森林资源信息外业采集移动平台关键技术研究

查东平 ，林 辉 ，孙 华 ，王继志

(1.中南林业科技大学 林业遥感信息工程研究中心，湖南 长沙 410004；2.黄丰桥国有林场，湖南 攸县 412300)

森林资源信息外业采集移动平台关键技术研究

查东平1，林 辉1，孙 华1，王继志2

(1.中南林业科技大学 林业遥感信息工程研究中心，湖南 长沙 410004；2.黄丰桥国有林场，湖南 攸县 412300)

森林资源信息外业采集时，常遇到定位难、调查和记录难、内业数据处理难等问题。本文围绕森林资源外业数据采集、记录和数据传输等问题提出了一个系统的解决方案：即在移动平台上将GIS、GPS、RS集成在手持PDA中，开发一套支持林业信息采集的低成本、效率高、携带方便的移动平台，平台利用GPS定位功能在野外快速定位，利用移动GIS平台将电子地图与实地联动，现场采集的数据直接保存在数据库中，实现无纸化操作，内业只要将外业数据直接导入到系统中，不需要手工录入卡片，大大减少了内业处理的工作量和误差传导。论文在数据准备、GPS定位与坐标转换、小班实地绘制和编辑、调查数据录入等关键技术进行了研究，并对平台进行了调试和应用，效果较好。

森林经理学;森林资源信息采集；3S; PDA

本研究旨在围绕森林资源规划设计调查目标，开发一套支持林业信息实地调查的成本低、易携带的系统，为林业信息采集工作提供一个系统的解决方案，使复杂、繁琐的外业调查和内业处理工作变得简单而高效[1-2]。同时在使用过程中发现和解决问题，使之不断完善。

1 系统方案设计

根据林业信息采集的特点，采用内置GPS模块的PDA作为系统运行载体。在PDA上充分发挥GIS、RS和GPS的优势。其基本原理是：利用GPS载波相位观测值的实时动态定位技术，实时地提供测量点在指定坐标系中的三维定位成果和移动平台的地理信息图形处理功能[4]，使野外调查实地与电子地图相互联动表达，通过电子屏幕输入外业调查数据，直接保存到数据库中。数据存入后台数据库过程中各个选项设置相应的边界约束条件，减少人为计算工作量和人为判断误差。与PC机器连接之后直接交换数据，减轻内业计算和处理的繁重工作量。系统所包含的功能如图1所示：

该系统是一个典型的林业移动GIS系统，支持ArcGIS的shp矢量数据和img、tiff等遥感影像数据。用户可以通过设置图层的叠加方式和图层渲染方式丰富地图表达。GPS打开之后，电子地图上自动显示操作人员所处位置和地理坐标。通过该系统，操作人员可以直接在电子地图上绘制小班也可以根据GPS采点绘制成图，成图小班可以直接计算出其面积。根据不同的移动终端，GPS精度不同。普通携带GPS的PDA单机定位的精度在6 m左右，完全满足大范围林业区内测量所需要的精度。若需要进一步提升其精度，可以进行实时差分。伪距离差分能够达到1～3m的精度，而载波相位差分则更可以达到亚米级精度[3-6]。结合遥感影像图和地形图，在PDA屏幕上采用对坡勾绘的方式进行小班区划，遥感图、地形图和实地实时精确对照，能提高现场区划的精度和效率。所采集的林业调查信息直接通过PDA平台直接输入后台数据库中，系统对所采集数据进行了初步的边界判断和逻辑判断，可以减少人工计算的工作量和误差。

2 关键技术研究

2.1 GPS串口通讯

系统通过串口号来操作和控制GPS接收设备，不同的PDA硬件平台所搭载的GPS模块接受GPS信号的端口号和波特率不同[7-9]。系统支持NMEA协议格式标准。它的完整数据格式为：

