限；地形圖勾繪法誤差相對(duì)較大，工作復(fù)雜；而GPS測(cè)量是近年來采用比較多的方法。林區(qū)樣地采集主要還是依靠人工丈量確定，效率與準(zhǔn)確性較低，而且信息不便于統(tǒng)一管理[7-9]。

目前定位方式主要包括GPS定位、網(wǎng)絡(luò)基站定位以及北斗衛(wèi)星定位。其中，網(wǎng)絡(luò)定位是基于基站的定位，在一些偏遠(yuǎn)林區(qū)，無法搜索到基站信號(hào)，因此無法成功定位，而且定位精度一般在50～200 m不等，這在林區(qū)巡檢中無法滿足面積測(cè)量的工程精度要求。目前大部分定點(diǎn)巡檢采用GPS巡檢方式，GPS是目前全球使用覆蓋率最大的一種定位技術(shù)，定位精度較高，不同于網(wǎng)絡(luò)定位需依賴于基站，在偏遠(yuǎn)林區(qū)也能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，但是基于GPS巡檢研究中，一方面是極少存在地圖可視化功能，另一方面是由于某些干擾因素造成定位存在誤差，未能將誤差過大的點(diǎn)剔除，造成面積測(cè)繪誤差太大[10-14]。鑒于目前森林面積測(cè)繪技術(shù)中存在的問題，本文采用北斗衛(wèi)星定位方式，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou navigation satellite system，BDS)是由我國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，相對(duì)GPS系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有較明顯的優(yōu)勢(shì)[15-16]。

本文通過集成可視化地圖工具包顯示巡檢采樣點(diǎn)，利用距離偏移過濾算法剔除誤差大的定位點(diǎn)，并將采集的經(jīng)緯度坐標(biāo)投影為墨卡托坐標(biāo)用于面積計(jì)算，最后采用矢量三角面積算法計(jì)算巡檢軌跡的區(qū)域面積。

1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 巡檢網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

巡檢網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)如圖1所示，由北斗定位終端搜索北斗信號(hào)獲取位置坐標(biāo)信息，將接收的數(shù)據(jù)包通過藍(lán)牙傳輸給移動(dòng)智能終端軟件，在該終端進(jìn)行相應(yīng)的軌跡可視化與面積計(jì)算，然后將處理完成的數(shù)據(jù)包通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)備份，最后Web管理終端可通過超文本傳輸協(xié)議從服務(wù)器端獲取最新的數(shù)據(jù)信息，與巡檢智能移動(dòng)終端保持同步。

圖1 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的林區(qū)智能巡檢網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)Fig.1 Intelligent inspection network platform based on“Internet plus”

1.2 北斗定位終端設(shè)計(jì)

北斗定位終端主要用于當(dāng)前位置信息的獲取，其硬件由BD-228型定位模塊、STM32F103ZET6型芯片、功能按鍵、藍(lán)牙模塊、燈光指示以及電源模塊組成，如圖2所示。采用意法半導(dǎo)體公司基于Cortex-M3內(nèi)核開發(fā)的STM32F103ZET6型處理器芯片作為該硬件系統(tǒng)的中心控制單元，它的特點(diǎn)是高性能、低功耗，具有112路增強(qiáng)型通用輸入、輸出口(General purpose input output，GPIO)，可實(shí)現(xiàn)與外設(shè)50 MHz的數(shù)據(jù)傳輸速率，工作溫度范圍是-40～85℃[17-18]。

