基于北斗衛星導航系統的林區智能巡檢測繪系統研究

趙燕東 涂佳炎

(1.北京林業大學工學院，北京 100083;2.北京林業大學城鄉生態環境北京實驗室，北京 100083)

0 引言

林業資源調查中的面積測量、林區樣地采集在森林資源和生態環境監測及評價中十分重要，面積測繪以及樣地智能選取的手段、方法和功效直接影響森林資源調查的結果和有效性[1-2]。

目前國內外林區巡檢及測繪測量的主要手段包括全站儀測繪法、地形圖勾繪法以及手持全球定位系統(Global positioning system，GPS)儀測量法[3-4]。楊平[5]研究了基于GPS技術的林區巡檢系統，設計了GPS手持機和后臺林區巡護管理系統，使森林巡檢技術實現了一定程度上的信息化；黃穎[6]提出了基于北斗衛星定位技術的林業野外巡護管理方法。全站儀測繪法測量成本高，操作相對復雜，而且能測的林區面積范圍有限；地形圖勾繪法誤差相對較大，工作復雜；而GPS測量是近年來采用比較多的方法。林區樣地采集主要還是依靠人工丈量確定，效率與準確性較低，而且信息不便于統一管理[7-9]。

目前定位方式主要包括GPS定位、網絡基站定位以及北斗衛星定位。其中，網絡定位是基于基站的定位，在一些偏遠林區，無法搜索到基站信號，因此無法成功定位，而且定位精度一般在50～200 m不等，這在林區巡檢中無法滿足面積測量的工程精度要求。目前大部分定點巡檢采用GPS巡檢方式，GPS是目前全球使用覆蓋率最大的一種定位技術，定位精度較高，不同于網絡定位需依賴于基站，在偏遠林區也能實現精準定位，但是基于GPS巡檢研究中，一方面是極少存在地圖可視化功能，另一方面是由于某些干擾因素造成定位存在誤差，未能將誤差過大的點剔除，造成面積測繪誤差太大[10-14]。鑒于目前森林面積測繪技術中存在的問題，本文采用北斗衛星定位方式，北斗衛星導航系統(Beidou navigation satellite system，BDS)是由我國自行研制的全球衛星定位導航系統，相對GPS系統，北斗衛星導航系統有較明顯的優勢[15-16]。

本文通過集成可視化地圖工具包顯示巡檢采樣點，利用距離偏移過濾算法剔除誤差大的定位點，并將采集的經緯度坐標投影為墨卡托坐標用于面積計算，最后采用矢量三角面積算法計算巡檢軌跡的區域面積。

1 硬件平臺設計

1.1 巡檢網絡系統

巡檢網絡平臺系統如圖1所示，由北斗定位終端搜索北斗信號獲取位置坐標信息，將接收的數據包通過藍牙傳輸給移動智能終端軟件，在該終端進行相應的軌跡可視化與面積計算，然后將處理完成的數據包通過移動網絡傳輸至云服務器的數據庫存儲備份，最后Web管理終端可通過超文本傳輸協議從服務器端獲取最新的數據信息，與巡檢智能移動終端保持同步。

圖1 基于“互聯網+”的林區智能巡檢網絡平臺Fig.1 Intelligent inspection network platform based on“Internet plus”

1.2 北斗定位終端設計

北斗定位終端主要用于當前位置信息的獲取，其硬件由BD-228型定位模塊、STM32F103ZET6型芯片、功能按鍵、藍牙模塊、燈光指示以及電源模塊組成，如圖2所示。采用意法半導體公司基于Cortex-M3內核開發的STM32F103ZET6型處理器芯片作為該硬件系統的中心控制單元，它的特點是高性能、低功耗，具有112路增強型通用輸入、輸出口(General purpose input output，GPIO)，可實現與外設50 MHz的數據傳輸速率，工作溫度范圍是-40～85℃[17-18]。

