森林資源調查與督查的移動GIS研發及應用

魏芬娟，陳崇成，葉曉燕，陳 功

1.福州大學 空間數據挖掘與信息共享教育部重點實驗室，福州350116

2.福州大學 地理空間信息技術國家地方聯合工程研究中心，福州350116

1 引言

森林資源調查與督查工作能夠掌握森林資源的數量、質量和生長動態等，以保證森林資源在國民經濟中得到充分保護與利用。當前的森林資源調查與督查工作仍然停留在傳統人工作業模式，暴露出許多問題，如：依靠人工手動作業工作量大，工作效率低；違法地塊統計分析困難；森林環境中復雜的地形以及通訊條件的不足導致信息反饋不及時；不能隨時隨地督查執法，無法真正滿足現場督查的需求。轉變森林資源調查與督查工作模式，創新森林資源監測思路與方法已是大勢所趨[1-3]。

隨著移動智能終端的普及，無線通訊技術以及3S技術的發展，森林資源調查與督查技術手段也取得了重大突破，從傳統的人工作業模式轉向移動GIS 數據采集系統。與傳統C/S 和B/S 的GIS 系統相比，移動GIS 系統具有良好的移動性和分布性。基于位置服務的移動GIS 系統改變了傳統的信息收集、傳遞與使用方式，具有數據采集靈活性高、數據傳輸方便等特點，能夠快捷、方便、準確地實現森林資源的調查與督查[4-10]。

由于森林環境通常沒有移動通訊網絡覆蓋，基于蜂窩的移動通訊系統、無線網絡系統無法進行正常工作[11]。北斗衛星通信具有全天候、無盲區的特點，能夠全天候實時提供高精度、高可靠定位、導航及短報文通訊服務[12]。其中北斗短報文衛星通訊機制可以有效地解決上述無通訊網絡的問題。目前基于北斗短報文通訊方式的移動信息監控系在海洋測量實時監測[13]、危機救災搶險[14]、高精度地理信息繪制[15]以及物聯網應用[16]等方面有著巨大的應用需求。

綜上所述，本文從森林資源調查與督查實際需求出發，以森林調查與督查信息管理為重點，使用ArcGIS for Android 開發，以3S 技術、北斗短報文通訊技術、數據庫技術為核心，以森林資源專題信息為基礎，集森林資源調查與督查為一體的移動智能終端系統，為森林資源調查與督查提供高效、準確和科學的信息服務，更好地實現森林資源信息化建設。

2 系統設計

2.1 系統架構

本系統采用層次化的結構設計，總共分為五層，分別為采集層、支撐層、服務層、接口層和應用層，它們相互形成一個有機的系統總體架構。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構圖

采集層是數據層的主要來源，GPS采集自身定位數據與行走軌跡數據；相機、錄音、視頻等工具采集多媒體數據；手繪小班數據是森林資源調查、督查過程中采集矢量數據的重要手段；傳感器模塊采集傳感器獲得的森林環境因子數據。

支撐層是構成系統的基礎保障，實現數據的存儲與管理功能，將森林資源基礎地理數據與專題數據定制成符合系統需求的數據包，為系統提供數據支持。

接口層是面向應用程序服務，包括離線地圖服務、地理數據服務和移動位置服務，為接口層提供后臺支持，是接口層功能實現的基礎。

接口層給各類應用程序提供了開發接口，所有應用程序都基于接口層提供的API（Application Programming Interface）進行開發。系統主要采用以Android 為操作系統的北斗手持機為操作設備，因此選擇ArcGIS for Android和北斗短報文接口對系統進行二次開發。

應用層實現基礎地圖功能、數據導入導出、森林資源調查與錄入、位置感知、違法督查管理、傳感器數據的接入與展示等功能。

2.2 數據庫設計

系統將數據分為基礎地理數據、專題應用數據兩部分。系統數據庫總體結構如圖2所示。

圖2 數據庫總體結構

基礎地理數據庫包括森林資源矢量數據、森林資源屬性數據和調查區域影像數據。森林資源矢量數據即森林資源點、線、面數據；森林資源屬性數據主要包括森林調查過程中主要調查指標，如地類、森林類別、樹種、優勢樹種、齡級、齡組、竹度與生產期、立地因子、其他等[17]；調查區域影像數據就是調查區域的離線切片數據。