圖2 北斗定位終端硬件組成Fig.2 Hardware of Beidou positioning terminal

BD-228型定位模塊是支持北斗(BD1)和GPS的雙模定位模塊，通過搜集北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)，獲取定位信息，將數(shù)據(jù)輸送給STM32F103ZET6型芯片處理，該模塊輸出的數(shù)據(jù)格式符合美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)制定的NEMA-0183數(shù)據(jù)協(xié)議。協(xié)議采用ASCII碼字符串流，其串行通信默認(rèn)參數(shù)為：波特率4 800 bps，數(shù)據(jù)位8 bit，無奇偶校驗(yàn)。協(xié)議幀包含了世界統(tǒng)一時(shí)間(Coordinated universal time，UTC)和日期(BDZDA)、全球定位數(shù)據(jù)(BDGGA)、推薦定位信息(BDRMC)等7種命令，在該系統(tǒng)內(nèi)主要解析的是BDGGA和BDRMC兩個(gè)命令格式，首先解析BDRMC中的定位狀態(tài)碼是否有效，若有效再通過解析BDGGA獲得當(dāng)前經(jīng)緯度、定位精確度、平移速度、海拔等必要信息[19-20]。最后再通過藍(lán)牙4.0模塊，利用透?jìng)鲗@取的位置數(shù)據(jù)發(fā)送給移動(dòng)終端軟件。

1.3 巡檢軟件平臺(tái)

智能移動(dòng)終端軟件、云服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、Web終端構(gòu)成了該系統(tǒng)的軟件管理平臺(tái)。移動(dòng)終端應(yīng)用軟件基于Android 5.0系統(tǒng)開發(fā)，內(nèi)置SQlite輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)，可將定位數(shù)據(jù)長(zhǎng)期保存在本地，減少網(wǎng)絡(luò)流量的消耗。基于可視化要求，在軟件內(nèi)引入目前國(guó)內(nèi)常用的百度地圖系統(tǒng)。百度地圖的覆蓋率高，更新快，可完全滿足偏遠(yuǎn)林區(qū)巡檢可視化要求。百度地圖提供了一套可靠的軟件開發(fā)工具包(Software development kit，SDK)，適用于Android系統(tǒng)移動(dòng)設(shè)備的地圖應(yīng)用，通過調(diào)用地圖SDK接口，可以訪問百度地圖服務(wù)和數(shù)據(jù)，利用北斗定位終端傳遞過來的當(dāng)前位置信息，在地圖上顯示出當(dāng)前坐標(biāo)點(diǎn)，描述巡檢軌跡等。同時(shí)移動(dòng)終端利用后臺(tái)搭建的接口上傳位置信息至云服務(wù)器端保存，后臺(tái)搭建在阿里云上，采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，MySQL核心線程為完全多線程，支持多處理器，運(yùn)行速度快。Web終端可在管理控制中心連接服務(wù)器實(shí)時(shí)獲取巡檢人員位置及巡查結(jié)果，及時(shí)作出相應(yīng)決策。

2 智能化巡檢設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)紙質(zhì)和簡(jiǎn)單電子巡檢存在的問題，在整合了實(shí)際林區(qū)巡檢管理需求的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)的手持巡檢儀終端基于“互聯(lián)網(wǎng)+”模式并結(jié)合Android操作系統(tǒng)、地理信息服務(wù)(Location based service，LBS)實(shí)現(xiàn)了智能化巡檢。

林區(qū)巡檢主要分為巡檢任務(wù)下發(fā)、巡林員實(shí)地巡檢以及巡檢結(jié)果統(tǒng)計(jì)處理。本研究采取的智能巡檢策略如圖3所示。

圖3 智能巡檢策略Fig.3 Strategy of intelligent inspection

2.1 巡檢任務(wù)下發(fā)

林區(qū)管理調(diào)度中心由Web管理終端直接將巡檢任務(wù)信息通過網(wǎng)絡(luò)下發(fā)到手持巡檢儀終端。在Web管理終端將巡檢點(diǎn)的經(jīng)緯度信息提交至云服務(wù)器，巡檢儀終端軟件連接云服務(wù)器獲取巡檢任務(wù)信息符合Http1.1協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴Ｍㄟ^Http發(fā)起Get請(qǐng)求獲取巡檢任務(wù)的數(shù)據(jù)包，返回的數(shù)據(jù)包為JSON(JavaScript object notation)格式的數(shù)據(jù)，具體的JSON格式協(xié)議如下

