移动平台3S集成技术在林业野外调查中的应用

代 斌，霍志龙，姚正刚

(1.四川省林业调查规划院，四川 成都 610500；2. 四川省林业科学研究院，四川 成都 610081； 3.梓潼县林业局，四川 梓潼 622150)

3S技术从20世纪90年代开始就在林业、农业、国土等行业的野外调查工作中得到了越来越广泛的应用[1～4]。通常情况下，我们使用手持GPS获取调查对象的空间信息，使用卫星遥感影像或地形图打印出来作为野外调查的工作手图，使用GIS系统对GPS数据和RS遥感影像工作手图的数据矢量化处理后再进行各种空间分析和制作专题调查成果，这是3S技术在林业调查中应用的常态。在这种应用模式下，林业野外调查人员开展调查工作时，需要准备并携带手持GPS、计算器、地形图、影像图、照相机、记录表格、过往档案资料等大量的工器具和材料[2]，特别是从几十幅甚至上百幅的地形图中找到调查范围并复印相应的图纸非常不方便；即使到达调查现场后，通过识别地形图或遥感影像特征确定所在位置和勾绘图班，也需要经过长期的专业训练才能完成，给基层林业技术人员带来很大的困扰。

近年来，随着移动设备的各项性能越来越强大，移动平台3S集成技术应运而生，它将GIS(地理信息系统Geographical information System)、GPS(全球定位系统Global Positioning System)和RS(遥感技术Remote Senescing)有机结合在手持移动设备上使用，GIS、RS、GPS的 者集成可构成高度自动化、实时化、智能化的地理信息系统，以解决复杂的应用问题[1]。这一技术让用户在手机、平板电脑上能够轻松地使用移动平台的GIS软件，把各种矢量数据和遥感影像(RS)进行空间叠加，使用智能终端的定位模块(GPS、北斗)实时获取位置信息与矢量数据和遥感影像进行叠加。移动平台3S集成技术，能够将一个县或者更大范围的各种矢量、光栅数据装在一个小小平板电脑或手机之中，随身携带在野外进行数据的采集、查询、编辑等，彻底改变了我们获取和使用地理信息数据的方式。对用户来说，空间数据不再是抽象的不可捉摸的，它变得更加直观，更加可视化，同时对使用者的技术和技能要求更低，而且几乎不需要做任何准备工作就能满足基层林业部门的野外调查需求，调查者到达调查现场后，只要打开移动设备后启动应用，即可定位到所处位置，结合各种已有资料马上开始调查工作，成为3S技术在林业野外调查中应用的新趋势[4]。

1 移动平台3S集成的软、硬件选择

1.1 硬件的选择与准备

移动平台3S集成技术的硬件，一般是指平板电脑、智能手机等能方便携带的移动设备。在选择硬件的时候，需要重点考虑的因素包括：

1.1.1 将要使用的GIS软件。目前移动设备上使用的GIS软件分为支持IOS(苹果)、Android(安卓)、windows(微软)三大类，在选择移动设备的时候，首先就要先确定准备使用的移动GIS软件是应用于哪个系统平台的，必须购买相应平台的移动设备。

1.1.2 性能。移动GIS因为要处理大量的光栅和矢量数据，运行需要的性能配置不能太低，通过试验，CPU六核心1.6 G以上，运行内存4 GB以上，存储容量64 GB以上，能够满足现有移动GIS软件较为流畅地运行。同时还需要考虑设备运行的稳定性，尽量考虑成熟品牌机型，特别是在选择工业三防平板时要慎重测试设备的各项性能。

1.1.3 续航时间。由于移动设备需要长时间的野外操作使用，对电池的续航时间也有较高的要求，选择容量在 5 000 MA，理论待机时间250 h以上能满足野外工作8h左右的为宜。最好能配备一块大容量的充电宝野外备用。

1.1.4 便携性。方便野外携带使用，重量轻，屏幕尺寸在6 in～10 in之间，以8 in最适合野外操作。

1.1.5 内置GPS定模块。智能手机和平板电脑等移动设备内置的GPS定位功能模块直接关系到定位的准确性，以同时支持GPS，GLONASS，北斗(BDS)3种模式定位的移动设备为佳。

