生态环境移动数据采集系统研究与实现

2013-12-16申文明孙中平吕灿宾

生态学报 2013年24期

申文明，孙中平，*，张雪，初东，李飞，吕灿宾

(1.环境保护部卫星环境应用中心，北京 100094;2.中国地质大学土地科学技术学院，北京 100083)

为系统掌握2000—2010年间全国生态环境变化趋势和存在问题，全面总结我国十年期间的生态环境保护工作成效和经验，由国务院批准，环境保护部和中国科学院联合开展了全国生态环境十年(2000—2010年)变化遥感调查与评估(以下简称“生态十年项目”)工作。生态环境野外调查是遥感调查与评估工作中非常重要的一个环节，通过对土地覆盖类型、生态系统参数以及典型区域生态特征的野外调查，获得全国范围内的生态环境本底数据，从而为提高土地覆盖分类精度、验证生态系统参数、评估典型区域生态环境状况提供基础数据。

生态十年项目野外调查内容不仅包括文字信息，还有照片、点位、观测仪器原始文件等，涉及样本点数量巨大(核查样本点近8万个、典型小样区620个)，采用常规的纸质手簿方式进行野外调查，存在成本高、效率低、工作量大、填报不规范且容易出错等问题［1］，影响结果的准确性和完备性，并且不利于数据集成与后续分析。因此，很有必要探索一种简便易用、稳定可靠的野外调查数据采集解决方案，实现生态环境野外调查工作的数字化、智能化。

移动地理信息系统(简称Mobile GIS或移动GIS)集成了GPS、GIS、无线网络技术，随着计算机和通信技术的发展而迅速发展［2-3］，特别是无线网络(3G、Wi-Fi)［4］以及具备定位、拍照等功能的个人数字助理(PDA)［5-6］、平板电脑［7］、智能手机等各种移动智能终端的广泛应用，提高了空间信息采集、管理和分析能力［8］，被广泛应用于野外数据采集与信息录入［7，9-11］。但现有系统实时交互性差，缺乏审核校验，同时，多为区域级应用，数据处理量较少，缺乏国家级应用。

因此，本文就如何建立面向全国生态环境调查的移动数据采集系统的相关问题进行了研究。在分析生态十年项目野外调查技术方案基础上，明晰野外调查工作内容和要求，针对野外数据采集的移动性、数据实时性和有效性等需求，提出了综合利用移动智能终端、无线网络的野外数据采集方案，基于ArcGIS for Mobile设计开发了移动数据采集系统，以期为生态环境相关野外调查数据采集、管理提供高效的信息化手段与工具。

1 全国生态环境野外调查的数据采集需求

生态十年项目全国生态环境野外调查工作主要包括土地覆盖类型地面核查、生态系统参数野外观测、典型区域生态实地调查共3个方面的内容。项目组制定了野外调查技术方案，对野外调查组织实施方式、样点布设、调查内容、填报规范以及提交要求等方面进行了详细规定，主要内容如下:

(1)土地覆盖地面核查分为生态十年项目实施管理组、全国生态环境十年变化土地覆盖与地表参量遥感提取专题组(简称“遥感专题组”)、省级专题组3个层次负责实施。全国样点共计79 349个，省级环保部门共计54 697个样本点，遥感专题组共计24 652个，实施管理组进行抽查。主要采集信息包括样本点位置、遥感土地覆盖、实际土地覆盖、植被覆盖度、植被类型、植被功能、个体照片/景观照片、采集日期、备注等。提交成果包括样本点采集信息和野外调查路线。样本点位置以实施管理组下发的矢量数据主要依据，实际核查地块中心与指定样本点位置距离在500m以内的视为有效，在实际野外调查中难以到达的核查点可以调整，需要接近原核查点附近、类型相当地块新增加核查点。

(2)生态系统参数野外观测由遥感专题组和省级专题组两个层次负责实施，遥感专题组负责综合样区、典型样区调查，省级环保部门负责典型小样区调查。综合样区4个，典型样区50个，典型小样区620个。生态系统参数野外观测信息主要包括样地位置、大小、环境照片、土地利用类型、土壤类型、坡度、坡向、植被盖度、植被平均高度、叶面积指数(LAI)、生物量等信息。提交成果包括野外观测信息、样地坐标矢量文件(样地及样方中心点)以及仪器观测原始文件(照片、LAI等)。样区布设样地，综合样区要求不低于100个样地，典型样区要求不低于25个，典型小样区要求不低于3个。为保证野外调查精度，每个样地须保证有2—9个重复样方。