專題應用數據庫包括軌跡管理數據、森林違法督查數據、多媒體數據和森林環境因子傳感器數據。軌跡管理數據包括軌跡路線和軌跡描述數據；森林違法督查數據包括森林違法標記和違法督查記錄；多媒體數據包括照片、音頻、視頻等；森林環境因子傳感器數據包括溫濕度、二氧化碳、火焰以及傳感器節點的經緯度數據。

2.3 功能設計

根據森林資源調查與督查業務要求，系統設計的主要功能有基礎地圖功能、數據導入導出、位置感知、森林資源調查與錄入、違法督查管理、傳感器數據的接入與展示等功能模塊，系統功能結構如圖3所示。

（1）基礎地圖：主要負責離線地圖的加載、顯示和操作。電子地圖是在移動智能終端上遙感影像、矢量數據的疊加及可視化。地圖操作包括放大、縮小、平移、點選、清除要素、屬性信息查詢等。圖層管理包括圖層的渲染、添加、移除、隱藏、圖層排序等。

（2）數據導入導出：實現系統數據與外界數據的交換功能，達到數據的同步。主要包括矢量數據、多媒體數據、工作記錄等，數據文件以Shapefile、XML 等文件格式為主。

（3）位置感知：通過移動智能終端內嵌的GPS 模塊和傳感器上的北斗模塊獲取當前位置信息和傳感器實時位置信息。將位置信息通過基礎地圖模塊實現目標地理位置的可視化顯示，實現位置感知。還可以利用GPS 實現行走軌跡的繪制，并對軌跡數據進行增加、修改、顯示與刪除等操作。

（4）森林資源調查與錄入：通過手繪圖形或自身軌跡標繪出邊界，并在繪制結束后添加對應的屬性數據與多媒體數據。系統還提供數據編輯功能，如數據刪除、節點編輯、屬性編輯和圖形編輯等。圖形編輯包括圖形分割、合并、裁剪和擴展。

（5）違法督查管理：在森林資源督查過程中，若遇到森林資源違法事件的發生，可以對違法事件進行標注并對違法事件進行記錄。

（6）傳感器數據實時接入與展示：利用北斗短報文衛星通訊功能，將調查與督查區域的傳感器數據在沒有移動通訊網絡覆蓋的條件下，實時接入與展示，并在地圖上標注傳感器的位置。

3 關鍵技術

3.1 ArcGIS for Android

ArcGIS for Android 是ESRI 為Android 系統專門提供的開發包，它支持Java語言開發應用程序。主要為Android 系統的開發者提供了ArcGIS 的圖形處理表達接口，使得開發更加簡潔高效，也為移動GIS 系統開發開辟了廣闊的道路[18-19]。將系統部署在Android 智能終端上，能夠實現地理信息的豐富展現、多樣的地理分析以及常規的外業數據采集等。基于ArcGIS for Android的移動GIS二次開發提供的功能如下：

（1）地圖功能：提供移動端的地圖服務，提供地圖的可視化以及對地圖觸屏操作與繪制功能。

（2）查詢和識別功能：空間要素、屬性要素的查詢與識別等。

（3）數據處理：提供地理處理工具，如緩沖區分析等。

（4）要素編輯：屬性編輯、幾何編輯等。

3.2 移動位置服務

移動位置服務是移動位置服務是移動通訊技術、空間定位技術、移動GIS 與無線傳感器等相關技術的基礎上實現的基于地理位置信息的移動信息服務。移動位置服務的興起為移動GIS 用戶帶來了極大的便利，兩者的結合滿足了大量大眾化的地理信息需求[20-23]。

目前基于位置服務的定位系統主要基于GPS定位、基站定位、北斗定位等方式。GPS與北斗定位技術在導航、野外數據采集等領域應用廣泛[24]。將GPS與北斗定位相結合，既增加了定位精度也避免了通信盲區。

GPS定位是Android系統內嵌的GPS模塊通過位置管理器LocationManager 來獲取當前位置信息，并將當前位置在地圖上顯示。北斗定位是通過北斗短報文信息中的定位數據將傳感器的位置實時顯示在地圖上。

由于GPS、北斗獲取的位置是WGS84 坐標的經緯度信息，需要通過坐標轉換后才能在地圖上顯示。坐標轉換需要將WGS84 坐標轉換到空間直角坐標系，再進行空間直角坐標系的七參數轉換，最后將空間直角坐標新轉為大地坐標系[25]。

