生態(tài)環(huán)境移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

申文明，孫中平，*，張 雪，初 東，李 飛，呂燦賓

(1.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094;2.中國地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

為系統(tǒng)掌握2000—2010年間全國生態(tài)環(huán)境變化趨勢和存在問題，全面總結(jié)我國十年期間的生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作成效和經(jīng)驗(yàn)，由國務(wù)院批準(zhǔn)，環(huán)境保護(hù)部和中國科學(xué)院聯(lián)合開展了全國生態(tài)環(huán)境十年(2000—2010年)變化遙感調(diào)查與評估(以下簡稱“生態(tài)十年項(xiàng)目”)工作。生態(tài)環(huán)境野外調(diào)查是遙感調(diào)查與評估工作中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，通過對土地覆蓋類型、生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)以及典型區(qū)域生態(tài)特征的野外調(diào)查，獲得全國范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境本底數(shù)據(jù)，從而為提高土地覆蓋分類精度、驗(yàn)證生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)、評估典型區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

生態(tài)十年項(xiàng)目野外調(diào)查內(nèi)容不僅包括文字信息，還有照片、點(diǎn)位、觀測儀器原始文件等，涉及樣本點(diǎn)數(shù)量巨大(核查樣本點(diǎn)近8萬個(gè)、典型小樣區(qū)620個(gè))，采用常規(guī)的紙質(zhì)手簿方式進(jìn)行野外調(diào)查，存在成本高、效率低、工作量大、填報(bào)不規(guī)范且容易出錯(cuò)等問題［1］，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性和完備性，并且不利于數(shù)據(jù)集成與后續(xù)分析。因此，很有必要探索一種簡便易用、穩(wěn)定可靠的野外調(diào)查數(shù)據(jù)采集解決方案，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境野外調(diào)查工作的數(shù)字化、智能化。

移動(dòng)地理信息系統(tǒng)(簡稱Mobile GIS或移動(dòng)GIS)集成了GPS、GIS、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展［2-3］，特別是無線網(wǎng)絡(luò)(3G、Wi-Fi)［4］以及具備定位、拍照等功能的個(gè)人數(shù)字助理(PDA)［5-6］、平板電腦［7］、智能手機(jī)等各種移動(dòng)智能終端的廣泛應(yīng)用，提高了空間信息采集、管理和分析能力［8］，被廣泛應(yīng)用于野外數(shù)據(jù)采集與信息錄入［7，9-11］。但現(xiàn)有系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互性差，缺乏審核校驗(yàn)，同時(shí)，多為區(qū)域級應(yīng)用，數(shù)據(jù)處理量較少，缺乏國家級應(yīng)用。

因此，本文就如何建立面向全國生態(tài)環(huán)境調(diào)查的移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的相關(guān)問題進(jìn)行了研究。在分析生態(tài)十年項(xiàng)目野外調(diào)查技術(shù)方案基礎(chǔ)上，明晰野外調(diào)查工作內(nèi)容和要求，針對野外數(shù)據(jù)采集的移動(dòng)性、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和有效性等需求，提出了綜合利用移動(dòng)智能終端、無線網(wǎng)絡(luò)的野外數(shù)據(jù)采集方案，基于ArcGIS for Mobile設(shè)計(jì)開發(fā)了移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以期為生態(tài)環(huán)境相關(guān)野外調(diào)查數(shù)據(jù)采集、管理提供高效的信息化手段與工具。

1 全國生態(tài)環(huán)境野外調(diào)查的數(shù)據(jù)采集需求

生態(tài)十年項(xiàng)目全國生態(tài)環(huán)境野外調(diào)查工作主要包括土地覆蓋類型地面核查、生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)野外觀測、典型區(qū)域生態(tài)實(shí)地調(diào)查共3個(gè)方面的內(nèi)容。項(xiàng)目組制定了野外調(diào)查技術(shù)方案，對野外調(diào)查組織實(shí)施方式、樣點(diǎn)布設(shè)、調(diào)查內(nèi)容、填報(bào)規(guī)范以及提交要求等方面進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，主要內(nèi)容如下:

(1)土地覆蓋地面核查分為生態(tài)十年項(xiàng)目實(shí)施管理組、全國生態(tài)環(huán)境十年變化土地覆蓋與地表參量遙感提取專題組(簡稱“遙感專題組”)、省級專題組3個(gè)層次負(fù)責(zé)實(shí)施。全國樣點(diǎn)共計(jì)79 349個(gè)，省級環(huán)保部門共計(jì)54 697個(gè)樣本點(diǎn)，遙感專題組共計(jì)24 652個(gè)，實(shí)施管理組進(jìn)行抽查。主要采集信息包括樣本點(diǎn)位置、遙感土地覆蓋、實(shí)際土地覆蓋、植被覆蓋度、植被類型、植被功能、個(gè)體照片/景觀照片、采集日期、備注等。提交成果包括樣本點(diǎn)采集信息和野外調(diào)查路線。樣本點(diǎn)位置以實(shí)施管理組下發(fā)的矢量數(shù)據(jù)主要依據(jù)，實(shí)際核查地塊中心與指定樣本點(diǎn)位置距離在500m以內(nèi)的視為有效，在實(shí)際野外調(diào)查中難以到達(dá)的核查點(diǎn)可以調(diào)整，需要接近原核查點(diǎn)附近、類型相當(dāng)?shù)貕K新增加核查點(diǎn)。

(2)生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)野外觀測由遙感專題組和省級專題組兩個(gè)層次負(fù)責(zé)實(shí)施，遙感專題組負(fù)責(zé)綜合樣區(qū)、典型樣區(qū)調(diào)查，省級環(huán)保部門負(fù)責(zé)典型小樣區(qū)調(diào)查。綜合樣區(qū)4個(gè)，典型樣區(qū)50個(gè)，典型小樣區(qū)620個(gè)。生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)野外觀測信息主要包括樣地位置、大小、環(huán)境照片、土地利用類型、土壤類型、坡度、坡向、植被蓋度、植被平均高度、葉面積指數(shù)(LAI)、生物量等信息。提交成果包括野外觀測信息、樣地坐標(biāo)矢量文件(樣地及樣方中心點(diǎn))以及儀器觀測原始文件(照片、LAI等)。樣區(qū)布設(shè)樣地，綜合樣區(qū)要求不低于100個(gè)樣地，典型樣區(qū)要求不低于25個(gè)，典型小樣區(qū)要求不低于3個(gè)。為保證野外調(diào)查精度，每個(gè)樣地須保證有2—9個(gè)重復(fù)樣方。

(3)典型區(qū)域生態(tài)實(shí)地調(diào)查則針對自然保護(hù)區(qū)、生物多樣性保護(hù)優(yōu)區(qū)、重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)、礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)等生態(tài)監(jiān)管重點(diǎn)區(qū)域，開展區(qū)域生態(tài)特征實(shí)地調(diào)查。典型區(qū)域生態(tài)實(shí)地調(diào)查需要填寫大量的文字信息，鑒于智能移動(dòng)終端文字輸入的局限性，本研究暫不涉及典型區(qū)域生態(tài)實(shí)地調(diào)查。

根據(jù)以上分析，面向全國生態(tài)環(huán)境野外調(diào)查的移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)具備空間定位、數(shù)據(jù)綜合采集、多重校核機(jī)制、實(shí)時(shí)交互以及大數(shù)據(jù)管理等功能，以滿足全國范圍的生態(tài)環(huán)境調(diào)查需求。

2 移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

2.1 總體架構(gòu)

全國生態(tài)環(huán)境野外調(diào)查移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從功能體系上看，主要由移動(dòng)終端、系統(tǒng)管理網(wǎng)站和服務(wù)器端三部分組成，系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。移動(dòng)終端是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研發(fā)的核心，主要實(shí)現(xiàn)野外調(diào)查中數(shù)據(jù)采集、錄入、校驗(yàn)、上傳等。系統(tǒng)管理網(wǎng)站主要實(shí)現(xiàn)用戶注冊與管理、采集數(shù)據(jù)審核與管理、數(shù)據(jù)包管理、安裝包管理等。服務(wù)器端主要完成任務(wù)制作與管理、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Frame structure diagram of mobile data collection system

