基于GIS的自然保護區本底資源調查系統的設計與實現

唐 軍 薛亞東 盧 慧 李 佳 李廣良 毛業勇 鄧長勝 李迪強

(中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所 北京 100091) 2(湖北五峰后河國家級自然保護區管理局 湖北 宜昌 443400)

0 引 言

自然保護區本底資源調查的目的是為了充分掌握自然保護區所有資源現狀及保護對象情況,明確保護區保護目標,為制定總體規劃、實施保護計劃、提出保護措施及開展科學研究、生態旅游等提供基礎資料[1]。目前,自然保護區開展本底資源調查采用的方式多為保護區管理機構與大專院校等單位合作,按照野生動植物的不同類群、自然地理和社會經濟等分成不同調查組,分類調查后匯總形成科學考察報告。傳統調查方法一般采取手持GPS定位相機進行影像數據采集,同時填寫紙質表格記錄相關數據,但是,外業工作完成后,所有數據在不同專家手中,很難進行匯總,還需進行大量的數據錄入和關聯工作才能將數據利用起來。

怎樣實現對自然保護區本底資源調查工作中各類信息的高效采集和精確管理,是目前自然保護區本底資源調查工作最為迫切需要解決的問題。隨著科技的快速發展,智能手機已經將GPS/北斗、照相機和記錄信息等功能集為一體,結合高分辨率遙感衛星影像數據,對自然保護區本底資源調查外業工作的開展從地圖方面提供了極大的便利,這些技術都為建立基于Android平臺開發的移動GIS數據采集系統和服務器WebGIS數據管理系統提供了基礎[2-6]。目前,關于自然保護地本底資源調查的移動GIS數據采集和服務器WebGIS數據管理系統的研究不多,陳玉龍等[7]應用ArcGIS API for Android、ArcGIS Server 10.2、Tomcat 7.0、ArcGIS API for Flex等技術實現了會澤黑頸鶴自然保護區管理系統,但該系統的功能還不夠全面,缺乏采集如植物樣線、植被樣方、昆蟲等多種類本底資源信息的功能,在空間分析方面亦需改進。

湖北后河國家級自然保護區于2000年4月經國務院批準成立,主要保護對象是中亞熱帶森林生態系統和珍稀瀕危野生動植物物種,包括珙桐、豹、黑麂等國際極度瀕危動植物及其棲息地。宋朝樞等[8]對后河保護區進行了科學考察,編寫了《湖北后河自然保護區科學考察集》,認為區內有維管束植物193科817屬2 087種,陸生脊椎動物25目74科307種,但是,此次調查的時間較早、技術手段不足、時間跨度長,不能確保調查覆蓋保護區大部分區域,且缺乏動植物資源照片、視頻、保護區分布點位等信息,這些成為了目前保護區開展精細化管理的掣肘。2017年,湖北后河國家級自然保護區本底資源調查正式啟動。在外業工作開展之前,各調查組制定了外業采集信息的標準,提出了自然保護區本底資源數字標本的概念,同時提出本底資源調查網格化管理方式,調查覆蓋了自然保護區80%以上的區域,改變了傳統本底資源調查過程中對實物標本的采集、數據管理的模式和數據成果的展示方式。本文針對自然保護區本底資源調查設計了本底資源調查系統,本文介紹了該調查系統的設計框架,并以后河國家級自然保護區為例,展示了該系統的實現途徑及其應用情況。

1 系統設計

1.1 系統的需求分析

2017年湖北五峰后河國家級自然保護區新一次的全面綜合科學考察啟動,本次科考要求各調查組按照網格化模式調查,將保護區劃分為1×1公里網格,從數據采集方式和質量上都提出了具體的要求:(1) 所有調查對象都需要采集包括照片、視頻、GPS位點、描述信息等在內的詳細信息;(2) 照片、視頻、GPS位點、描述信息等數據之間自動關聯;(3) 調查數據采集后能夠一鍵上傳;(4) 各物種數據需經過相關專家鑒定才能入庫;(5) 各調查組要覆蓋80%以上的公里網格數;(6) 調查結果能夠快速統計分析。