圖3 系統功能結構圖

3.3 離線空間數據存儲

離線空間數據存儲就是將所有的數據都存儲在本地智能終端上。數據的讀取、顯示、編輯、保存都是通過本地數據庫完成的。

3.3.1 File存儲

Android系統的File存儲包括內部存儲空間（Internal Storage）和外部存儲空間（External Storage）。Android系統采用Java IO 庫提供的Input 和Output 接口實現文件導入導出操作。系統中遙感影像切片數據和多媒體數據的存儲使用的就是File存儲。

3.3.2 矢量數據存儲

（1）SQLite數據庫

SQLite是一套輕型的關系式數據庫系統，具有便攜易用、占用資源少的優點，通常無需任何配置即可完成部署，其跨平臺的特性支持幾乎所有主流的操作系統平臺，也常用于嵌入式的解決方案[26]。針對目前大多數GIS 系統在處理空間數據和屬性數據時都是將兩者分開存放和管理，這種方式不能保證數據的一致性和完整性。系統將SQLite數據庫嵌入到移動GIS系統中，可以實現空間和屬性數據的統一管理，確保數據完整性[27]。

系統通過擴展Android 的幫助類SQLiteOpenHelper來維護和操作數據庫和表，將數據都存儲在SQLite數據庫中，以便于數據的存儲、加載、更新和導入導出等操作。目前ArcGIS for Android 在離線數據方面只支持切片數據離線存儲，而不支持矢量數據的離線存儲。為了實現離線空間數據存儲，需要把Shapefile文件導入到SQLite 空間數據庫中，再將數據庫導入到本地Android系統中。

（2）幾何對象存儲格式

WKT（Well-Known-Text）格式是由開放地理空間信息聯盟（OGC）指定的一種與矢量幾何對象的轉換的文本標記語言[28]。先將幾何數據轉換成WKT 格式數據，存儲在SQLite 數據中，當讀取幾何數據時，將WKT 格式數據轉換成相應的點、線、面并在屏幕上實現可視化。

3.4 北斗短報文

北斗短報文是中國衛星導航的原創功能，是北斗系統的三大功能之一。北斗短報文的一次通信最大容量為120 個漢字，能滿足森林資源調查與督查數據的傳輸要求。

在森林復雜環境下，通過分布式傳感器網絡系統完成森林環境數據的采集。由傳感器端完成信息融合，通過北斗短報文發送至智能終端，完成森林環境數據的存儲與可視化。這種數據采集方式可以很好地滿足森林環境下長時間、跨地域以及無人值守的應用需要。

系統通過接收北斗短報文廣播的方式獲取傳感器的數據，也可通過發送北斗短報文廣播來發送短報文進行實時的通訊交互。短報文信息是通過廣播中相應Bundle數據提取出對應字段數據，將獲取的字段數據實時插入數據庫并顯示，傳感器的實時位置通過基礎地圖來展示。北斗短報文的接入與展示步驟如下：

（1）利用Android 系統的廣播機制定義一個接收器BroadcastReceiver（廣播接收者）對接收北斗短報文廣播進行監聽，廣播標識如表1所示。

表1 廣播標識

（2）重寫onRecieve（）方法，在onRecieve（）中獲取Bundle數據，數據結構如表2所示。

表2 Bundle數據

（3）獲取到的TXR_Content 為短報文內容，格式為“經度，緯度，環境因子1，環境因子2，環境因子3…”。以“，”為分界點，對短報文內容進行分割，得到各個字段后實時插入數據庫中。

（4）ListView實時顯示環境參數信息。

（5）經緯度數據通過坐標轉換在地圖上實時標注。

4 系統在平潭綜合實驗區中的應用

選用的移動智能終端為北斗手持機W135，操作系統為Android5.1，內存總容量26.54 GB，內置GPS 與北斗模塊，擁有接收北斗短報文與北斗定位的能力，滿足系統硬件需求。

系統應用示范區域為福建省平潭綜合實驗區，平潭綜合實驗區位于福建省東部，與臺灣隔海相望，位于119°32′～120°10′E，25°15′～25°45′N之間。實驗區面積為372 km2，森林林種以防護林為主，從森林資源分布上來看，具有較強的代表性。多年來的生態建設和經濟建設，使平潭綜合實驗區的森林資源狀況變化巨大，需要進行森林資源調查與督查工作，確定森林資源現狀，保護生態建設的成果。由于往年的調查與督查手段自動化程度低，所以使用該系統在平潭實驗區進行實驗。