圖2 北斗定位終端硬件組成Fig.2 Hardware of Beidou positioning terminal

BD-228型定位模塊是支持北斗(BD1)和GPS的雙模定位模塊，通過搜集北斗衛星導航系統的衛星信號，獲取定位信息，將數據輸送給STM32F103ZET6型芯片處理，該模塊輸出的數據格式符合美國國家海洋電子協會制定的NEMA-0183數據協議。協議采用ASCII碼字符串流，其串行通信默認參數為：波特率4 800 bps，數據位8 bit，無奇偶校驗。協議幀包含了世界統一時間(Coordinated universal time，UTC)和日期(BDZDA)、全球定位數據(BDGGA)、推薦定位信息(BDRMC)等7種命令，在該系統內主要解析的是BDGGA和BDRMC兩個命令格式，首先解析BDRMC中的定位狀態碼是否有效，若有效再通過解析BDGGA獲得當前經緯度、定位精確度、平移速度、海拔等必要信息[19-20]。最后再通過藍牙4.0模塊，利用透傳將獲取的位置數據發送給移動終端軟件。

1.3 巡檢軟件平臺

智能移動終端軟件、云服務器、數據庫、Web終端構成了該系統的軟件管理平臺。移動終端應用軟件基于Android 5.0系統開發，內置SQlite輕量級數據庫，可將定位數據長期保存在本地，減少網絡流量的消耗。基于可視化要求，在軟件內引入目前國內常用的百度地圖系統。百度地圖的覆蓋率高，更新快，可完全滿足偏遠林區巡檢可視化要求。百度地圖提供了一套可靠的軟件開發工具包(Software development kit，SDK)，適用于Android系統移動設備的地圖應用，通過調用地圖SDK接口，可以訪問百度地圖服務和數據，利用北斗定位終端傳遞過來的當前位置信息，在地圖上顯示出當前坐標點，描述巡檢軌跡等。同時移動終端利用后臺搭建的接口上傳位置信息至云服務器端保存，后臺搭建在阿里云上，采用MySQL數據庫，MySQL核心線程為完全多線程，支持多處理器，運行速度快。Web終端可在管理控制中心連接服務器實時獲取巡檢人員位置及巡查結果，及時作出相應決策。

2 智能化巡檢設計

針對傳統紙質和簡單電子巡檢存在的問題，在整合了實際林區巡檢管理需求的基礎上，本文設計的手持巡檢儀終端基于“互聯網+”模式并結合Android操作系統、地理信息服務(Location based service，LBS)實現了智能化巡檢。

林區巡檢主要分為巡檢任務下發、巡林員實地巡檢以及巡檢結果統計處理。本研究采取的智能巡檢策略如圖3所示。

圖3 智能巡檢策略Fig.3 Strategy of intelligent inspection

2.1 巡檢任務下發

林區管理調度中心由Web管理終端直接將巡檢任務信息通過網絡下發到手持巡檢儀終端。在Web管理終端將巡檢點的經緯度信息提交至云服務器，巡檢儀終端軟件連接云服務器獲取巡檢任務信息符合Http1.1協議，保證數據傳輸的安全性。通過Http發起Get請求獲取巡檢任務的數據包，返回的數據包為JSON(JavaScript object notation)格式的數據，具體的JSON格式協議如下

{" locinfo ":["locname":"","locid":"","lat":"","lng":"","note":""],"ischeck":"","historyid":""}

其中，locname表示位置點名稱，locid表示位置編號，lat表示緯度，lng表示經度，note表示具體巡檢任務信息，ischeck表示是否為巡檢復查任務，historyid為歷史巡檢編號。

LBS地理信息服務用于提供基礎地圖服務、定位及軌跡描繪接口。巡檢儀自動生成巡檢規劃路徑的步驟如圖4所示。

圖4 巡檢路徑規劃流程圖Fig.4 Flow chart of planning of inspection path

2.2 優化巡檢路徑

由于林區環境特殊，LBS地理信息服務無法為林區提供按林區道路的導航服務。若根據下發的任務點信息，只能將任務點按順序連接構成點到點的方向性導航路徑。本研究利用SQLite數據庫存儲歷史巡檢實際路徑信息，實現了巡檢路徑的優化。

在初期下發巡檢任務時，本地無歷史數據信息，則直接調用地圖服務的地圖標記繪制接口，將任務點按編號用直線連接構成任務規劃路徑，結合北斗終端提供的實時位置信息提供方向性的導航。巡檢中定時獲取實時位置保存在本地SQLite數據庫，并實時將數據通過網絡上傳至云服務器，利用Http協議發起Post請求，將數據存儲在云服務器的數據庫，與Web管理終端保持信息同步。

