森林资源调查与督查的移动GIS研发及应用

魏芬娟，陈崇成，叶晓燕，陈 功

1.福州大学 空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室，福州350116

2.福州大学 地理空间信息技术国家地方联合工程研究中心，福州350116

1 引言

森林资源调查与督查工作能够掌握森林资源的数量、质量和生长动态等，以保证森林资源在国民经济中得到充分保护与利用。当前的森林资源调查与督查工作仍然停留在传统人工作业模式，暴露出许多问题，如：依靠人工手动作业工作量大，工作效率低；违法地块统计分析困难；森林环境中复杂的地形以及通讯条件的不足导致信息反馈不及时；不能随时随地督查执法，无法真正满足现场督查的需求。转变森林资源调查与督查工作模式，创新森林资源监测思路与方法已是大势所趋[1-3]。

随着移动智能终端的普及，无线通讯技术以及3S技术的发展，森林资源调查与督查技术手段也取得了重大突破，从传统的人工作业模式转向移动GIS 数据采集系统。与传统C/S 和B/S 的GIS 系统相比，移动GIS 系统具有良好的移动性和分布性。基于位置服务的移动GIS 系统改变了传统的信息收集、传递与使用方式，具有数据采集灵活性高、数据传输方便等特点，能够快捷、方便、准确地实现森林资源的调查与督查[4-10]。

由于森林环境通常没有移动通讯网络覆盖，基于蜂窝的移动通讯系统、无线网络系统无法进行正常工作[11]。北斗卫星通信具有全天候、无盲区的特点，能够全天候实时提供高精度、高可靠定位、导航及短报文通讯服务[12]。其中北斗短报文卫星通讯机制可以有效地解决上述无通讯网络的问题。目前基于北斗短报文通讯方式的移动信息监控系在海洋测量实时监测[13]、危机救灾抢险[14]、高精度地理信息绘制[15]以及物联网应用[16]等方面有着巨大的应用需求。

综上所述，本文从森林资源调查与督查实际需求出发，以森林调查与督查信息管理为重点，使用ArcGIS for Android 开发，以3S 技术、北斗短报文通讯技术、数据库技术为核心，以森林资源专题信息为基础，集森林资源调查与督查为一体的移动智能终端系统，为森林资源调查与督查提供高效、准确和科学的信息服务，更好地实现森林资源信息化建设。

2 系统设计

2.1 系统架构

本系统采用层次化的结构设计，总共分为五层，分别为采集层、支撑层、服务层、接口层和应用层，它们相互形成一个有机的系统总体架构。系统架构如图1所示。

图1 系统架构图

采集层是数据层的主要来源，GPS采集自身定位数据与行走轨迹数据；相机、录音、视频等工具采集多媒体数据；手绘小班数据是森林资源调查、督查过程中采集矢量数据的重要手段；传感器模块采集传感器获得的森林环境因子数据。

支撑层是构成系统的基础保障，实现数据的存储与管理功能，将森林资源基础地理数据与专题数据定制成符合系统需求的数据包，为系统提供数据支持。

接口层是面向应用程序服务，包括离线地图服务、地理数据服务和移动位置服务，为接口层提供后台支持，是接口层功能实现的基础。

接口层给各类应用程序提供了开发接口，所有应用程序都基于接口层提供的API（Application Programming Interface）进行开发。系统主要采用以Android 为操作系统的北斗手持机为操作设备，因此选择ArcGIS for Android和北斗短报文接口对系统进行二次开发。

应用层实现基础地图功能、数据导入导出、森林资源调查与录入、位置感知、违法督查管理、传感器数据的接入与展示等功能。

2.2 数据库设计

系统将数据分为基础地理数据、专题应用数据两部分。系统数据库总体结构如图2所示。

图2 数据库总体结构

基础地理数据库包括森林资源矢量数据、森林资源属性数据和调查区域影像数据。森林资源矢量数据即森林资源点、线、面数据；森林资源属性数据主要包括森林调查过程中主要调查指标，如地类、森林类别、树种、优势树种、龄级、龄组、竹度与生产期、立地因子、其他等[17]；调查区域影像数据就是调查区域的离线切片数据。