1.2 系統的整體架構

本文提出的自然保護區本底資源數字標本,是指根據野生動植物及植被、自然地理和社會經濟等不同調查對象制定相應的數據采集標準,采集調查對象的名稱、位置、生境、多媒體等基礎信息,以及不同調查對象的其他特征信息,并開展數據清洗和審核工作后的一條記錄。它能夠對調查對象進行位置、生境、特征等多維度信息描述,改變以往本底資源調查中需要采集實物標本的方式。依據業務需求研發的自然保護區本底資源調查系統,將從數據采集、數據管理和統計分析的全流程應用這一概念。

本底資源調查系統分為移動端GIS數據采集子系統和服務端WebGIS數據管理子系統2個部分。移動端數據采集子系統是在Android平臺基于開源osmdroid地圖組件開發的移動App軟件,用于保護區本底資源數據外業采集工作;服務端運用Java+JavaScript語言開發,采用GeoServer 9.4作為網絡地圖服務器,Tomcat 9.0作為Web應用服務器,PostgreSQL作為數據庫,OpenLayers3作為WebGIS引擎,Ceisum作為三維地球引擎,實現對外業采集數據的實時展現、歷史數據管理、專家鑒定、統計分析等功能。移動端和服務端通過HTML5定義的WebSocket協議實現數據實時交互(在處于Wi-Fi/4G環境時),使用JSON數據格式進行數據傳輸。系統的功能結構如圖1所示。

圖1 功能結構

系統的體系結構邏輯上可分為4個層次,如圖2所示。數據庫層包括遙感影像數據庫、空間地理信息數據庫、本底資源數據庫、用戶信息數據庫;業務邏輯層主要是針對具體問題的操作,集中關注業務流程的實現等方面;表現層是可視化交互的界面表現部分,根據網絡特點分為移動端GIS數據采集子系統和服務端WebGIS數據管理子系統;用戶層分為管理員、數據審核員、鑒定專家、數據采集員。從功能結構上,移動端GIS數據采集子系統功能包括地圖管理、信息采集、歷史數據、信息同步四個部分,服務端WebGIS數據管理子系統功能包括實時調查、歷史數據、專家鑒定、統計分析四個部分。

圖2 系統架構

2 關鍵技術

2.1 瓦片地圖金字塔模型

目前主流的瓦片地圖編號形式有谷歌XYZ、TMS、QuadTree和百度XYZ四種形式。本文采用的是如圖3所示的TMS(Tile Map Service)瓦片地圖服務,即將投影后的世界地圖按照層級進行四叉樹切割,切割后的瓦片數量隨層級呈金字塔型[9]。

圖3 瓦片地圖金字塔模型示意圖

2.2 WebScoket協議

HTML5定義的WebSocket是一種能夠在單個TCP連接上進行全雙工通信的協議。它允許服務端主動向瀏覽器推送數據,使得二者之間的數據交換變得簡單[10]。依據WebSocket協議,瀏覽器和服務器只需要完成一次握手便可創建持久性的連接,從而進行雙向數據傳輸。這種傳輸協議能更好地節省服務器資源和帶寬,并且沒有時間間隔,使得信息通信更加實時[11]。

3 系統核心功能實現

3.1 系統開發及部署環境

系統開發環境為:操作系統Windows 10專業版;安裝Java Develop Kit 8;安裝Eclipse開發工具;數據庫為PostgreSQL 9.4;地圖發布服務器為GeoServer 2.8;應用服務器為Apache Tomcat 8.5.0。

系統部署環境為:操作系統Centos 6.4;安裝Java Develop Kit 8;數據庫為PostgreSQL 9.4;地圖發布服務器為GeoServer 2.8;應用服務器為Apache Tomcat 8.5.0。