{" locinfo ":["locname":"","locid":"","lat":"","lng":"","note":""],"ischeck":"","historyid":""}

其中，locname表示位置點(diǎn)名稱，locid表示位置編號(hào)，lat表示緯度，lng表示經(jīng)度，note表示具體巡檢任務(wù)信息，ischeck表示是否為巡檢復(fù)查任務(wù)，historyid為歷史巡檢編號(hào)。

LBS地理信息服務(wù)用于提供基礎(chǔ)地圖服務(wù)、定位及軌跡描繪接口。巡檢儀自動(dòng)生成巡檢規(guī)劃路徑的步驟如圖4所示。

圖4 巡檢路徑規(guī)劃流程圖Fig.4 Flow chart of planning of inspection path

2.2 優(yōu)化巡檢路徑

由于林區(qū)環(huán)境特殊，LBS地理信息服務(wù)無法為林區(qū)提供按林區(qū)道路的導(dǎo)航服務(wù)。若根據(jù)下發(fā)的任務(wù)點(diǎn)信息，只能將任務(wù)點(diǎn)按順序連接構(gòu)成點(diǎn)到點(diǎn)的方向性導(dǎo)航路徑。本研究利用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)歷史巡檢實(shí)際路徑信息，實(shí)現(xiàn)了巡檢路徑的優(yōu)化。

在初期下發(fā)巡檢任務(wù)時(shí)，本地?zé)o歷史數(shù)據(jù)信息，則直接調(diào)用地圖服務(wù)的地圖標(biāo)記繪制接口，將任務(wù)點(diǎn)按編號(hào)用直線連接構(gòu)成任務(wù)規(guī)劃路徑，結(jié)合北斗終端提供的實(shí)時(shí)位置信息提供方向性的導(dǎo)航。巡檢中定時(shí)獲取實(shí)時(shí)位置保存在本地SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器，利用Http協(xié)議發(fā)起Post請(qǐng)求，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)，與Web管理終端保持信息同步。

為了在后續(xù)巡檢任務(wù)中獲得更準(zhǔn)確的林區(qū)任務(wù)導(dǎo)航路徑，在巡檢儀內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)建立兩張表存儲(chǔ)任務(wù)點(diǎn)之間的歷史實(shí)際巡檢路徑信息。數(shù)據(jù)庫(kù)中的表如表1、2所示。

表1 目標(biāo)點(diǎn)信息Tab.1 Target point information

表2 實(shí)際巡檢軌跡Tab.2 Actual track of inspection

在表1中存儲(chǔ)任務(wù)點(diǎn)概況，即當(dāng)下發(fā)數(shù)據(jù)得到任務(wù)點(diǎn)時(shí)，利用任務(wù)點(diǎn)名稱，在表1中搜索是否存在對(duì)應(yīng)兩個(gè)相鄰任務(wù)點(diǎn)的信息，若存在則取出時(shí)間t1與t2以及路徑名稱，聯(lián)系表2根據(jù)路徑名查詢時(shí)間在t1與t2之間所有位置點(diǎn)經(jīng)緯度信息，最后利用所有查詢?nèi)〕龅淖鴺?biāo)信息，在地圖上生成的規(guī)劃路徑則為優(yōu)化后的按林區(qū)道路的實(shí)際軌跡，同時(shí)利用歷史數(shù)據(jù)還可預(yù)測(cè)相鄰點(diǎn)之間的巡檢路徑長(zhǎng)度信息與耗時(shí)信息。

若下發(fā)數(shù)據(jù)包經(jīng)GSON庫(kù)解析得到的是巡檢復(fù)查指令，則根據(jù)巡檢路徑編號(hào)從巡檢歷史詳細(xì)數(shù)據(jù)表查詢對(duì)應(yīng)的巡檢軌跡作為巡檢規(guī)劃導(dǎo)航圖，利用這種方式可實(shí)現(xiàn)完整的巡檢復(fù)查。