专题应用数据库包括轨迹管理数据、森林违法督查数据、多媒体数据和森林环境因子传感器数据。轨迹管理数据包括轨迹路线和轨迹描述数据；森林违法督查数据包括森林违法标记和违法督查记录；多媒体数据包括照片、音频、视频等；森林环境因子传感器数据包括温湿度、二氧化碳、火焰以及传感器节点的经纬度数据。

2.3 功能设计

根据森林资源调查与督查业务要求，系统设计的主要功能有基础地图功能、数据导入导出、位置感知、森林资源调查与录入、违法督查管理、传感器数据的接入与展示等功能模块，系统功能结构如图3所示。

（1）基础地图：主要负责离线地图的加载、显示和操作。电子地图是在移动智能终端上遥感影像、矢量数据的叠加及可视化。地图操作包括放大、缩小、平移、点选、清除要素、属性信息查询等。图层管理包括图层的渲染、添加、移除、隐藏、图层排序等。

（2）数据导入导出：实现系统数据与外界数据的交换功能，达到数据的同步。主要包括矢量数据、多媒体数据、工作记录等，数据文件以Shapefile、XML 等文件格式为主。

（3）位置感知：通过移动智能终端内嵌的GPS 模块和传感器上的北斗模块获取当前位置信息和传感器实时位置信息。将位置信息通过基础地图模块实现目标地理位置的可视化显示，实现位置感知。还可以利用GPS 实现行走轨迹的绘制，并对轨迹数据进行增加、修改、显示与删除等操作。

（4）森林资源调查与录入：通过手绘图形或自身轨迹标绘出边界，并在绘制结束后添加对应的属性数据与多媒体数据。系统还提供数据编辑功能，如数据删除、节点编辑、属性编辑和图形编辑等。图形编辑包括图形分割、合并、裁剪和扩展。

（5）违法督查管理：在森林资源督查过程中，若遇到森林资源违法事件的发生，可以对违法事件进行标注并对违法事件进行记录。

（6）传感器数据实时接入与展示：利用北斗短报文卫星通讯功能，将调查与督查区域的传感器数据在没有移动通讯网络覆盖的条件下，实时接入与展示，并在地图上标注传感器的位置。

3 关键技术

3.1 ArcGIS for Android

ArcGIS for Android 是ESRI 为Android 系统专门提供的开发包，它支持Java语言开发应用程序。主要为Android 系统的开发者提供了ArcGIS 的图形处理表达接口，使得开发更加简洁高效，也为移动GIS 系统开发开辟了广阔的道路[18-19]。将系统部署在Android 智能终端上，能够实现地理信息的丰富展现、多样的地理分析以及常规的外业数据采集等。基于ArcGIS for Android的移动GIS二次开发提供的功能如下：

（1）地图功能：提供移动端的地图服务，提供地图的可视化以及对地图触屏操作与绘制功能。

（2）查询和识别功能：空间要素、属性要素的查询与识别等。

（3）数据处理：提供地理处理工具，如缓冲区分析等。

（4）要素编辑：属性编辑、几何编辑等。

3.2 移动位置服务

移动位置服务是移动位置服务是移动通讯技术、空间定位技术、移动GIS 与无线传感器等相关技术的基础上实现的基于地理位置信息的移动信息服务。移动位置服务的兴起为移动GIS 用户带来了极大的便利，两者的结合满足了大量大众化的地理信息需求[20-23]。

目前基于位置服务的定位系统主要基于GPS定位、基站定位、北斗定位等方式。GPS与北斗定位技术在导航、野外数据采集等领域应用广泛[24]。将GPS与北斗定位相结合，既增加了定位精度也避免了通信盲区。

GPS定位是Android系统内嵌的GPS模块通过位置管理器LocationManager 来获取当前位置信息，并将当前位置在地图上显示。北斗定位是通过北斗短报文信息中的定位数据将传感器的位置实时显示在地图上。

由于GPS、北斗获取的位置是WGS84 坐标的经纬度信息，需要通过坐标转换后才能在地图上显示。坐标转换需要将WGS84 坐标转换到空间直角坐标系，再进行空间直角坐标系的七参数转换，最后将空间直角坐标新转为大地坐标系[25]。