為了在后續巡檢任務中獲得更準確的林區任務導航路徑，在巡檢儀內部數據庫建立兩張表存儲任務點之間的歷史實際巡檢路徑信息。數據庫中的表如表1、2所示。

表1 目標點信息Tab.1 Target point information

表2 實際巡檢軌跡Tab.2 Actual track of inspection

在表1中存儲任務點概況，即當下發數據得到任務點時，利用任務點名稱，在表1中搜索是否存在對應兩個相鄰任務點的信息，若存在則取出時間t1與t2以及路徑名稱，聯系表2根據路徑名查詢時間在t1與t2之間所有位置點經緯度信息，最后利用所有查詢取出的坐標信息，在地圖上生成的規劃路徑則為優化后的按林區道路的實際軌跡，同時利用歷史數據還可預測相鄰點之間的巡檢路徑長度信息與耗時信息。

若下發數據包經GSON庫解析得到的是巡檢復查指令，則根據巡檢路徑編號從巡檢歷史詳細數據表查詢對應的巡檢軌跡作為巡檢規劃導航圖，利用這種方式可實現完整的巡檢復查。

所有巡檢結果在本地數據庫和云服務器都有備份，在巡檢儀軟件終端利用ExcelUtils庫可按模板將數據從本地數據庫中查詢取出，導出生成Excel報表文件提供給林區管理調度中心作進一步分析處理。

3 數據處理與面積計算方法

利用手持巡檢儀終端獲取的地理坐標為經緯度坐標。獲取的原始坐標類型為2000國家大地坐標系(China geodetic coordinate system 2000，CGCS 2000)，針對獲取的原始坐標數據，還需做一系列的數據處理才能進行面積測算。

首先在巡檢打點中可能存在某些采樣點偏差過大，不符合工程精度要求，影響最終的面積計算結果，所以需要濾波算法將這些點剔除；另外在面積計算中需要把經緯度坐標轉換到適合當地局部坐標的墨卡托投影平面坐標系下才能進行計算，最終針對不規則的平面圖形計算閉合區域的面積。

3.1 漂移點剔除

北斗手持巡檢儀在獲取位置信息時，有可能會出現頂部遮擋物、衛星時鐘誤差等因素的影響，造成定位獲取的位置信息相對真實位置偏差過大而不符合工程測量的要求。這些點稱為定位中的漂移點，它們將會加大最終面積測量的誤差。針對這些漂移點，本研究提出了精度閾值過濾結合距離偏移過濾的算法來選擇性剔除不符合工程要求的漂移點。總體處理流程圖如圖5所示。

圖5 漂移點過濾流程圖Fig.5 Flow chart of filtering drift points

精度閾值過濾即根據獲取的定位精度，選擇性過濾精度大于設定閾值的采樣點。在林業測繪中，一般認為定位精度在10 m以內都是可以接受的，因此在該系統中將精度閾值設為10 m，當獲取的定位精度信息大于10 m時，剔除該采樣點數據，即不存入數據庫。

距離偏移過濾算法以2個采樣點間的距離為判斷基礎。在系統中記錄前一個定位采樣點和當前采樣點的經緯度信息，同時，記錄此位移過程中的速度變化，得到該區間的速度最大值Vm，以及2個點的采樣間隔時間t。

由經緯度信息可計算得到這兩點之間的直線距離d，再由最大速度與采樣間隔時間的乘積可得理論最大距離r，r則為過濾算法的閾值，當d>r時，表示當前點的偏移距離過大，應該剔除。

3.2 坐標轉換

手持巡檢儀終端直接獲取的北斗定位坐標是在球心坐標系下的經緯度坐標，這是一種基于球體的曲面坐標。經緯度坐標無法直接用于林區面積的計算，所以在林業工程中，面積測繪需要將球面經緯度坐標投影到平面上的墨卡托公里網坐標才能進行計算，因此引入了墨卡托投影變換算法。

墨卡托投影是一種角度不變的投影模式，故又稱作等角正切圓柱投影。其原理如圖6所示，用一個圓柱體與地球相切，假設在地球中心有一光源向外發出散射光，地球上的點投影在圓柱體上即投影后的坐標，可得切線也就是赤道，即為投影過后的X軸，而本初子午線投影在圓柱體上所在的直線就是Y軸[21]。