所有巡檢結(jié)果在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)和云服務(wù)器都有備份，在巡檢儀軟件終端利用ExcelUtils庫(kù)可按模板將數(shù)據(jù)從本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中查詢?nèi)〕觯瑢?dǎo)出生成Excel報(bào)表文件提供給林區(qū)管理調(diào)度中心作進(jìn)一步分析處理。

3 數(shù)據(jù)處理與面積計(jì)算方法

利用手持巡檢儀終端獲取的地理坐標(biāo)為經(jīng)緯度坐標(biāo)。獲取的原始坐標(biāo)類型為2000國(guó)家大地坐標(biāo)系(China geodetic coordinate system 2000，CGCS 2000)，針對(duì)獲取的原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)，還需做一系列的數(shù)據(jù)處理才能進(jìn)行面積測(cè)算。

首先在巡檢打點(diǎn)中可能存在某些采樣點(diǎn)偏差過大，不符合工程精度要求，影響最終的面積計(jì)算結(jié)果，所以需要濾波算法將這些點(diǎn)剔除；另外在面積計(jì)算中需要把經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到適合當(dāng)?shù)鼐植孔鴺?biāo)的墨卡托投影平面坐標(biāo)系下才能進(jìn)行計(jì)算，最終針對(duì)不規(guī)則的平面圖形計(jì)算閉合區(qū)域的面積。

3.1 漂移點(diǎn)剔除

北斗手持巡檢儀在獲取位置信息時(shí)，有可能會(huì)出現(xiàn)頂部遮擋物、衛(wèi)星時(shí)鐘誤差等因素的影響，造成定位獲取的位置信息相對(duì)真實(shí)位置偏差過大而不符合工程測(cè)量的要求。這些點(diǎn)稱為定位中的漂移點(diǎn)，它們將會(huì)加大最終面積測(cè)量的誤差。針對(duì)這些漂移點(diǎn)，本研究提出了精度閾值過濾結(jié)合距離偏移過濾的算法來選擇性剔除不符合工程要求的漂移點(diǎn)。總體處理流程圖如圖5所示。

圖5 漂移點(diǎn)過濾流程圖Fig.5 Flow chart of filtering drift points

精度閾值過濾即根據(jù)獲取的定位精度，選擇性過濾精度大于設(shè)定閾值的采樣點(diǎn)。在林業(yè)測(cè)繪中，一般認(rèn)為定位精度在10 m以內(nèi)都是可以接受的，因此在該系統(tǒng)中將精度閾值設(shè)為10 m，當(dāng)獲取的定位精度信息大于10 m時(shí)，剔除該采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，即不存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

距離偏移過濾算法以2個(gè)采樣點(diǎn)間的距離為判斷基礎(chǔ)。在系統(tǒng)中記錄前一個(gè)定位采樣點(diǎn)和當(dāng)前采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，同時(shí)，記錄此位移過程中的速度變化，得到該區(qū)間的速度最大值Vm，以及2個(gè)點(diǎn)的采樣間隔時(shí)間t。

由經(jīng)緯度信息可計(jì)算得到這兩點(diǎn)之間的直線距離d，再由最大速度與采樣間隔時(shí)間的乘積可得理論最大距離r，r則為過濾算法的閾值，當(dāng)d>r時(shí)，表示當(dāng)前點(diǎn)的偏移距離過大，應(yīng)該剔除。

3.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

手持巡檢儀終端直接獲取的北斗定位坐標(biāo)是在球心坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度坐標(biāo)，這是一種基于球體的曲面坐標(biāo)。經(jīng)緯度坐標(biāo)無法直接用于林區(qū)面積的計(jì)算，所以在林業(yè)工程中，面積測(cè)繪需要將球面經(jīng)緯度坐標(biāo)投影到平面上的墨卡托公里網(wǎng)坐標(biāo)才能進(jìn)行計(jì)算，因此引入了墨卡托投影變換算法。