图3 系统功能结构图

3.3 离线空间数据存储

离线空间数据存储就是将所有的数据都存储在本地智能终端上。数据的读取、显示、编辑、保存都是通过本地数据库完成的。

3.3.1 File存储

Android系统的File存储包括内部存储空间（Internal Storage）和外部存储空间（External Storage）。Android系统采用Java IO 库提供的Input 和Output 接口实现文件导入导出操作。系统中遥感影像切片数据和多媒体数据的存储使用的就是File存储。

3.3.2 矢量数据存储

（1）SQLite数据库

SQLite是一套轻型的关系式数据库系统，具有便携易用、占用资源少的优点，通常无需任何配置即可完成部署，其跨平台的特性支持几乎所有主流的操作系统平台，也常用于嵌入式的解决方案[26]。针对目前大多数GIS 系统在处理空间数据和属性数据时都是将两者分开存放和管理，这种方式不能保证数据的一致性和完整性。系统将SQLite数据库嵌入到移动GIS系统中，可以实现空间和属性数据的统一管理，确保数据完整性[27]。

系统通过扩展Android 的帮助类SQLiteOpenHelper来维护和操作数据库和表，将数据都存储在SQLite数据库中，以便于数据的存储、加载、更新和导入导出等操作。目前ArcGIS for Android 在离线数据方面只支持切片数据离线存储，而不支持矢量数据的离线存储。为了实现离线空间数据存储，需要把Shapefile文件导入到SQLite 空间数据库中，再将数据库导入到本地Android系统中。

（2）几何对象存储格式

WKT（Well-Known-Text）格式是由开放地理空间信息联盟（OGC）指定的一种与矢量几何对象的转换的文本标记语言[28]。先将几何数据转换成WKT 格式数据，存储在SQLite 数据中，当读取几何数据时，将WKT 格式数据转换成相应的点、线、面并在屏幕上实现可视化。

3.4 北斗短报文

北斗短报文是中国卫星导航的原创功能，是北斗系统的三大功能之一。北斗短报文的一次通信最大容量为120 个汉字，能满足森林资源调查与督查数据的传输要求。

在森林复杂环境下，通过分布式传感器网络系统完成森林环境数据的采集。由传感器端完成信息融合，通过北斗短报文发送至智能终端，完成森林环境数据的存储与可视化。这种数据采集方式可以很好地满足森林环境下长时间、跨地域以及无人值守的应用需要。

系统通过接收北斗短报文广播的方式获取传感器的数据，也可通过发送北斗短报文广播来发送短报文进行实时的通讯交互。短报文信息是通过广播中相应Bundle数据提取出对应字段数据，将获取的字段数据实时插入数据库并显示，传感器的实时位置通过基础地图来展示。北斗短报文的接入与展示步骤如下：

（1）利用Android 系统的广播机制定义一个接收器BroadcastReceiver（广播接收者）对接收北斗短报文广播进行监听，广播标识如表1所示。

表1 广播标识

（2）重写onRecieve（）方法，在onRecieve（）中获取Bundle数据，数据结构如表2所示。

表2 Bundle数据

（3）获取到的TXR_Content 为短报文内容，格式为“经度，纬度，环境因子1，环境因子2，环境因子3…”。以“，”为分界点，对短报文内容进行分割，得到各个字段后实时插入数据库中。

（4）ListView实时显示环境参数信息。

（5）经纬度数据通过坐标转换在地图上实时标注。

4 系统在平潭综合实验区中的应用

选用的移动智能终端为北斗手持机W135，操作系统为Android5.1，内存总容量26.54 GB，内置GPS 与北斗模块，拥有接收北斗短报文与北斗定位的能力，满足系统硬件需求。

系统应用示范区域为福建省平潭综合实验区，平潭综合实验区位于福建省东部，与台湾隔海相望，位于119°32′～120°10′E，25°15′～25°45′N之间。实验区面积为372 km2，森林林种以防护林为主，从森林资源分布上来看，具有较强的代表性。多年来的生态建设和经济建设，使平潭综合实验区的森林资源状况变化巨大，需要进行森林资源调查与督查工作，确定森林资源现状，保护生态建设的成果。由于往年的调查与督查手段自动化程度低，所以使用该系统在平潭实验区进行实验。