圖6 墨卡托投影原理Fig.6 Principle of Mercator projection

根據等角條件可推算出墨卡托投影的計算公式為

(1)

式中B——緯度

L——經度

x——投影后橫坐標

y——投影后縱坐標

R——地球半徑，m

根據式(1)可將北斗定位獲取的經緯度坐標轉換為墨卡托平面公里網坐標。

3.3 面積計算

森林巡檢的軌跡實際上是一個不規則的多邊形。對于不規則多邊形的面積計算，最常用的方法是三角形分割法。即在多邊形內部取一點，與各個頂點連線，這樣就把多邊形分成了若干個三角形，這樣多邊形的面積計算就轉換成了求若干個三角形的面積和。但是這種方法存在一定的缺陷，主要表現在多邊形是帶有凹角的多邊形，即多邊形的內角有大于180°的情況。在這種情況下，利用三角形分割法計算出來的面積將會比實際的面積偏大，誤差較大，不符合工程要求。

針對以上問題，在該系統中，采用了向量積三角求和，如圖7所示。

圖7 矢量三角形面積算法Fig.7 Vector triangle area algorithm

圖7中是一個不規則的多邊形，將每個頂點與O連接，這樣在圖中構成了7個三角形，多邊形的面積也就變成了這7個三角形的矢量面積之和。矢量面積即根據二維向量叉乘所求出的三角形面積。△OAB的面積計算公式為

(2)

式中SOAB——△OAB的面積

假設A點坐標是(x1，y1)，B點坐標為(x2，y2)，式(2)可表示為

(3)

則不規則多邊形的面積公式為

(4)

式中SΩ——不規則多邊形面積

n——不規則多邊形頂點數

k——頂點編號

xk——第k個點的橫坐標

yk——第k個點的縱坐標

利用式(4)，結合墨卡托平面公里網坐標就能計算出林區巡檢面積。

3.4 智能樣地采集

樣地采集的目的是在林區內某個位置點劃分出固定面積的方形區域。通過定位及智能終端內置的方向傳感器可得到經緯度坐標及方位信息，再結合目標面積，計算得出另外3個頂點的經緯度坐標，確定一個兩邊平行于赤道的方形。

計算目標坐標點需結合實際的平面距離與經緯度的關系，因此系統利用了墨卡托投影坐標。先將當前已知位置的經緯度投影到公里網坐標，根據目標面積計算得出邊長后結合方位角可得到其他3個頂點的墨卡托公里網坐標，方位角信息用于確定另外3個點的坐標在當前位置的西北、西南、東北或東南。最后將墨卡托公里網坐標轉換成經緯度坐標顯示在地圖上。具體的計算流程如圖8所示。

圖8 樣地選取計算流程圖Fig.8 Flow chart of intelligent selection of sampling sites

其中，根據墨卡托投影原理及計算公式可知，由投影坐標轉換為經緯度坐標的公式為

(5)

4 試驗及結果分析

為了驗證系統的精度和可靠性，同時為了方便與真值進行比較，使用該系統在全國多地進行了測試。首先在鷲峰林區進行了北斗系統與GPS的定位對比試驗，然后在北京林業大學體育場進行了設備精度分析，最后在北京奧林匹克森林公園內以及河南鄢陵龍源花木基地進行了巡檢面積測繪試驗。

4.1 北斗系統與GPS系統對比

北斗系統相對GPS系統在國內的覆蓋性更好，主要體現在國內的任何位置都能快速搜索到北斗衛星以獲取定位信息，同時具有在無移動網絡的條件下進行短報文通信的優勢，本研究使用帶有GPS系統和北斗系統雙模式的智能移動終端在鷲峰林區內進行了試驗驗證。

試驗采用北斗系統與GPS系統兩種單一定位模式進行了10次定位，統計定位成功的平均耗時，同時利用北斗系統進行短報文通信試驗，試驗結果如表3所示。

經數據分析可知，在林區內，北斗系統定位相對GPS系統定位速度更快，覆蓋性好，同時在移動網絡信號較弱的地區可保證98%以上的短報文通信成功率，綜上可知北斗系統完全適合林區工程作業。

