手持GPS在草原調(diào)查與制圖中的應(yīng)用

王大為，趙 軍，付 鵬，師銀芳，楊東輝

(西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

草原是溫帶半干旱氣候地區(qū)旱生或半旱生的多年生草本植物群落，主要生長草本植物，或兼有灌叢和稀疏喬木，可以為家畜和野生動物提供食物和生產(chǎn)場所，可為人類提供優(yōu)良生活環(huán)境、其他生物產(chǎn)品等多種功能的土地-生物資源和草業(yè)生產(chǎn)基地[1]。草原調(diào)查與制圖是草原科學(xué)研究、草原規(guī)劃、草原生產(chǎn)管理的基礎(chǔ)性工作，也是表達草原空間性和時間特征的有效方法，因此得到重視[2-4]。

隨著現(xiàn)代空間信息技術(shù)的日益成熟，遙感技術(shù)(Remote Sensing，RS)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)和地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)等技術(shù)逐漸被引入草原建模和動態(tài)監(jiān)測工作之中[5-10]，但是目前關(guān)于資源調(diào)查的方法研究主要集中在林、農(nóng)、牧以及國土、地質(zhì)等行業(yè)[11-14]，草原調(diào)查和制圖方法研究主要側(cè)重于數(shù)據(jù)分析[15]。鑒于此，本研究以Trimble Juno SB手持機為例，系統(tǒng)介紹GPS在草原調(diào)查與制圖中的具體應(yīng)用。

1 Juno SB手持機概述

Trimble Juno SB手持機是美國Trimble導(dǎo)航公司于2008年研發(fā)的GPS數(shù)據(jù)采集器，具有堅固、耐用，信號接受快，續(xù)航時間長的特點。在野外可以用整合的利用地球靜止軌道衛(wèi)星建立的地區(qū)性廣域差分增強系統(tǒng)(Satellite Based Augmentation Systems，SBAS)進行實時差分改正，獲得2～5 m的定位精度；TerraSync外業(yè)操作軟件和GPS pathfinder Office內(nèi)業(yè)管理軟件之間的數(shù)據(jù)無縫傳輸，確保數(shù)據(jù)在格式轉(zhuǎn)換過程中的準(zhǔn)確完整；將電子地圖通過影像配準(zhǔn)后作為背景圖傳入手持機，可以在數(shù)據(jù)采集過程中實時對照，及時采集、更新和校正；在定位的同時記錄和修改所需的相關(guān)屬性，同時還可以采集影像數(shù)據(jù)，使得GIS數(shù)據(jù)信息更加豐富，便于以后數(shù)據(jù)的管理和維護。鑒于以上特點，Trimble Juno SB手持機可以滿足草原調(diào)查與制圖的要求。

2 Juno SB草原調(diào)查與制圖的程序

草地資源調(diào)查需要調(diào)查草原地區(qū)或單位的社會情況、自然環(huán)境條件、植被、野生動物和家畜、草原生產(chǎn)現(xiàn)狀以及草原類型的確定、劃分與記述。主要有省(自治區(qū))全國一級的中小比例尺(1/10萬～1/25萬)草原資源調(diào)查，地(州)縣以及鄉(xiāng)(鎮(zhèn))級大比例尺(1/2.5萬～1/5萬)草原資源利用調(diào)查及局部地區(qū)大比例尺草原資源規(guī)劃建設(shè)調(diào)查[2]。其中，縣級草原資源利用調(diào)查是我國草原資源調(diào)查的基礎(chǔ)。

2.1準(zhǔn)備工作 草原調(diào)查的準(zhǔn)備工作分為兩部分(圖1)：資料搜集分析與調(diào)查計劃，組織與后勤準(zhǔn)備工作。

資料搜集分為圖件資料和文字資料與圖紙兩類。在圖件資料搜集方面，將作為對調(diào)查地區(qū)總體認(rèn)識依據(jù)的1/25萬地形圖，用于實地調(diào)查和規(guī)范制圖底圖的1/2.5萬或1/5萬地形圖以及航空像片、衛(wèi)星像片、已有草原類型分布地圖作為背景圖，用USB數(shù)據(jù)線通過GPS pathfinder Office軟件上傳到Juno SB手持機內(nèi)，在調(diào)查過程中可隨時顯示所需背景圖。調(diào)查人員可利用以往的調(diào)查結(jié)果，在室內(nèi)勾繪出草原類型調(diào)查路線，上傳到Juno SB手持機內(nèi)供調(diào)查時使用。

圖1 Juno SB草原調(diào)查與制圖工作流程

在文字資料與圖紙搜集中，應(yīng)用手持機的Window Mobile系統(tǒng)，將搜集到的資料轉(zhuǎn)換為Word或Excel格式加以保存。利用搜集到的有關(guān)草地、土壤、植物、植被、氣候、水文及地質(zhì)等方面的資料，使用GPS Pathfinder Office的數(shù)據(jù)字典功能，創(chuàng)建與草原調(diào)查相關(guān)的數(shù)據(jù)字典，以便在現(xiàn)場調(diào)查中對定位數(shù)據(jù)進行屬性的創(chuàng)建與編輯。根據(jù)調(diào)查區(qū)域特征，選擇中央經(jīng)線、長半軸、曲率和參數(shù)，建立所需的坐標(biāo)系統(tǒng)，與數(shù)據(jù)字典通過GPS pathfinder Office軟件上傳至手持機內(nèi)。