以平潭实验区的遥感影像数据作为参考底图。根据森林资源规划设计调查技术规程中的调查范围与内容，系统以各个乡镇的森林资源面数据为参考依据，以地类、树种、优势树种、林地面积等为属性数据；以传感器数据为调查与督查的辅助手段，进行森林调查与督查工作。

图4 系统工作流程图

（1）实现地图模块的基本功能，包括量距、量面等地图工具的实现以及个人与传感器的定位与轨迹管理，为森林调查与督查工作提供辅助工具。

（2）实现森林资源数据的查询以及新增森林小班位置、属性信息以及现场多媒体数据的采集与编辑，采集任务结束后，可通过数据导入导出功能对采集的数据进行内业处理。

（3）实现对森林违法事件进行督查与监测工作，可在现场记录森林违法事件，包括违法事件标注以及违法督查属性记录，系统通过传感器实时传回的森林环境因子数据对森林环境进行实时监测与应急。

根据森林资源调查与督查的步骤与功能，系统工作流程如图4所示。

4.1 辅助工具

4.1.1 电子地图与操作工具

电子地图用来加载显示影像数据，以其作为参考底图，能够直观了解森林资源基本情况。在电子地图上可通过地图操作按钮（如图5 所示）实现地图放大、缩小、平移、锁定地图、全幅显示地图等操作，也可通过连续点击地图进行放大或通过两个手指进行地图缩放。

图5 地图操作工具

系统提供了长度测量和面积测量功能，长度测量时在地图上点击绘制测量的线段，地图上会以黑色的线标识测量线段，当测量点数到达两个，界面中会显示当前线段的长度；面积测量时，在地图上点击绘制测量的多边形，地图上会以黄色标识出测量多边形。当测量点数到达三个，界面中方会显示当前多边形的面积。

4.1.2 图层管理

图层管理包括图层的添加、移除、隐藏、排序以及渲染等功能。将需要调查与督查的图层导入到项目中，根据需求进行图层添加、移除、隐藏及图层排序。为了使用户在地图上更加直观地了解图层数据，可对图层进行渲染。图层渲染包括对图层样式和颜色进行设置、对图层的标注进行控制、选择是否标注或标注的字段以及控制图层显示的比例尺等，图层渲染设置界面如图6所示。

图6 图层渲染设置界面

4.1.3 轨迹管理

野外工作人员可以利用GPS 定位自动记录调查轨迹，提供工作信息管理、轨迹回放等功能。调查人员可以通过轨迹路线来规划调查路线，更加合理安排后续工作。

在轨迹采集过程中，先创建轨迹，即输入轨迹名称和轨迹描述后开始记录轨迹，在轨迹记录过程中需要暂停时可点击暂停键暂停轨迹记录，轨迹记录结束后，轨迹数据保存在数据库中。系统提供对轨迹进行地图定位查看、轨迹编辑、轨迹删除、清空轨迹、打开轨迹文件、导出轨迹文件等功能选项，如图7所示。

图7 轨迹管理图

4.2 在森林资源调查中使用

在调查过程中，若发现新的小班数据或是原有小班数据发生变化时，可选中小班数据所在的图层进行数据采集与编辑。当发现新的小班数据时可通过手绘的方式采集边界信息并添加属性与多媒体信息；当原有小班数据发生变化时，可直接编辑数据的属性、空间位置、图形形状等，调查流程图如图8所示。

图8 森林资源调查流程图

（1）属性编辑是对小班数据的属性进行修改。属性编辑可以编辑基本属性信息，如树种组成、地块号、乡镇、修改时间等信息，也可添加多媒体数据，如照片、视频、音频等。多媒体数据更直观地反应了现场实地情况，方便后期的核查工作。

（2）空间位置编辑不仅改变小班数据的属性信息，还可以改变空间位置信息。在手绘过程中，选中某一节点，被选中的节点颜色会发生变化，点击节点移动后的位置，实现空间位置上的修改。手绘与属性编辑图如图9所示。