墨卡托投影是一種角度不變的投影模式，故又稱作等角正切圓柱投影。其原理如圖6所示，用一個(gè)圓柱體與地球相切，假設(shè)在地球中心有一光源向外發(fā)出散射光，地球上的點(diǎn)投影在圓柱體上即投影后的坐標(biāo)，可得切線也就是赤道，即為投影過后的X軸，而本初子午線投影在圓柱體上所在的直線就是Y軸[21]。

圖6 墨卡托投影原理Fig.6 Principle of Mercator projection

根據(jù)等角條件可推算出墨卡托投影的計(jì)算公式為

(1)

式中B——緯度

L——經(jīng)度

x——投影后橫坐標(biāo)

y——投影后縱坐標(biāo)

R——地球半徑，m

根據(jù)式(1)可將北斗定位獲取的經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為墨卡托平面公里網(wǎng)坐標(biāo)。

3.3 面積計(jì)算

森林巡檢的軌跡實(shí)際上是一個(gè)不規(guī)則的多邊形。對(duì)于不規(guī)則多邊形的面積計(jì)算，最常用的方法是三角形分割法。即在多邊形內(nèi)部取一點(diǎn)，與各個(gè)頂點(diǎn)連線，這樣就把多邊形分成了若干個(gè)三角形，這樣多邊形的面積計(jì)算就轉(zhuǎn)換成了求若干個(gè)三角形的面積和。但是這種方法存在一定的缺陷，主要表現(xiàn)在多邊形是帶有凹角的多邊形，即多邊形的內(nèi)角有大于180°的情況。在這種情況下，利用三角形分割法計(jì)算出來的面積將會(huì)比實(shí)際的面積偏大，誤差較大，不符合工程要求。

針對(duì)以上問題，在該系統(tǒng)中，采用了向量積三角求和，如圖7所示。

圖7 矢量三角形面積算法Fig.7 Vector triangle area algorithm

圖7中是一個(gè)不規(guī)則的多邊形，將每個(gè)頂點(diǎn)與O連接，這樣在圖中構(gòu)成了7個(gè)三角形，多邊形的面積也就變成了這7個(gè)三角形的矢量面積之和。矢量面積即根據(jù)二維向量叉乘所求出的三角形面積。△OAB的面積計(jì)算公式為

(2)

式中SOAB——△OAB的面積

假設(shè)A點(diǎn)坐標(biāo)是(x1，y1)，B點(diǎn)坐標(biāo)為(x2，y2)，式(2)可表示為

(3)

則不規(guī)則多邊形的面積公式為

(4)

式中SΩ——不規(guī)則多邊形面積

n——不規(guī)則多邊形頂點(diǎn)數(shù)

k——頂點(diǎn)編號(hào)

xk——第k個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)

yk——第k個(gè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)

利用式(4)，結(jié)合墨卡托平面公里網(wǎng)坐標(biāo)就能計(jì)算出林區(qū)巡檢面積。

3.4 智能樣地采集

樣地采集的目的是在林區(qū)內(nèi)某個(gè)位置點(diǎn)劃分出固定面積的方形區(qū)域。通過定位及智能終端內(nèi)置的方向傳感器可得到經(jīng)緯度坐標(biāo)及方位信息，再結(jié)合目標(biāo)面積，計(jì)算得出另外3個(gè)頂點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，確定一個(gè)兩邊平行于赤道的方形。

計(jì)算目標(biāo)坐標(biāo)點(diǎn)需結(jié)合實(shí)際的平面距離與經(jīng)緯度的關(guān)系，因此系統(tǒng)利用了墨卡托投影坐標(biāo)。先將當(dāng)前已知位置的經(jīng)緯度投影到公里網(wǎng)坐標(biāo)，根據(jù)目標(biāo)面積計(jì)算得出邊長(zhǎng)后結(jié)合方位角可得到其他3個(gè)頂點(diǎn)的墨卡托公里網(wǎng)坐標(biāo)，方位角信息用于確定另外3個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)在當(dāng)前位置的西北、西南、東北或東南。最后將墨卡托公里網(wǎng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度坐標(biāo)顯示在地圖上。具體的計(jì)算流程如圖8所示。