以平潭實驗區的遙感影像數據作為參考底圖。根據森林資源規劃設計調查技術規程中的調查范圍與內容，系統以各個鄉鎮的森林資源面數據為參考依據，以地類、樹種、優勢樹種、林地面積等為屬性數據；以傳感器數據為調查與督查的輔助手段，進行森林調查與督查工作。

圖4 系統工作流程圖

（1）實現地圖模塊的基本功能，包括量距、量面等地圖工具的實現以及個人與傳感器的定位與軌跡管理，為森林調查與督查工作提供輔助工具。

（2）實現森林資源數據的查詢以及新增森林小班位置、屬性信息以及現場多媒體數據的采集與編輯，采集任務結束后，可通過數據導入導出功能對采集的數據進行內業處理。

（3）實現對森林違法事件進行督查與監測工作，可在現場記錄森林違法事件，包括違法事件標注以及違法督查屬性記錄，系統通過傳感器實時傳回的森林環境因子數據對森林環境進行實時監測與應急。

根據森林資源調查與督查的步驟與功能，系統工作流程如圖4所示。

4.1 輔助工具

4.1.1 電子地圖與操作工具

電子地圖用來加載顯示影像數據，以其作為參考底圖，能夠直觀了解森林資源基本情況。在電子地圖上可通過地圖操作按鈕（如圖5 所示）實現地圖放大、縮小、平移、鎖定地圖、全幅顯示地圖等操作，也可通過連續點擊地圖進行放大或通過兩個手指進行地圖縮放。

圖5 地圖操作工具

系統提供了長度測量和面積測量功能，長度測量時在地圖上點擊繪制測量的線段，地圖上會以黑色的線標識測量線段，當測量點數到達兩個，界面中會顯示當前線段的長度；面積測量時，在地圖上點擊繪制測量的多邊形，地圖上會以黃色標識出測量多邊形。當測量點數到達三個，界面中方會顯示當前多邊形的面積。

4.1.2 圖層管理

圖層管理包括圖層的添加、移除、隱藏、排序以及渲染等功能。將需要調查與督查的圖層導入到項目中，根據需求進行圖層添加、移除、隱藏及圖層排序。為了使用戶在地圖上更加直觀地了解圖層數據，可對圖層進行渲染。圖層渲染包括對圖層樣式和顏色進行設置、對圖層的標注進行控制、選擇是否標注或標注的字段以及控制圖層顯示的比例尺等，圖層渲染設置界面如圖6所示。

圖6 圖層渲染設置界面

4.1.3 軌跡管理

野外工作人員可以利用GPS 定位自動記錄調查軌跡，提供工作信息管理、軌跡回放等功能。調查人員可以通過軌跡路線來規劃調查路線，更加合理安排后續工作。

在軌跡采集過程中，先創建軌跡，即輸入軌跡名稱和軌跡描述后開始記錄軌跡，在軌跡記錄過程中需要暫停時可點擊暫停鍵暫停軌跡記錄，軌跡記錄結束后，軌跡數據保存在數據庫中。系統提供對軌跡進行地圖定位查看、軌跡編輯、軌跡刪除、清空軌跡、打開軌跡文件、導出軌跡文件等功能選項，如圖7所示。

圖7 軌跡管理圖

4.2 在森林資源調查中使用

在調查過程中，若發現新的小班數據或是原有小班數據發生變化時，可選中小班數據所在的圖層進行數據采集與編輯。當發現新的小班數據時可通過手繪的方式采集邊界信息并添加屬性與多媒體信息；當原有小班數據發生變化時，可直接編輯數據的屬性、空間位置、圖形形狀等，調查流程圖如圖8所示。

圖8 森林資源調查流程圖

（1）屬性編輯是對小班數據的屬性進行修改。屬性編輯可以編輯基本屬性信息，如樹種組成、地塊號、鄉鎮、修改時間等信息，也可添加多媒體數據，如照片、視頻、音頻等。多媒體數據更直觀地反應了現場實地情況，方便后期的核查工作。

（2）空間位置編輯不僅改變小班數據的屬性信息，還可以改變空間位置信息。在手繪過程中，選中某一節點，被選中的節點顏色會發生變化，點擊節點移動后的位置，實現空間位置上的修改。手繪與屬性編輯圖如圖9所示。