1.1.6 三防功能，适合野外使用。这里的三防更多应考虑防水、防摔、防眩光的功能，三防功能和便携性往往不能很好地兼顾，两者有冲突的时候优先考虑便携性。

1.2 软件的选择与准备

这里所指的软件，是指在移动平台上运行的GIS软件。在软件选择的时候，需要重点考虑以下几个方面：

1.2.1 支持的操作系统

在选择移动GIS软件的时候，首先要考虑软件必须要与将使用的移动硬件设备的操作系统相匹配。移动GIS软件支持的主流操作系统主要有Android(安卓)、IOS(苹果)、windows(微软)，据网络统计，2017年我国移动设备操作系统的市场份额如下：Android(安卓)86.4%、IOS(苹果)13.2%、windows(微软)0.2%、其他占0.2%。从上面的数据可以看出，目前Android(安卓)系统的硬件设备种类最多，可选择的范围大，因此，选择运行于Android(安卓)平台的移动gis软件，意味着你有更多的硬件选择空间。

1.2.2 软件功能

移动GIS软件其实就是在移动设备上运行的一个APP应用，大多支持网上自动更新。移动GIS软件目前种类繁多，功能上差易较大，有的是针对专业应用定制开发，有的是通用型移动GIS。目前做这类开发的公司一般规模不大，尚未形成行业性的标杆企业，在选择软件的时候，需要对其功能性进行考察，选择适合自己的移动GIS软件。移动GIS软件至少应具备以下功能，详见表1。

在众多的基础功能中，作为林业野外调查应用，更应关注的功能包括以下几点：

①支持多种坐标系统：林业上目前广泛使用的是80坐标系统，也需要使用其他一些坐标系统的数据，支持多种坐标系统数据，可以最大限度地使用我们现有的各类数据资源。当然，我们也可以通过桌面GIS软件对现有数据进行坐标系转换后使用。

②提供影像等光栅底图的转换工具。移动GIS软件的核心技术之一是对各类大数据量的光栅底图，如地形图、卫星影像，航摄影像的处理和支持，通过专用转换工具能够在移动设备中流畅地显示和浏览。一般情况下，转换工具要满足压缩比高和显示无卡顿的特性。

表1 移动GIS软件应具备的基本功能

③支持SHP格式文件的直接导入导出。移动平台3S集成技术在林业上大多是作为野外数据采集应用，林业行业的地理信息平台大多采用ARCGIS，因此对shp格式文件的支持非常重要，已有的矢量文件能够方便直接导入到移动设备中使用，移动设备采集和编辑后的矢量文件能够快速转出供ARCGIS平台使用。

④数据采集和编辑功能完善。移动GIS软件要具有较为丰富的图形和属性数据的编辑功能，以满足野外工作的需要。如野外能多种方式定点，并记录所在点位的坐标；能野外用电磁笔调查勾绘，并实时显示或查询所绘图班的面积；能方便地对已绘制的图班进行调整编辑形状，并方便地记录调查的属性信息；能自动记录调查者的运动轨迹并存贮为SHP格式的文件；能根据用户需求对采集图层的字段结构进行自定义；能对各个图层进行渲染和注记；能对指点图班进行拍照、录音、录像作为调查的辅助记录，且能修改和编辑等等

1.2.3 稳定性、流畅性和易操作性

移动GIS软件的稳定性、流畅性和易操作性是用户在选择软件的时候应该重点关注的，可以在加载大量数据的情况下进行测试。所谓大数据量，至少应该以一个中等县(面积 2 000 km2)为例，加载全县的18级卫星影像，加载全县1万比例尺光栅地图，加载全县林地一张图的各级行政图层和小班图层，加载全县二类调查小班图层，加载全县的公益林档案图层等等，在各种图层加载后，将移动设备在野外测试其稳定性、流畅性和易操作性。

对于稳定性，测试方法是：正常高强度使用软件的情况下，观察有无软件崩溃、无提示退出、卡死等现象，一天之中偶尔有1次，可以接受，超过3次，则认为软件存在稳定性方面的问题。

对于流畅性，测试方法是：在地图各图层全部显示的状态下，进行放大、缩小、移动等视图操作，在视图切换过程中，更新时间0.5 s以内，无明显卡顿，属于优良的软件，0.5 s～1 s以内的更新时间属于合格的软件，超过2 s的更新时间，则在流畅性方面存在缺陷。

对于易用性，测试的方法是：通过1 d以内的技术培训，零基础的使用人员能够使用软件进行野外定位、采集和绘制小班图形，查询小班面积、编辑小班图形和属性、导出野外采集数据在ARCGIS中使用这些常用功能，则易用性为优；1 d～7 d时间，用户能完成以上工作的为良；超过1周用户都不能使用这些基本功能的则易用性较差。