3.2 移動端GIS數據采集子系統功能實現

由于后河國家級自然保護區內3G/4G網絡信號覆蓋不足,不能實現移動端地圖數據的實時調用和采集數據的實時回傳,因此移動端GIS數據采集子系統功能需要考慮兼容在網和離線兩種模式,保障外業采集數據的便利性和完整性。

(1) 信息采集功能。信息采集功能分為野生動植物及植被、自然地理、社會經濟三大類共19小類不同調查對象的采集模塊,野生動植物及植被數字標本字段如表1所示,自然地理數字標本字段如表2所示,社會經濟數字標本字段如表3所示,所采集的數字標本信息將作為一條記錄存儲在本地數據庫中。大致實現方式為系統根據不同的調查表單生成相應實體,利用UUID.randomUUID()方法生成每條信息的ID值,同時將數據寫入相應實體的屬性中,調用DAO層的save()方法寫入數據庫,其中照片、視頻等多媒體數據存入其路徑信息,在無法搜索到定位信號的點位提示重新搜索衛星數據或者直接存入上一點位置信息。在有網絡信號覆蓋的區域,通過WebSocket協議實時回傳,為確保數據完整性,不將實時回傳的數據存入服務端數據管理子系統的數據庫,僅做展示使用。在4G/Wi-Fi環境中,通過歷史數據上傳功能將所有數據同步至服務端數據管理子系統的數據庫。信息采集界面如圖4所示。

表1 野生動植物及植被數字標本字段表

表2 自然地理數字標本字段表

表3 社會經濟數字標本字段表

圖4 信息采集界面

(2) 離線地圖服務功能。離線地圖服務功能包含圖層加載、GPS定位、地圖縮放、地圖拖拽。App按需加載本地保存的保護區遙感影像、功能區劃、1×1公里網格、小班、河流、道路、等高線等各類圖層,同時提供地圖拖拽、縮放等基本操作功能,如圖5所示。

圖5 離線地圖界面

離線地圖服務功能基于開源osmdroid地圖組件,該組件實現了地圖的展示與基本操作(縮放、平移、圖層與要素管理),同時為適應保護區復雜的網絡環境,在osmdroid的基礎上實現對離線數據如TMS柵格圖的讀取,保證在極端網絡條件下地圖功能能夠正常使用。大致實現方式為利用osmdroid.views的MapView類生成地圖組件map,在onCreate()方法中通過Configuration的osmdroidBasePath設置基礎數據路徑,osmdroidTileCache設置瓦片數據路徑,運用getRuntimeExceptionDao()查詢出所有地圖layers圖層,通過map組件的OverlayManager類添加當前位置信息和實時繪制的Polyline圖層。

(3) 定位功能。定位功能是在Android定位的功能基礎上,使用高德地圖Android定位SDK,通過移動網絡、Wi-Fi、陀螺儀等手機內部硬件設備,實現精準位置定位、位置糾偏、逆地址編碼。其中GPS監聽器的監聽機制為利用LocationManager類的GPS_PROVIDER獲取一個GPS監聽器,監聽機制為前后兩點之間移動距離超過10 m或者時間超過10 s,如果位置信息發生改變,利用Location的accuracy判斷定位精度是否小于30 m,如果小于30 m則將其存入本地數據庫。

(4) 信息同步功能。移動端系統同步功能包含離線圖層下載和歷史數據上傳。離線地圖采用TMS瓦片地圖格式,利用GeoServer將遙感影像、保護區功能區劃、網格等數據加工為256×256像素的JPG瓦片地圖,并將其打包壓縮存儲在服務器WebGIS端子系統中。歷史數據上傳采用輕量級數據交換格式JSON(JavaScript Object Notation),該數據格式易于辨識,App將所有信息封裝為JSON格式,利用網絡推送至服務器端。

大致實現方式為利用okhttp3.Request類的url()方法創建一個與服務器WebGIS端地圖存儲位置相應的網絡鏈接請求,通過okhttp3.Call類的httpClient.newCall()方法執行這個請求,當請求失敗時通過refreshListRender()方法重新請求,當請求成功時建立數據流FileOutputStream通道進行下載,下載完成后刷新頁面并提示下載成功。