2.2草原現(xiàn)場調(diào)查 草原現(xiàn)場調(diào)查根據(jù)調(diào)查內(nèi)容可分為草原自然環(huán)境條件調(diào)查、草原類型調(diào)查、草原植物飼用價值調(diào)查、水土資源調(diào)查、草地利用現(xiàn)狀調(diào)查、社會概況和生產(chǎn)現(xiàn)狀調(diào)查，根據(jù)調(diào)查方法可分為現(xiàn)場調(diào)查和路線調(diào)查[2]。本研究以草原類型調(diào)查為例，分析Juno SB手持機在草原現(xiàn)場調(diào)查和路線調(diào)查中的應(yīng)用。草原類型調(diào)查的方法與步驟包括踏查、詳查、訪問和制圖。

2.2.1踏查 踏查，又稱概查，是對調(diào)查地區(qū)進行一次全面的概括了解。在踏查時，根據(jù)踏查范圍大小，將1/10萬或1/25萬地形圖作為調(diào)查底圖存儲在手持機中。在“數(shù)據(jù)”界面使用“新建”功能創(chuàng)建“草原踏查”數(shù)據(jù)文件，使在踏查過程中的數(shù)據(jù)均記錄在該文件內(nèi)，便于編輯和整理(圖2a)。在“圖形”界面點擊“創(chuàng)建要素”功能創(chuàng)建線要素，采用5秒間隔采集調(diào)查人員位置，記錄踏查路線。在勾繪草地邊界時，在“圖形”界面點擊“創(chuàng)建要素”功能創(chuàng)建面要素，5秒間隔采集位置，沿邊界步行至閉合(圖2b)；對于邊界較長的區(qū)域，在“圖形”界面選擇“數(shù)字化”功能，在底圖上勾繪出邊界(圖2c)。在記錄路線和勾繪邊界時，通過更新要素的功能，使兩方面工作同時進行。使用在準(zhǔn)備工作時制作的數(shù)據(jù)字典，對草原邊界等數(shù)據(jù)記錄屬性。對于草原類、亞類，季節(jié)牧場和圍欄的范圍，也可以使用此方法進行調(diào)查。

2.2.2詳查 詳查是用現(xiàn)場調(diào)查與訪問相結(jié)合的方法，以野外現(xiàn)場調(diào)查為主要工作內(nèi)容。詳查分定性與定量測定調(diào)查。定性測定時根據(jù)草地植被組成的均勻與稀密程度以及分布面積的不同，選擇10 m×10 m或10 m×20 m確定樣地面積，在植被稀疏的荒漠和灌叢草地，樣地面積擴大到10 m×100 m或10 m×150 m。樣地選擇在該草原類型分布的中心地段，每一類型記載樣地的數(shù)量，根據(jù)該類型分布的面積和均勻程度的不同，在同一條調(diào)查路線上設(shè)置1～3個。對樣地數(shù)據(jù)進行采集時，創(chuàng)建面要素，5秒間隔采集樣地邊界，并在“數(shù)據(jù)”界面記錄該樣地草原植被的特征，以及周邊的環(huán)境條件。必要時對具有代表性的草原植被類型或周邊環(huán)境條件拍照，作為其中的一條屬性與數(shù)據(jù)的位置信息一同保存。

定量測定工作在測產(chǎn)樣方內(nèi)進行。測產(chǎn)樣方分散分布于樣地內(nèi)，面積為1 m×1 m，在草叢稀疏時為2 m×2 m或2.0 m×2.5 m，極稀疏時擴大為2 m×5 m或5 m×10 m，每一樣地布置測產(chǎn)樣方3～5個。在“圖形”界面點擊“創(chuàng)建要素”功能創(chuàng)建點要素，1秒間隔采集樣方中心，并記錄該草地類型分布區(qū)內(nèi)不同地形部位和草叢的發(fā)育狀況，以及產(chǎn)草量的差異，采集植物標(biāo)本并拍照。

圖2 草原踏查界面示意圖

對于草地復(fù)合體，要調(diào)查其組成比例?？梢赃x擇典型地段，穿過復(fù)合體的各組成部分，用創(chuàng)建線要素的方法，5秒間隔采集出它們各自的長度和復(fù)合體總長度，從而計算出各組組成成分的比例。復(fù)合體特征的記載，以各組成草地類型為單位，用樣地記載的方法分別調(diào)查，總產(chǎn)量由各組成草地類型的單產(chǎn)乘以它們在復(fù)合體中所占的面積比例，然后各型相加求得。相關(guān)計算在Juno SB手持機上使用計算器完成。