1.2.4 可扩展性和行业化

移动GIS软件的可扩展性是指软件支持外围GPS设备和其他测量设备的能力。在用户对定位精度没有特别要求的情况下，移动设备自带的3 m～10 m的定位精度基本能满足林业野外调查的需求，但是，对于精度要求较高的应用场景，一些移动GIS软件能支持专业差分GPS定位设备的数据接入，通过专业GPS的蓝牙功能，将实时采集的定位数据传入软件供使用；还有一些软件支持蓝牙接入手持激光测距电子罗盘等设备的测量数据接入。 这样的扩展能力使得移动GIS软件不仅仅只用于调查勾绘，还可以应用于精准的小面积测量、施工放线、工程造林验收等多种精细化的应用需求。

移动GIS软件的行业化是指软件与行业结合的紧密度和专业性。移动GIS软件的发展目前分为两个方向，一个方向是通用型，另一个方向是专业型。通用型的移动GIS软件的架构更为灵活，功能更全面，适合各种行业根据自身特点来组织数据和使用，这类软件的优势在于它有专业的开发和维护团队，功能更加成熟稳定；专业型的移动GIS软件则是专门针对特定的行业进行定制开发，功能与行业应用结合紧密是其优势，但由于用户的数量有限，使用的面较窄，长期的软件维护和升级优化大多缺乏专业团队支撑。在选择软件的时候，两类软件各有优势，应作好利弊权衡。

2 移动平台3S集成的数据准备

由于不同地理信息平台的数据并没有一个统一的数据表达的标准规范，所以各GIS应用软件都使用各自的数据定义方式，当需要建立一个标准的地理信息数据库的时候，就需要将来自不同GIS应用软件的数据进行格式的转换操作，以实现数据的整合[1]。数据准备是移动平台3S集成重要的技术环节，需要把林业野外调查相关的大量的矢量化数据、光栅影像数据集成到移动设备上，才能与移动GIS软件和卫星定位设备协同运作。

2.1 矢量数据的准备

一个县的主要矢量数据文件一般要准备以下图层，以满足在外业使用过程中，随时知道自己所在的行政区划和经营区划。以下这些图层，是森林资源管理中使用最频繁的数据，应将其转换为西安80坐标系的SHP文件。各图层的投影坐标系要完全一致，以确保数据能正确在移动GIS中加载使用。

•县乡村林场各类驻地点图层——来源于林地一张图地名点图层；

•县行政区划面图层——来源于林地一张图；

•乡镇行政区划面图层——来源于林地一张图，其中包括林业局、林场的经营区划信息；

•村行政区划面图层——来源于林地一张图，其中包括作业区、林班的经营区划信息；

•小班区划现状图层——来源于林地一张图的现状图层；

•公益林图层——来源于公益林年度更新档案数据库；

2.2 光栅图像数据的准备

这类数据一般是卫星遥感影像、航摄影像、地形图等等。光栅图像文件一般是作为背景信息与矢量文件叠加使用，也可以作为野外调查的基础底图进行使用。在准备这些数据时，最重要的工作就是利用各种工具软件进行相嵌、融合、校正和投影坐标系的转换[5]，使之与已有的矢量数据使用同一投影坐标，能够高度吻合。通过在野外叠加分析和相互参照采集数据。目前谷歌卫星遥感影像使用WGS84坐标系，天地图遥感影像和航摄影像以及最新版的地形图使用CGCS2000坐标系，老版地形图的坐标系则使用西安80或北京54坐标系。由于林业行业矢量数据大多为80坐标系，因此需要将不同坐标系的光栅图像数据转换到西安80坐标系才能使用，常用的转换方法包括参数法和ARCGIS地理配准校正的方法。

参数法有三参数法、四参数法和七参数法。林业上对坐标的绝对精度要求并不高，因此在小范围内(经验值小于30 km)，可以考虑使用三参数或四参数进行转换，否则选择七参数法。参数法转换需要向测绘部门购买公共已知点，通过公式计算出X平移、Y平移、Z平移、X旋转、Y旋转、Z旋转、尺度变化K这七个参数，进行两个坐标系之间的精确转换。

ARCGIS地理配准校正法。这种方法是通过在ARCMAP中打开目标坐标系图层和需要校正的光栅影像，通过地理配准的方法，指定尽量多的同一特征点，如道路交叉口，河流交叉口，房角等，利用ARCGIS的校准功能，强制性地将坐标系进行校正。这种方法是最廉价最适用的校正方法，也能满足林业野外调查的精度要求，被广泛使用。

2.3 数据的转换

移动平台GIS一般提供了矢量数据和光栅数据转换到移动设备使用的转换软件。通过以上的数据准备以后，所有数据均被转换至同一投影坐标系，按照转换软件的使用说明进行操作和设置，即可拷贝至移动设备上使用。