(3)典型区域生态实地调查则针对自然保护区、生物多样性保护优区、重点生态功能区、矿产资源开发区等生态监管重点区域，开展区域生态特征实地调查。典型区域生态实地调查需要填写大量的文字信息，鉴于智能移动终端文字输入的局限性，本研究暂不涉及典型区域生态实地调查。

根据以上分析，面向全国生态环境野外调查的移动数据采集系统应具备空间定位、数据综合采集、多重校核机制、实时交互以及大数据管理等功能，以满足全国范围的生态环境调查需求。

2 移动数据采集系统结构与功能

2.1 总体架构

全国生态环境野外调查移动数据采集系统从功能体系上看，主要由移动终端、系统管理网站和服务器端三部分组成，系统框架结构如图1所示。移动终端是系统设计和研发的核心，主要实现野外调查中数据采集、录入、校验、上传等。系统管理网站主要实现用户注册与管理、采集数据审核与管理、数据包管理、安装包管理等。服务器端主要完成任务制作与管理、数据同步、数据校验等。

图1 系统框架结构图Fig.1 Frame structure diagram of mobile data collection system

2.2 系统流程

移动数据采集系统流程如图2所示，主要过程包括:(1)任务下发:野外调查任务通过网络与移动介质以任务信息离线包的形式发送到用户计算机客户端;(2)任务解析:在野外调查前，将下发任务信息解析生成野外数据采集任务;(3)数据采集:凭借快速定位、地图快速切换浏览、图/属交互查询以及多媒体信息自动挂接等辅助支持工具，实现调查指标的综合采集;(4)数据上传:经由移动终端通过USB连接或无线方式上传采集数据离线包、用户地理位置信息;(5)任务审核:审核用户通过网站进行任务初步审核，审核完成后提交任务，系统对提交任务进行审核，并向用户返回审核结果。

2.3 主要功能模块

(1)任务制作与管理

主要包括野外调查任务制作、导入和管理等功能。任务信息制作功能主要实现任务信息离线包的创建与分发，支持矢量数据和栅格数据按照空间范围(分幅、省区、地级区域等)进行分割处理。任务生成功能主要是用户通过USB连接或无线方式(如3G、Wi-Fi)由计算机客户端将任务信息离线包导入移动端，解析生成野外数据采集任务。任务管理主要包括任务浏览、编辑、增加、删除以及统计等功能。

(2)数据浏览

支持遥感影像、矢量数据的快速切换浏览及图/属交互查询浏览。系统提供图层放大、缩小、漫游、查询、鹰眼等功能，支持增加、移除、调序、显示、自动标注以及符号定制等图层管理功能。

图2 系统总体流程图Fig.2 The overall flow chart of customizable mobile data collection system

(3)数据采集

利用移动终端的定位和拍摄功能，结合系统的数据编辑功能，支持野外调查指标、多媒体信息、地理位置信息等多种类型的数据采集，实现核查点新建、照片等信息的自动编码与挂接。

(4)数据同步

系统支持采集数据上传与更新。数据上传功能支持采集数据利用USB连接或无线方式经由移动客户端以采集数据离线包的形式上传到数据库，用户地理位置可通过3G无线通讯方式实时发送到服务器。数据更新功能支持通过3G等无线通讯方式实现更新信息由服务器端直接下载，同时支持对已上传数据的更新和修正。

(5)数据校验与审核

移动终端能够对采集信息的正确性、完整性以及有效性进行检查校验。系统支持审核用户通过网站进行任务初步审核和任务提交，支持审核用户对任务信息进行浏览、修正。

(6)用户管理

实现用户管理各项功能，包括用户注册、权限分配、用户审计、用户位置跟踪等。

(7)资料库

移动客户端内置离线资料库，便于野外调查人员查询野外调查技术方案以及有关参考资料。

2.4 数据库设计

移动数据采集系统数据库主要包括任务信息图像库、基础地理信息库、土地覆盖类型地面核查库、生态系统参数野外观测库、用户管理库以及支撑信息库。任务信息库主要存储各省区任务信息离线包。基础地理信息库主要是地名数据和行政边界数据。土地覆盖类型地面核查库包括遥感解译土地覆盖类型地面核查任务信息和数据采集信息。生态系统参数野外观测库则包括样点、样线、样方等地面观测尺度上地表参数测量信息。用户管理库用来存放用户权限和注册信息。支撑信息库包括系统字典、系统配置、系统日志等信息。