2.2 系統(tǒng)流程

移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程如圖2所示，主要過程包括:(1)任務(wù)下發(fā):野外調(diào)查任務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)介質(zhì)以任務(wù)信息離線包的形式發(fā)送到用戶計(jì)算機(jī)客戶端;(2)任務(wù)解析:在野外調(diào)查前，將下發(fā)任務(wù)信息解析生成野外數(shù)據(jù)采集任務(wù);(3)數(shù)據(jù)采集:憑借快速定位、地圖快速切換瀏覽、圖/屬交互查詢以及多媒體信息自動(dòng)掛接等輔助支持工具，實(shí)現(xiàn)調(diào)查指標(biāo)的綜合采集;(4)數(shù)據(jù)上傳:經(jīng)由移動(dòng)終端通過USB連接或無線方式上傳采集數(shù)據(jù)離線包、用戶地理位置信息;(5)任務(wù)審核:審核用戶通過網(wǎng)站進(jìn)行任務(wù)初步審核，審核完成后提交任務(wù)，系統(tǒng)對提交任務(wù)進(jìn)行審核，并向用戶返回審核結(jié)果。

2.3 主要功能模塊

(1)任務(wù)制作與管理

主要包括野外調(diào)查任務(wù)制作、導(dǎo)入和管理等功能。任務(wù)信息制作功能主要實(shí)現(xiàn)任務(wù)信息離線包的創(chuàng)建與分發(fā)，支持矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)按照空間范圍(分幅、省區(qū)、地級區(qū)域等)進(jìn)行分割處理。任務(wù)生成功能主要是用戶通過USB連接或無線方式(如3G、Wi-Fi)由計(jì)算機(jī)客戶端將任務(wù)信息離線包導(dǎo)入移動(dòng)端，解析生成野外數(shù)據(jù)采集任務(wù)。任務(wù)管理主要包括任務(wù)瀏覽、編輯、增加、刪除以及統(tǒng)計(jì)等功能。

(2)數(shù)據(jù)瀏覽

支持遙感影像、矢量數(shù)據(jù)的快速切換瀏覽及圖/屬交互查詢?yōu)g覽。系統(tǒng)提供圖層放大、縮小、漫游、查詢、鷹眼等功能，支持增加、移除、調(diào)序、顯示、自動(dòng)標(biāo)注以及符號定制等圖層管理功能。

圖2 系統(tǒng)總體流程圖Fig.2 The overall flow chart of customizable mobile data collection system

(3)數(shù)據(jù)采集

利用移動(dòng)終端的定位和拍攝功能，結(jié)合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)編輯功能，支持野外調(diào)查指標(biāo)、多媒體信息、地理位置信息等多種類型的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)核查點(diǎn)新建、照片等信息的自動(dòng)編碼與掛接。

(4)數(shù)據(jù)同步

系統(tǒng)支持采集數(shù)據(jù)上傳與更新。數(shù)據(jù)上傳功能支持采集數(shù)據(jù)利用USB連接或無線方式經(jīng)由移動(dòng)客戶端以采集數(shù)據(jù)離線包的形式上傳到數(shù)據(jù)庫，用戶地理位置可通過3G無線通訊方式實(shí)時(shí)發(fā)送到服務(wù)器。數(shù)據(jù)更新功能支持通過3G等無線通訊方式實(shí)現(xiàn)更新信息由服務(wù)器端直接下載，同時(shí)支持對已上傳數(shù)據(jù)的更新和修正。

(5)數(shù)據(jù)校驗(yàn)與審核

移動(dòng)終端能夠?qū)Σ杉畔⒌恼_性、完整性以及有效性進(jìn)行檢查校驗(yàn)。系統(tǒng)支持審核用戶通過網(wǎng)站進(jìn)行任務(wù)初步審核和任務(wù)提交，支持審核用戶對任務(wù)信息進(jìn)行瀏覽、修正。