4.2 精度分析

在開始研究之前，需要對巡檢終端內置的北斗模塊進行精度分析，檢驗精度標準是否能達到工程測量要求。

表3 北斗系統與GPS系統對比試驗結果Tab.3 Comparison experiment result of BDS and GPS

試驗全程僅使用北斗系統定位，無網絡環境影響，以成人正常行走速度繞學校體育場5圈，每2 s保存一次定位經緯度信息與精度信息，試驗重復2次。第1次試驗總用時26 min。數據庫共記錄有效定位信息795條；第2次試驗總用時28 min，記錄有效定位信息851條。所得數據如表4所示。

表4 定位精度試驗結果Tab.4 Experiment result of positioning accuracy

經數據分析，第1次試驗中，精度小于5 m的精準定位率達到了78.99%，小于10 m的精準定位率達到了98.11%，滿足工程測量精度要求；第2次試驗中，精度小于5 m的精準定位率達到了76.73%，小于10 m的精準定位率達到了97.30%，滿足工程測量精度要求。

因此可認為本文設計的北斗設備所采集的位置信息是可靠的，誤差偏大的點較少，選擇性剔除后即可用于林業面積測量。

4.3 面積測繪試驗

4.3.1奧林匹克森林公園試驗

試驗中，由2人分別攜帶5臺各參數完全相同的設備，以成人正常的步行速度繞森林公園南園一周，試驗結果如圖9所示。

圖9 森林公園巡檢結果Fig.9 Experiment result of forest park

經考察取證，試驗所繞南園的實際面積約為35.5萬m2，所得試驗數據如表5所示。

4.3.2鄢陵花木基地試驗

試驗中，由1人攜帶5臺各參數完全相同的設備，以成人正常的步行速度繞基地內各可行通道一周，試驗結果如圖10所示。

經取證，該基地的面積約為25萬m2，所得數據如表6所示。

由2次試驗所測結果可知，試驗結果重復性高，與真實面積的平均相對誤差分別為1.18%、1.67%。而林區測繪工程測繪的精度一般要求在95%以上，所以此系統完全能滿足測繪精度要求。另外經計算，試驗1測量結果的相對標準偏差為1.20%，試驗2的相對標準偏差為1.32%，該系統的測量重復性高，穩定性好。

表5 森林公園面積計算結果Tab.5 Calculated results of forest park area

圖10 鄢陵巡檢試驗結果Fig.10 Experiment result of Yanling inspection

表6 鄢陵試驗面積計算結果Tab.6 Calculated results of Yanling inspection

4.4 樣地采集試驗

使用該系統在河南鄢陵花木基地南園內進行樣地采集試驗，在10個不同的點選擇采集目標面積為2 000 m2的樣地區域，試驗結果如圖11所示，其中藍色點1為試驗時手持巡檢儀位置。

圖11 智能樣地選取試驗結果Fig.11 Experimental results of intelligent sample selection

系統智能生成獲得各頂點坐標后，根據系統導航確定實際位置，最后使用人工丈量確定實際樣地面積，結果如表7所示。

表7 智能樣地選取面積計算結果Tab.7 Calculated results of area selected

由試驗數據分析可知，該系統自動生成的樣地區域面積與目標面積的平均相對誤差為2.21%，這相對于人工丈量的方式在提高了效率的同時，也提高了準確率，完全滿足樣地采集的精度要求。

5 結論

(1)針對現有的森林巡檢面積測繪方式中存在效率低、準確率低的問題，設計了基于北斗導航定位系統與Android操作系統的巡檢面積測繪及林區樣地智能采集系統。在定位信息獲取中，使用北斗定位系統可實現林區全覆蓋精準定位，解決了GPS與網絡定位在某些地區難以獲得精準位置信息的問題。采用了精度過濾與距離偏移過濾算法選擇性剔除了定位中由于各種干擾因素引起的誤差過大的定位漂移點，然后利用墨卡托投影法將獲取的經緯度坐標投影到平面公里網坐標上，最終利用巡檢記錄的坐標，采用矢量三角形面積法計算不規則多邊形的面積即巡檢面積。

(2)應用此系統在森林覆蓋率較高的奧林匹克森林公園以及河南鄢陵花木基地進行了多次試驗，經過對試驗結果的分析，系統測量結果與計算真值結果比較平均相對誤差分別為1.18%、1.67%，林區樣地采集的平均相對誤差為2.21%，完全滿足林區作業要求，為提高林區巡檢的效率與準確性提供了一種有效的方法。