图9 数据采集与编辑示例图

（3）图形编辑是实现图形的分割、合并、裁剪以及扩展等编辑功能。图形编辑后小班的个数发生变化，其属性也会随之发生变化。①在图形分割后，面积较大的小班保留原有属性，面积较小的需要手动添加属性；②图形合并是将先后选择的两个小班数据进行合并，合并后的小班数据默认保留后一个选择的小班属性；③图形裁剪与扩展不会影响其属性，实现效果如图10所示。

图10 图形编辑效果图

根据林业资源调查技术规程可知，采集完的数据需要导出至PC端进行森林资源数据的统计与成图等。图11为导入ArcGIS 后的采集数据。在软件中可以直观明显地看出森林资源调查过程中有哪些小班发生变化。也可进行专题图的制作与统计等工作。

图11 采集数据前后对比图

4.3 在森林资源督查中使用

4.3.1 违法事件管理

当督查人员在督查区域过程中发现违法用地或是违法行为时，可进行现场标记、记录与取证工作，如图12。督查人员可以通过数据采集标绘违法区域或标注违法位置，通过属性编辑记录违法事件以及现场拍照、录音、视频等取证工作。

图12 违法事件督查流程图

违法事件采集的数据主要包括违法当事人信息、督查记录、移交处理记录、作案工具等。当事人信息是在有违法当事人的情况下对当事人的信息进行采集与存储；督查记录包括违法性质、发现时间、发现形式、是否有违法当事人、是否立案、处理结果、处理方式等，如图13所示。当事人是记录违法当事人的基本信息，如姓名、住址、身份证号等；移交处理记录是无法现场解决的违法事件可以移交到上一级进行处理；作案工具是在有作案工具的事件中对作案工具数据进行采集与存储。

添加违法督查记录后，可在有通讯条件的情况下进行违法督查记录传输，也可以在PC 端查看违法督查记录表，如图14所示。

4.3.2 传感器数据接入与显示

传感器能获取自身的经纬度信息以及森林中的各项环境数据，如温湿度、热红外、CO、烟雾及火焰等。多种传感器收集的环境数据为森林环境参数的动态实时监测提供支持。通过北斗短报文，将这些环境数据实时传送至北斗移动终端上，能解决长时间、远距离、无人值守的情况下对森林环境参数的监测工作。

图13 违法督查记录图

图14 违法督查数据记录图

传感器的接入是通过北斗短报文通讯将传感器获取的环境数据实时获取并存储在系统数据库中。传感器数据的显示就是对数据进行实时可视化，包括列表形式的数据展示和地图标注的位置展示，如图15 所示。传感器的接入与展示加快了对森林环境应急事件的响应。当某一环境参数发生很大的变化或是超出正常范围时，督查人员能够第一时间发现问题并锁定传感器的位置，进行应急调度工作。

图15 传感器数据的接入与展示图

将传感器传回的数据进行验证，传感器数据共发送31 条，接收到31 条。证明在数据接收与展示时并无数据的丢包现象，体现了采集数据的有效性。

5 结束语

本文以森林资源调查与督查业务为出发点，在ArcGIS for Android 的基础上进行了二次开发，阐述了系统的总体架构和功能，分析了系统的关键技术，设计并实现了面向森林资源调查与督查的移动GIS 系统。调查人员能直接在调查现场对森林资源小班数据进行编辑，大大减少了内外业分离的出错几率。这对于改变传统的森林资源调查与督查方式具有十分重要的意义。

（1）利用GPS、北斗定位来辅助森林资源野外调查工作，提高采集数据的精度，为调查人员构建了一个高精度、一体化数据森林资源调查系统，逐步摒弃低效、误差大的作业方式。

（2）建立起一个“数字化”的森林资源调查作业体系，实现对调查与督查数据的规范、科学、有效的管理，为建立标准化的森林资源调查与督查规程提供依据。

（3）系统利用北斗短报文技术将传感器获取的数据应用到森林督查中具有前瞻性，实现环境因子数据的实时采集与监测，这也是未来森林调查与督查的监测方向。将传感器数据与离线电子地图结合，既能实时观测数据，又能在应急事件发生时第一时间定位到具体位置。

（4）实验表明，此系统功能全面，运行稳定且适用范围广，可以满足在复杂的森林环境下的森林资源调查与督查要求，能有效改善森林资源调查与督查手段。