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

2.2 坐标转换

GPS定位后接受坐标系统为WGS-84坐标系，而我国林业信息测绘成果普遍表示在北京54坐标系统，以克拉索夫斯基椭球为参考椭球，Gauss投影，以3°或6°带划分中国区域。将GPS接收到的WGS-84位置信息转换成北京54坐标系需要两个步骤：先要进行“高斯投影”变换，将WGS-84坐标系转换成平面坐标系，然后进行坐标转换。GPS所接受的大地坐标（B,L）转换为高斯平面坐标公式如下[10-12]：

平面坐标转换的目的是将高斯平面坐标转换为北京54坐标系，首先根据WGS-84坐标系和北京54坐标系中的一对公共点求出两个坐标系中同一边的方位角之差Δα和长度比例系数k。其计算公式为：

2.3 小班信息编辑

现场编辑小班功能主要有两个方面：一是对前期已有小班图形的编辑；二是针对前期没有区划边界的情况外业调查人员利用该功能根据所处位置和实地情况绘制小班边界。其操作流程如图2所示：

图2 小班编辑流程Fig.2Editing process for sub-compartment functions

2.4 调查因子录入

调查因子记录功能旨在实现外业调查数据通过电子屏幕直接输入系统数据库中，实现全程无纸化操作。其主要作用体现在两方面：一是在调查阶段真实记录小班调查因子，调查因子与小班直接相关联；二是在项目检查时通过具体小班直接查询所相关的调查信息，并对其修改编辑。录入和更新方法是：根据小班编号查找对应的属性，若数据库中存在相关信息，则按照湖南省森林资源规划设计调查规定所设置的约束条件进行更新操作，否则进行插入操作。

2.5 蓄积量的计算

单木材积的计算公式为：V单木=a0da1ha2[13]，为了便于野外操作，系统内置湖南省森林资源二元材积表。操作时只要在系统界面输入单木的胸径和树高，便可得到单木材积。标准地内每一棵树的胸径和树高都实测后，可以算出每株树的材积，系统中累加输入单木材积能够得到标准地蓄积，即：V标准地=ΣV单水。测算林分蓄积一般要经过调查取得每个径阶的株数及树高曲线，根据每个径阶的中值和从树高曲线上查出该径阶的平均值，然后从二元材积表中查出各径阶的单株平均材积，乘以该径阶的林木株数，各径阶林木材积相加得到林分蓄积。标准地蓄积量已知的前提下，通过测算林分面积估算林分蓄积量，统根据自动计算的林分面积和标准地测量计算的蓄积量求算得到林分平均蓄积量。

3 系统研发与测试

3.1 系统研发

本系统采用C#作为开发语言，SQLite数据库作为数据存储载体。系统包括106个子类，124个子模块，所有功能，从移动GIS地图显示、编辑到数据的处理分析以及结果输出，和所有的算法都有开发团队独立设计和研发，并取得相应软件著作权证书。

3.2 系统功能测试

为了使系统得到充分的测试和评估，同时为了使系统后期得到更好的改进和完善，研究小组携本系统在湖南省黄丰桥国有林场进行了试用。

按照二类调查标准实施测试了系统的数据加载功能、配图功能、小班绘制编辑和二类调查属性采集和编辑等功能。试验表明图层加载配色功能正常，在电子屏幕上显示清晰，加载显示183MBWorldView遥感影像数据时间为5～6 s，仅加载矢量数据显示时间在2s内。电子地图缩放浏览平滑无卡机现象。空旷地区GPS定位时间在20 s之内，山谷有遮挡地区定位在60 s内。根据电子屏幕上显示的遥感影像数据、行政区划图、地形图结合GPS定位信息能够对现地情况形成统一的认识。根据遥感影像上反应的色彩、形状、

图3 图层控制界面Fig.3Layer control interface

图5 绘制小班界面Fig.5 Editing sub-compartment interface

3.3 GPS精度测试

为了试验的方便及试验的可靠性，在实验区黄丰桥国有林场均匀选取了10个测试点，并固定好钢钉。控制点分布情况如图7所示。

采用Trimble GeoXH结合SBAS差分得到的结果作为参考值，其精度在0.5 m以内，能够满足结构、相关分布和地域分布等相关关系，以及现场的确认，在电子屏幕上绘制的小班图形位置精确。二类调查数据采集录入过程有相应的约束条件，能够保证数据采集的速度和精度。本次测试的需求。具体测试数据如下表所示：