圖8 樣地選取計(jì)算流程圖Fig.8 Flow chart of intelligent selection of sampling sites

其中，根據(jù)墨卡托投影原理及計(jì)算公式可知，由投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度坐標(biāo)的公式為

(5)

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的精度和可靠性，同時(shí)為了方便與真值進(jìn)行比較，使用該系統(tǒng)在全國(guó)多地進(jìn)行了測(cè)試。首先在鷲峰林區(qū)進(jìn)行了北斗系統(tǒng)與GPS的定位對(duì)比試驗(yàn)，然后在北京林業(yè)大學(xué)體育場(chǎng)進(jìn)行了設(shè)備精度分析，最后在北京奧林匹克森林公園內(nèi)以及河南鄢陵龍?jiān)椿净剡M(jìn)行了巡檢面積測(cè)繪試驗(yàn)。

4.1 北斗系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)對(duì)比

北斗系統(tǒng)相對(duì)GPS系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的覆蓋性更好，主要體現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的任何位置都能快速搜索到北斗衛(wèi)星以獲取定位信息，同時(shí)具有在無移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的條件下進(jìn)行短報(bào)文通信的優(yōu)勢(shì)，本研究使用帶有GPS系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)雙模式的智能移動(dòng)終端在鷲峰林區(qū)內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)采用北斗系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)兩種單一定位模式進(jìn)行了10次定位，統(tǒng)計(jì)定位成功的平均耗時(shí)，同時(shí)利用北斗系統(tǒng)進(jìn)行短報(bào)文通信試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

經(jīng)數(shù)據(jù)分析可知，在林區(qū)內(nèi)，北斗系統(tǒng)定位相對(duì)GPS系統(tǒng)定位速度更快，覆蓋性好，同時(shí)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較弱的地區(qū)可保證98%以上的短報(bào)文通信成功率，綜上可知北斗系統(tǒng)完全適合林區(qū)工程作業(yè)。

4.2 精度分析

在開始研究之前，需要對(duì)巡檢終端內(nèi)置的北斗模塊進(jìn)行精度分析，檢驗(yàn)精度標(biāo)準(zhǔn)是否能達(dá)到工程測(cè)量要求。

表3 北斗系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Comparison experiment result of BDS and GPS

試驗(yàn)全程僅使用北斗系統(tǒng)定位，無網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響，以成人正常行走速度繞學(xué)校體育場(chǎng)5圈，每2 s保存一次定位經(jīng)緯度信息與精度信息，試驗(yàn)重復(fù)2次。第1次試驗(yàn)總用時(shí)26 min。數(shù)據(jù)庫(kù)共記錄有效定位信息795條；第2次試驗(yàn)總用時(shí)28 min，記錄有效定位信息851條。所得數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 定位精度試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experiment result of positioning accuracy

經(jīng)數(shù)據(jù)分析，第1次試驗(yàn)中，精度小于5 m的精準(zhǔn)定位率達(dá)到了78.99%，小于10 m的精準(zhǔn)定位率達(dá)到了98.11%，滿足工程測(cè)量精度要求；第2次試驗(yàn)中，精度小于5 m的精準(zhǔn)定位率達(dá)到了76.73%，小于10 m的精準(zhǔn)定位率達(dá)到了97.30%，滿足工程測(cè)量精度要求。

因此可認(rèn)為本文設(shè)計(jì)的北斗設(shè)備所采集的位置信息是可靠的，誤差偏大的點(diǎn)較少，選擇性剔除后即可用于林業(yè)面積測(cè)量。

4.3 面積測(cè)繪試驗(yàn)

4.3.1奧林匹克森林公園試驗(yàn)

試驗(yàn)中，由2人分別攜帶5臺(tái)各參數(shù)完全相同的設(shè)備，以成人正常的步行速度繞森林公園南園一周，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 森林公園巡檢結(jié)果Fig.9 Experiment result of forest park