圖9 數據采集與編輯示例圖

（3）圖形編輯是實現圖形的分割、合并、裁剪以及擴展等編輯功能。圖形編輯后小班的個數發生變化，其屬性也會隨之發生變化。①在圖形分割后，面積較大的小班保留原有屬性，面積較小的需要手動添加屬性；②圖形合并是將先后選擇的兩個小班數據進行合并，合并后的小班數據默認保留后一個選擇的小班屬性；③圖形裁剪與擴展不會影響其屬性，實現效果如圖10所示。

圖10 圖形編輯效果圖

根據林業資源調查技術規程可知，采集完的數據需要導出至PC端進行森林資源數據的統計與成圖等。圖11為導入ArcGIS 后的采集數據。在軟件中可以直觀明顯地看出森林資源調查過程中有哪些小班發生變化。也可進行專題圖的制作與統計等工作。

圖11 采集數據前后對比圖

4.3 在森林資源督查中使用

4.3.1 違法事件管理

當督查人員在督查區域過程中發現違法用地或是違法行為時，可進行現場標記、記錄與取證工作，如圖12。督查人員可以通過數據采集標繪違法區域或標注違法位置，通過屬性編輯記錄違法事件以及現場拍照、錄音、視頻等取證工作。

圖12 違法事件督查流程圖

違法事件采集的數據主要包括違法當事人信息、督查記錄、移交處理記錄、作案工具等。當事人信息是在有違法當事人的情況下對當事人的信息進行采集與存儲；督查記錄包括違法性質、發現時間、發現形式、是否有違法當事人、是否立案、處理結果、處理方式等，如圖13所示。當事人是記錄違法當事人的基本信息，如姓名、住址、身份證號等；移交處理記錄是無法現場解決的違法事件可以移交到上一級進行處理；作案工具是在有作案工具的事件中對作案工具數據進行采集與存儲。

添加違法督查記錄后，可在有通訊條件的情況下進行違法督查記錄傳輸，也可以在PC 端查看違法督查記錄表，如圖14所示。

4.3.2 傳感器數據接入與顯示

傳感器能獲取自身的經緯度信息以及森林中的各項環境數據，如溫濕度、熱紅外、CO、煙霧及火焰等。多種傳感器收集的環境數據為森林環境參數的動態實時監測提供支持。通過北斗短報文，將這些環境數據實時傳送至北斗移動終端上，能解決長時間、遠距離、無人值守的情況下對森林環境參數的監測工作。

圖13 違法督查記錄圖

圖14 違法督查數據記錄圖

傳感器的接入是通過北斗短報文通訊將傳感器獲取的環境數據實時獲取并存儲在系統數據庫中。傳感器數據的顯示就是對數據進行實時可視化，包括列表形式的數據展示和地圖標注的位置展示，如圖15 所示。傳感器的接入與展示加快了對森林環境應急事件的響應。當某一環境參數發生很大的變化或是超出正常范圍時，督查人員能夠第一時間發現問題并鎖定傳感器的位置，進行應急調度工作。

圖15 傳感器數據的接入與展示圖

將傳感器傳回的數據進行驗證，傳感器數據共發送31 條，接收到31 條。證明在數據接收與展示時并無數據的丟包現象，體現了采集數據的有效性。

5 結束語

本文以森林資源調查與督查業務為出發點，在ArcGIS for Android 的基礎上進行了二次開發，闡述了系統的總體架構和功能，分析了系統的關鍵技術，設計并實現了面向森林資源調查與督查的移動GIS 系統。調查人員能直接在調查現場對森林資源小班數據進行編輯，大大減少了內外業分離的出錯幾率。這對于改變傳統的森林資源調查與督查方式具有十分重要的意義。

（1）利用GPS、北斗定位來輔助森林資源野外調查工作，提高采集數據的精度，為調查人員構建了一個高精度、一體化數據森林資源調查系統，逐步摒棄低效、誤差大的作業方式。

（2）建立起一個“數字化”的森林資源調查作業體系，實現對調查與督查數據的規范、科學、有效的管理，為建立標準化的森林資源調查與督查規程提供依據。

（3）系統利用北斗短報文技術將傳感器獲取的數據應用到森林督查中具有前瞻性，實現環境因子數據的實時采集與監測，這也是未來森林調查與督查的監測方向。將傳感器數據與離線電子地圖結合，既能實時觀測數據，又能在應急事件發生時第一時間定位到具體位置。

（4）實驗表明，此系統功能全面，運行穩定且適用范圍廣，可以滿足在復雜的森林環境下的森林資源調查與督查要求，能有效改善森林資源調查與督查手段。