(6)用戶管理

實(shí)現(xiàn)用戶管理各項(xiàng)功能，包括用戶注冊、權(quán)限分配、用戶審計(jì)、用戶位置跟蹤等。

(7)資料庫

移動(dòng)客戶端內(nèi)置離線資料庫，便于野外調(diào)查人員查詢野外調(diào)查技術(shù)方案以及有關(guān)參考資料。

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要包括任務(wù)信息圖像庫、基礎(chǔ)地理信息庫、土地覆蓋類型地面核查庫、生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)野外觀測庫、用戶管理庫以及支撐信息庫。任務(wù)信息庫主要存儲(chǔ)各省區(qū)任務(wù)信息離線包。基礎(chǔ)地理信息庫主要是地名數(shù)據(jù)和行政邊界數(shù)據(jù)。土地覆蓋類型地面核查庫包括遙感解譯土地覆蓋類型地面核查任務(wù)信息和數(shù)據(jù)采集信息。生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)野外觀測庫則包括樣點(diǎn)、樣線、樣方等地面觀測尺度上地表參數(shù)測量信息。用戶管理庫用來存放用戶權(quán)限和注冊信息。支撐信息庫包括系統(tǒng)字典、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)日志等信息。

3 移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 應(yīng)用運(yùn)行機(jī)制

移動(dòng)GIS分為APP應(yīng)用和Web瀏覽器應(yīng)用兩類應(yīng)用運(yùn)行機(jī)制。APP應(yīng)用基于C、C++或Java等語言開發(fā)，直接運(yùn)行在移動(dòng)終端上。Web瀏覽器應(yīng)用模式是指通過移動(dòng)終端上的瀏覽器或中間件來運(yùn)行的GIS應(yīng)用。Web瀏覽器模式的通用性強(qiáng)，但需要有服務(wù)端的基礎(chǔ)。鑒于生態(tài)環(huán)境野外調(diào)查的無線信號不穩(wěn)定和數(shù)據(jù)資源應(yīng)用量大的特點(diǎn)，移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用APP應(yīng)用運(yùn)行機(jī)制，可以更充分地發(fā)揮終端的硬件資源能力，也能支持更全面、豐富的GIS功能。

3.2 數(shù)據(jù)訪問模式

移動(dòng)GIS數(shù)據(jù)訪問更新包括在線、離線和混合3種模式。離線應(yīng)用的數(shù)據(jù)在移動(dòng)端本地存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)訪問不受限于網(wǎng)絡(luò)，訪問速度更快，但數(shù)據(jù)更新編輯后需要有良好的與服務(wù)器同步的機(jī)制。在線應(yīng)用的優(yōu)勢則在于對移動(dòng)端本地存儲(chǔ)要求低，而且可以實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，但在網(wǎng)絡(luò)中斷或無信號時(shí)不能使用，并耗費(fèi)一定的流量成本。移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用混合模式，將實(shí)時(shí)在線模式與離線模式結(jié)合起來，野外調(diào)查人員在外調(diào)查時(shí)可利用離線數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)也可以緩存到移動(dòng)端;當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)(如3G、Wi-Fi)通暢時(shí)可以使用在線模式與服務(wù)器實(shí)時(shí)同步更新數(shù)據(jù)，大大降低了系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)條件的依存度。

3.3 移動(dòng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)