經(jīng)考察取證，試驗(yàn)所繞南園的實(shí)際面積約為35.5萬m2，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

4.3.2鄢陵花木基地試驗(yàn)

試驗(yàn)中，由1人攜帶5臺(tái)各參數(shù)完全相同的設(shè)備，以成人正常的步行速度繞基地內(nèi)各可行通道一周，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

經(jīng)取證，該基地的面積約為25萬m2，所得數(shù)據(jù)如表6所示。

由2次試驗(yàn)所測(cè)結(jié)果可知，試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性高，與真實(shí)面積的平均相對(duì)誤差分別為1.18%、1.67%。而林區(qū)測(cè)繪工程測(cè)繪的精度一般要求在95%以上，所以此系統(tǒng)完全能滿足測(cè)繪精度要求。另外經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)1測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.20%，試驗(yàn)2的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.32%，該系統(tǒng)的測(cè)量重復(fù)性高，穩(wěn)定性好。

表5 森林公園面積計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculated results of forest park area

圖10 鄢陵巡檢試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experiment result of Yanling inspection

表6 鄢陵試驗(yàn)面積計(jì)算結(jié)果Tab.6 Calculated results of Yanling inspection

4.4 樣地采集試驗(yàn)

使用該系統(tǒng)在河南鄢陵花木基地南園內(nèi)進(jìn)行樣地采集試驗(yàn)，在10個(gè)不同的點(diǎn)選擇采集目標(biāo)面積為2 000 m2的樣地區(qū)域，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，其中藍(lán)色點(diǎn)1為試驗(yàn)時(shí)手持巡檢儀位置。

圖11 智能樣地選取試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Experimental results of intelligent sample selection

系統(tǒng)智能生成獲得各頂點(diǎn)坐標(biāo)后，根據(jù)系統(tǒng)導(dǎo)航確定實(shí)際位置，最后使用人工丈量確定實(shí)際樣地面積，結(jié)果如表7所示。

表7 智能樣地選取面積計(jì)算結(jié)果Tab.7 Calculated results of area selected

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，該系統(tǒng)自動(dòng)生成的樣地區(qū)域面積與目標(biāo)面積的平均相對(duì)誤差為2.21%，這相對(duì)于人工丈量的方式在提高了效率的同時(shí)，也提高了準(zhǔn)確率，完全滿足樣地采集的精度要求。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)現(xiàn)有的森林巡檢面積測(cè)繪方式中存在效率低、準(zhǔn)確率低的問題，設(shè)計(jì)了基于北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)與Android操作系統(tǒng)的巡檢面積測(cè)繪及林區(qū)樣地智能采集系統(tǒng)。在定位信息獲取中，使用北斗定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)林區(qū)全覆蓋精準(zhǔn)定位，解決了GPS與網(wǎng)絡(luò)定位在某些地區(qū)難以獲得精準(zhǔn)位置信息的問題。采用了精度過濾與距離偏移過濾算法選擇性剔除了定位中由于各種干擾因素引起的誤差過大的定位漂移點(diǎn)，然后利用墨卡托投影法將獲取的經(jīng)緯度坐標(biāo)投影到平面公里網(wǎng)坐標(biāo)上，最終利用巡檢記錄的坐標(biāo)，采用矢量三角形面積法計(jì)算不規(guī)則多邊形的面積即巡檢面積。

(2)應(yīng)用此系統(tǒng)在森林覆蓋率較高的奧林匹克森林公園以及河南鄢陵花木基地進(jìn)行了多次試驗(yàn)，經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與計(jì)算真值結(jié)果比較平均相對(duì)誤差分別為1.18%、1.67%，林區(qū)樣地采集的平均相對(duì)誤差為2.21%，完全滿足林區(qū)作業(yè)要求，為提高林區(qū)巡檢的效率與準(zhǔn)確性提供了一種有效的方法。