3 林业野外调查3S集成应用场景

3.1 资源调查应用

移动平台3S集成技术应用于二类调查，具有以下优势：图纸和各种参考数据均存放于移动设备上，可以让野外调查人员不必携带大量的图纸，随时出发进行野外调查；全部调查范围的地形图、遥感影像等拼接为1张图，减少野外接图拼图的时间；通过GPS实时定位并将位置显示在影像图上，减少现场确定站立点的时间，下车即可开始调查，提高调查效率；通过拍照、视频、语音、输入等多种方式快速记录调查小班的主要因子；调查采集或勾绘的图形数据直接转出到桌面GIS进行处理和完善，真正实现内外一体化。

3.2 作业设计应用

移动平台3S集成技术的使用，可以让不熟悉地形图使用的人员也能进行野外调查。因为地形图、遥感影像通过处理后，已经高度吻合，调查人员只需要关注直观的影像特征进行勾绘调查，就可以将调查结果直接与地形图相关联。对于勾绘调绘还困难的技术人员，更有效的方法，就是可以围绕调查的地块走动，记录其轨迹即可，小班的边界和面积在地图上一目了然。在内业桌面GIS处理中，使用和移动设备上相同的矢量和光栅图层，通过预先制作的MXD工程文件快速制作各类设计图。

3.3 各类检查验收应用

如今，环保督查、森林资源监督检查、退耕还林年度检查验收、保护区人为活动监测等，都大量使用了矢量数据下发后进行现地核实的方法和手段。通过使用移动平台3S集成技术，只需要将下发的矢量图层加入移动GIS中，即可方便地导航至需要核实的地块，有的移动平台GIS软件还支持第三方导航软件，为到达调查现场提供方便。

3.4 行政执法和资源管理应用

移动平台3S集成技术可以将全县范围内的各类矢量和光栅数据装入移动设备并随身携带，在进行资源管理行政执法过程中，现场就可以查询各类资源数据，比如是否在保护区内，是否是国家公益林，是否在其他重点生态区域，林地保护等级是几级……都可以在现地查询得清清楚。比先采集坐标点再室内利用桌面GIS查询更方便，更高效。

3.5 应用心得

移动平台3S集成技术由于其便携性、大数据容量、无需网络支持、直观性和地理信息可视化表达等优势，为林业野外调查提供了新一代的调查工具。通过笔者近年来使用的经验，在使用过程中，要注意以下几个方面：首先它不适合野外记录大量数据，大量数据的野外录入，会降低用户的使用体验；其二它不应作为大量图形编辑的平台，大量的图形编辑应放在外业调查后在桌面GIS中进行；三是在使用过程中应注意地形图等涉密数据保密，防止丢失造成不必要的损失；第四是充分利用照片、视频、语音进行信息记录的独特优势；第五是移动GIS和桌面GIS应使用一样的图层和一样的投影坐标系，方便野外调查数据的汇总和处理；第六是在二类调查这些大规模的区划调查时，应先在桌面GIS上进行图班的区划，移动端作为野外信息采集的工具使用；第七是这一技术特别适合采伐设计、造林设计、征占用林地、检查核查等工作，特别适合非专业的林业技术人员使用。

3.6 移动平台3S集成技术的发展，呈现出与网络GIS相互融合的新方向

网络GIS是基于C/S、B/S空间Web服务、移动与嵌入式等技术[6]，采用分布式计算进行海量空间数据管理，通过网络提供发布、浏览、下载、查询、分析、更新等桌面GIS的功能的网络地理信息系统平台，它具有开放性、互操作、社会化采集数据和更新的特点，为移动平台3S集成技术的应用提供了更大的舞台。移动平台3S集成技术将作为网络GIS平台数据实时更新、信息采集和查询的前端设备，为林业资源数据库的共建共享提供便捷服务。

参考文献：

[1] 马莉、宋庆庆．“3S”集成技术研究现状的综述[J]．资源环境与发展，2009(2)：32～49．

[2] 刘新东，杨福成，等．3S集成技术在森林资源调查中的应用[J]．吉林林业科技，2009(6)：30～32．

[3] 江聪世，边馥苓．3S集成技术在广州农业中的应用研究[J]．测绘通报，2005(11)：25～27．

[4] 郑泽忠，范东明，等．3S集成技术在土地利用动态监测中的应用[J]．测绘通报，2005(11)：25～27．

[5] 于洪苹，程朋根，夏友青．土地动态监测中3S技术的应用[J]．安徽农业科学，2011(03)：1844～1846.

[6] 胡圣武，朱燕霞．网络GIS的发展及其应用[J]．测绘工程，2007(4)：5～9.