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

有表4可知：水平方向上的最大误差5.7 m，最小误差0.3m，大部分优于2m，垂直方向上的最大误差3.3m，最小误差0.1m，大部分优于2m，点位误差最大5.8 m，最小0.3m；根据表3可知：水平方向上的标准误差为2.1m，垂直方向上的标准误差为1.8 m，点位误差为2.8 m，表明本系统运行时产生的误差均在合理范围，达到了二类调查所的精度要求。

图7 控制点分布情况Fig.7 The distribution of control points

表3 PDA+GPS适配器观测值定位精度Table 3Positioning observation accuracy of PDA + GPS adapter m

表4 标准误差Table 4 Standard error

4 结果与讨论

（1）基于3S技术的森林资源信息采集系统在林业信息采集工作中具有很强的实践意义。利用3S技术将行政区划信息、地形信息和遥感信息协同表达，结合GPS定位调查人员对调查区域具有直观的认识。通过电子屏幕直接采集存储调查信息能够及时发现和避免错误。

（2）本系统能够提高森林资源信息采集的效率。多源数据的联动表达和GPS定位能够减少工作人员在野外工作中判断时间，野外调查过程中通过小班绘制功能能够快速区划不同森林类型，而且减少内业工作量；二类调查信息采集存储通过下拉菜单方式设置选项相比手工填写更加方便和快捷；系统内置了湖南省不同树种的二元材积表，录入相应调查数据之后能立刻计算蓄积量。

（3）所采集数据精度在合理范围内，能够满足湖南省二类调查所需精度要求。GPS所接受数据经过投影和坐标转换之后水平方向、垂直方向以及点位精度均在6 m以内，满足林区大范围测量需求。

[1] 湖南省林业厅.湖南省森林资源规划设计调查技术规定[S].2003.

[2] 姚荣江,何炳辉.“3S”技术在森林资源二类调查中的应用前景[J].林业调查规划,2004,29(3):22-26.

[3] 吴丽春,李崇贵.PDA森林资源数据智能采集和质检控制技术[J].林业调查规划，2010,35(2):73-77.

[4] 段祝庚,赵建华.用RTK进行带状地形图根控制测量的经度分析[J].中南林业科技大学学报，2007，27(6):122-123.

[5] 贾文涛.刘俊明,等.基于GPS和GIS的土地整理现场调查技术开发与应用[J].农业工程学报，2009，25(2):197-201.

[6] 肖 芳.GPS拟合搞成模型理论与应用研究[D].长沙：中南林业科技大学,2009.

[7] NMEA Reference Manual.[M].SiRF Technology, Inc.2007

[8] 肖远亮.NMEA-0183数据标准在GPS技术中的应用[J].物探装备,2003,(2):127-133.

[9] 刘成勇,许昌如.基于NMEA 2000协议的GPS数据传输与处理研究[J].船舶工程,2009,(4):63-66.

[10] 刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京:科学出版社,2003.

[11] 王解先,王 军,陆彩萍.WGS-84与北京54坐标的转换问题[J]. 大地测量与地球动力学,2003,23(3):70-73.

[12] 裴 凌.王 庆.基于嵌入式GIS的GPS野外数据采集系统关键技术实现[J].测控技术,2006,(6):28.

[13] 孟宪宇.测树学[M].北京:中国林业出版社,2006.

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

国家高新技术发展计划（863）子课题（2012AA102001-4）；国家林业局林业公益项目专题（201104028）；高分对地观测专项子课题；湖南省高校科技成果产业化培育项目(11CY019)

查东平（1985-），男，江西赣州人,硕士研究生，研究方向为林业遥感和地理信息系统

林 辉（1965-），女，湖北黄冈人,教授，博士,博士生导师，主要从事森林经理学、遥感技术和地理信息系统的教学和科研工作

[本文编校：吴 毅]