3.3 服務端數據管理子系統功能實現

服務端在接收到移動端推送來的數字標本記錄后,主要開展實時展現、歷史數據管理、專家鑒定、統計分析等四方面的工作,對初步采集的數字標本記錄進行清洗和審核,有效數據經審核后及時入庫。

(1) 實時展現功能。當移動端GIS數據采集子系統有網絡信號時,通過WebSocket實時推送的調查組運動軌跡和采集的數字標本記錄將會被接收,通過服務端的OpenLayers3、Ceisum繪制和展現出來。

(2) 歷史數據管理功能。每條數字標本記錄將會通過移動端的歷史數據同步功能上傳至服務器端歷史數據管理模塊中,各組調查數據管理人員利用本模塊對采集到的數字標本記錄進行數據清洗,對數字標本記錄中的各項信息進行添加、修改、刪除等操作。

(3) 專家鑒定功能。為確保每條數字標本記錄的準確性,各調查組需要組織相關專家對采集信息進行鑒定工作。專家鑒定模塊對應于移動端的信息采集分為三大類19小類的專項鑒定模塊,如圖6所示。各模塊對移動端所采集的每條數字標本記錄逐一開展鑒定工作,同時填寫鑒定人和鑒定時間等信息,如圖7所示。鑒定完成后的數字標本記錄將存入本底資源數據庫中。

圖7 專家鑒定功能界面

(4) 統計分析功能。系統采用統一的網格化管理方式,因此在調查人員工作情況、調查范圍、調查對象分布情況等方面可進行網格化分析。如圖8所示,調查范圍的網格化分析可確定各調查組是否覆蓋80%以上的網格數,并且按照顏色值由淺藍色到深紅色填充各網格表示每個網格的途經次數的由少到多,調查組未到達的網格不填充顏色。調查對象分布的網格化分析為按照網格顏色填充由淺藍色到深紅色表示每個網格的物種數量發現次數的由少到多,并標注其具體數值。對樣方、樣點等數據則可展示其分布信息。

圖8 網格化分析

另外,系統可自動統計本底調查過程中的各調查組工作人員行走距離、時長、采集數據量等信息,以及不同調查對象的排名、數量等信息,如圖9所示。

圖9 調查人員工作情況統計

自2017年本底資源調查啟動至今,已采集獸類數據1 041條、鳥類數據9 053條、昆蟲數據8 178條、魚類數據144條、爬行動物數據152條、兩棲動物數據199條、植物數據10 300條、樣方128塊共計數據8 759條、紅外相機點位179個共計數據22 403條。

4 結 語

針對本底資源調查的需求,本文設計并實現的自然保護區本底資源調查系統在湖北后河國家級自然保護區本底資源調查過程中得到了很好的應用,獲得了較好的成果。

(1) 提出自然保護區本底資源數字標本概念,改變傳統本底資源調查過程中對實物標本的采集、數據管理的模式和數據成果的展示方式,減少本底資源調查過程中對調查對象的破壞,提升調查質量和鑒定準確度,增加本底資源調查數據成果的豐富度。

(2) 將本底資源調查網格化管理方式在移動端GIS數據采集子系統和服務端WebGIS數據管理子系統中實現并應用,實現對本底資源調查過程的網格化

管理和本底資源調查成果的網格化分析。

(3) 利用移動GIS技術、WebGIS技術,解決外業采集時對離線地圖的應用需求,實現所有采集數據經度、緯度、海拔信息的自動采集,同時自動關聯各項調查信息,減輕內業工作量大的現狀。

(4) 自動統計分析調查組覆蓋情況、調查人員工作情況、調查對象數量及分布情況等,提升各調查組對調查進度、調查質量的把握程度,提升保護區管理機構對各項數據的應用程度。

本文系統也存在一些不足之處,如在專家鑒定時對物種的自動識別功能,需要在日后進一步加強完善。