3 移动数据采集系统关键技术研究

3.1 应用运行机制

移动GIS分为APP应用和Web浏览器应用两类应用运行机制。APP应用基于C、C++或Java等语言开发，直接运行在移动终端上。Web浏览器应用模式是指通过移动终端上的浏览器或中间件来运行的GIS应用。Web浏览器模式的通用性强，但需要有服务端的基础。鉴于生态环境野外调查的无线信号不稳定和数据资源应用量大的特点，移动数据采集系统采用APP应用运行机制，可以更充分地发挥终端的硬件资源能力，也能支持更全面、丰富的GIS功能。

3.2 数据访问模式

移动GIS数据访问更新包括在线、离线和混合3种模式。离线应用的数据在移动端本地存储，数据访问不受限于网络，访问速度更快，但数据更新编辑后需要有良好的与服务器同步的机制。在线应用的优势则在于对移动端本地存储要求低，而且可以实时更新数据，但在网络中断或无信号时不能使用，并耗费一定的流量成本。移动数据采集系统采用混合模式，将实时在线模式与离线模式结合起来，野外调查人员在外调查时可利用离线数据包进行数据采集，采集数据也可以缓存到移动端;当无线网络(如3G、Wi-Fi)通畅时可以使用在线模式与服务器实时同步更新数据，大大降低了系统对网络条件的依存度。

3.3 移动数据库技术

移动环境下的移动数据库是当前国际数据界的一个新的研究方向。移动终端存在处理能力弱、内存小和电量供应时间短等设备资源型限制问题，而传统的关系型数据库体系庞大，并占用了相当多的系统资源。新近发展起来的嵌入式数据库直接在应用程序进程中运行，提供了零配置运行模式，并且资源占用非常少，非常适合移动数据管理。目前国内外市场上有多种嵌入式数据库产品，如Pocket Access、SQL Server CE、Oracle Lite、Berkley DB、SQLite、OpenBase Mini等［12］，每种数据库产品在技术上都有不同的侧重点，以满足嵌入式应用不同层次的需求。其中，SQLite是一款开源的、轻量级的、嵌入式的关系型数据库，支持Windows、Linux、Unix、Mac OS、Android、IOS等主流操作系统平台，被广泛应用在苹果、Adobe、Google的各项产品中。本系统移动终端数据库采用SQLite，大大减少了应用程序管理数据的开销，提高了数据处理效率，同时，无需进行数据库安装和管理配置，方便应用。

由于移动环境具有动态的移动性、有限的信道带宽、环境的复杂性等特点，移动数据库数据在采集和传输中易于出错或丢失［13］，因此需要建立有效的恢复和容错机制以保证数据的可用性和正确性。移动数据采集系统采用自动备份、手动暂存、数据导出、多重校验等多种机制，保证采集数据的安全。

4 系统实现

移动数据采集系统基于ArcGIS移动解决方案，采用C#和Java语言，以SQL Server 2008为服务器端的数据库环境，Microsoft Visual Studio 2008集成开发环境上实现设计开发。移动数据采集系统移动终端可部署在配置Android(版本2.3及以上)操作系统的任何移动智能设备上，终端主界面如图3所示，实现了空间定位、数据采集与录入、数据校验、数据检查、数据上传、数据导出等功能。

图3 移动终端主界面Fig.3 The main interface of customizable mobile data collection system

5 应用与展望

移动数据采集系统研制完成后，在生态十年项目土地覆盖类型地面核查、生态系统参数野外观测等工作中得到了应用。经使用，系统运行正常，开发功能基本满足野外调查技术要求。系统野外调查人员利用该系统进行野外调查数据采集，大多数项目可通过下拉选择形式进行填写，同时照片名称按照规范进自动编码，无需后期手动修改，减小了野外调查工作量，提高了工作效率;通过多重校验，保证了数据质量，采集数据实时或直接导入数据库，实现了有效管理和长期应用。

实践检验表明本文提出的移动数据采集方案可以较好的解决常规生态环境调查时数据记录方式落后的问题，数据的有效性和完整性得到了提高。在应用过程中，也发现了系统存在的一些问题。主要是当前移动终端硬件配置不高，对大数据量空间图层的显示、查询、定位等功能有影响，照相功能不能满足典型区调查中对高质量相片采集的需求;目前系统后台对于空间数据，主要采取切片方式进行转换处理，转换效率较低，同时也限制了系统应用的灵活性。今后将根据业务需求对系统进行进一步优化和完善，简化后台数据处理工具，集成导航定位、轨迹记录等功能，提高系统灵活性和实用性，使该系统不仅在此次生态十年项目中进行应用，也能够在类似的地面调查和野外数据采集工作中发挥作用。

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