移動(dòng)環(huán)境下的移動(dòng)數(shù)據(jù)庫是當(dāng)前國際數(shù)據(jù)界的一個(gè)新的研究方向。移動(dòng)終端存在處理能力弱、內(nèi)存小和電量供應(yīng)時(shí)間短等設(shè)備資源型限制問題，而傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫體系龐大，并占用了相當(dāng)多的系統(tǒng)資源。新近發(fā)展起來的嵌入式數(shù)據(jù)庫直接在應(yīng)用程序進(jìn)程中運(yùn)行，提供了零配置運(yùn)行模式，并且資源占用非常少，非常適合移動(dòng)數(shù)據(jù)管理。目前國內(nèi)外市場上有多種嵌入式數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，如Pocket Access、SQL Server CE、Oracle Lite、Berkley DB、SQLite、OpenBase Mini等［12］，每種數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品在技術(shù)上都有不同的側(cè)重點(diǎn)，以滿足嵌入式應(yīng)用不同層次的需求。其中，SQLite是一款開源的、輕量級的、嵌入式的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，支持Windows、Linux、Unix、Mac OS、Android、IOS等主流操作系統(tǒng)平臺，被廣泛應(yīng)用在蘋果、Adobe、Google的各項(xiàng)產(chǎn)品中。本系統(tǒng)移動(dòng)終端數(shù)據(jù)庫采用SQLite，大大減少了應(yīng)用程序管理數(shù)據(jù)的開銷，提高了數(shù)據(jù)處理效率，同時(shí)，無需進(jìn)行數(shù)據(jù)庫安裝和管理配置，方便應(yīng)用。

由于移動(dòng)環(huán)境具有動(dòng)態(tài)的移動(dòng)性、有限的信道帶寬、環(huán)境的復(fù)雜性等特點(diǎn)，移動(dòng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)在采集和傳輸中易于出錯(cuò)或丟失［13］，因此需要建立有效的恢復(fù)和容錯(cuò)機(jī)制以保證數(shù)據(jù)的可用性和正確性。移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用自動(dòng)備份、手動(dòng)暫存、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、多重校驗(yàn)等多種機(jī)制，保證采集數(shù)據(jù)的安全。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于ArcGIS移動(dòng)解決方案，采用C#和Java語言，以SQL Server 2008為服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫環(huán)境，Microsoft Visual Studio 2008集成開發(fā)環(huán)境上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)開發(fā)。移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)移動(dòng)終端可部署在配置Android(版本2.3及以上)操作系統(tǒng)的任何移動(dòng)智能設(shè)備上，終端主界面如圖3所示，實(shí)現(xiàn)了空間定位、數(shù)據(jù)采集與錄入、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。

圖3 移動(dòng)終端主界面Fig.3 The main interface of customizable mobile data collection system

5 應(yīng)用與展望

移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制完成后，在生態(tài)十年項(xiàng)目土地覆蓋類型地面核查、生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)野外觀測等工作中得到了應(yīng)用。經(jīng)使用，系統(tǒng)運(yùn)行正常，開發(fā)功能基本滿足野外調(diào)查技術(shù)要求。系統(tǒng)野外調(diào)查人員利用該系統(tǒng)進(jìn)行野外調(diào)查數(shù)據(jù)采集，大多數(shù)項(xiàng)目可通過下拉選擇形式進(jìn)行填寫，同時(shí)照片名稱按照規(guī)范進(jìn)自動(dòng)編碼，無需后期手動(dòng)修改，減小了野外調(diào)查工作量，提高了工作效率;通過多重校驗(yàn)，保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量，采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)或直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了有效管理和長期應(yīng)用。

實(shí)踐檢驗(yàn)表明本文提出的移動(dòng)數(shù)據(jù)采集方案可以較好的解決常規(guī)生態(tài)環(huán)境調(diào)查時(shí)數(shù)據(jù)記錄方式落后的問題，數(shù)據(jù)的有效性和完整性得到了提高。在應(yīng)用過程中，也發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)存在的一些問題。主要是當(dāng)前移動(dòng)終端硬件配置不高，對大數(shù)據(jù)量空間圖層的顯示、查詢、定位等功能有影響，照相功能不能滿足典型區(qū)調(diào)查中對高質(zhì)量相片采集的需求;目前系統(tǒng)后臺對于空間數(shù)據(jù)，主要采取切片方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，轉(zhuǎn)換效率較低，同時(shí)也限制了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。今后將根據(jù)業(yè)務(wù)需求對系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和完善，簡化后臺數(shù)據(jù)處理工具，集成導(dǎo)航定位、軌跡記錄等功能，提高系統(tǒng)靈活性和實(shí)用性，使該系統(tǒng)不僅在此次生態(tài)十年項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用，也能夠在類似的地面調(diào)查和野外數(shù)據(jù)采集工作中發(fā)揮作用。

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