采用路線詳查進行草原類型定名、記載測定、勾繪分布界線的同時，對草原區(qū)內(nèi)農(nóng)田、林區(qū)、積雪區(qū)、無效利用區(qū)等地段的界線特征點坐標(biāo)數(shù)據(jù)進行采集和界線勾繪。對草原利用和草原建設(shè)現(xiàn)狀，如季節(jié)牧場界線、居民點、生產(chǎn)點、畜群點、水利建設(shè)設(shè)施等的位置進行采集。對于其他調(diào)查內(nèi)容，均可按上述調(diào)查方法進行采集。針對不同的數(shù)據(jù)屬性，可以分別創(chuàng)建數(shù)據(jù)字典做相應(yīng)的記錄。

2.2.3訪問 訪問調(diào)查是向調(diào)查地區(qū)或單位有經(jīng)驗的干部、技術(shù)人員與生產(chǎn)者進行口頭調(diào)查。預(yù)先將調(diào)查表格上傳至手持機內(nèi)，訪問調(diào)查時，使用內(nèi)置的Excel軟件打開需要調(diào)查的表格，在訪問的同時進行記錄。將訪問調(diào)查收集到的電子數(shù)據(jù)保存到手持機內(nèi)。

2.3草原調(diào)查制圖 草原調(diào)查制圖是草原調(diào)查內(nèi)業(yè)工作的主要組成部分，也是調(diào)查工作重要的總結(jié)成果。草原調(diào)查制圖主要有兩種，即草原類型圖和草原利用現(xiàn)狀圖。將踏查和詳查時采集的草原類型邊界和樣地、樣方數(shù)據(jù)，利用GPS pathfinder Office軟件，通過USB數(shù)據(jù)線從手持機導(dǎo)出到計算機上，使用GPS pathfinder Office軟件導(dǎo)出功能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為Arc/Info、Auto CAD或MapInfo等GIS專業(yè)制圖軟件的數(shù)據(jù)格式，在GIS軟件中檢查、連接未閉合的草原類型邊界，補充調(diào)查地區(qū)的范圍邊界和其他非草原區(qū)、無效利用區(qū)邊界，以及道路、水系等地物的位置。設(shè)定比例尺、代號、圖例，制作草原類型圖和草原利用現(xiàn)狀圖。

3 Juno SB草原調(diào)查與制圖的優(yōu)勢與不足

GPS技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用到許多行業(yè)，與傳統(tǒng)的調(diào)查方法比較，可以說是調(diào)查與制圖技術(shù)上的一次革命。傳統(tǒng)方法以羅盤儀和紙質(zhì)地圖作為主要調(diào)查工具，需要攜帶大量的資料和儀器用品[3]；采集數(shù)據(jù)時工序復(fù)雜，野外調(diào)查進度緩慢，調(diào)查者勞動強度大；制圖時需要進行清圖、著色、轉(zhuǎn)繪等復(fù)雜工序。新型草原調(diào)查法以GPS手持機(如Juno SB)為調(diào)查工具，只需將調(diào)查資料傳入手持機中，攜帶方便；野外調(diào)查時在手持機上完成特征點采集、勾繪邊界和其他專業(yè)數(shù)據(jù)采集，操作簡單，最大限度地提高現(xiàn)場調(diào)查進度；內(nèi)業(yè)工作中將調(diào)查獲得的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和相關(guān)屬性數(shù)據(jù)直接上傳至電腦，并在不同數(shù)據(jù)格式之間進行轉(zhuǎn)換，節(jié)省電腦二次繪圖的工序。使用Windows Mobile操作系統(tǒng)中自帶的Word和Excel軟件查閱和編輯調(diào)查資料，真正做到無紙化作業(yè)。

由于Juno SB手持機自身的GPS定位精度限制，還達不到局部地區(qū)大比例尺草原資源規(guī)劃建設(shè)調(diào)查的要求，只能適用于比例尺在1/2.5萬以下的草原調(diào)查與制圖。受顯示屏大小的限制，在使用背景圖時，只能顯示出部分區(qū)域，在勾繪時需要拖動背景圖才能完成勾繪工作，雖然定位精確，但耗時較多。

4 結(jié)論

合理開發(fā)利用草原，無論是全國或一個地區(qū)、一個生產(chǎn)單位，都必須首先進行草原調(diào)查規(guī)劃工作，而“3S”技術(shù)的引入是草原調(diào)查工作中的重大技術(shù)革命。隨著高精度手持GPS接收機技術(shù)的發(fā)展，能夠滿足精度要求較低、調(diào)查范圍較大的資源調(diào)查，改進傳統(tǒng)的調(diào)查模式。在草原調(diào)查中將資料收集與錄入、數(shù)據(jù)采集與界線勾繪、成果輸出與制圖等一系列過程集成在Juno SB手持機上完成，能有效地節(jié)省工作時間，加快工作進程，為草原數(shù)字化、信息化調(diào)查提供了重要手段。但在應(yīng)用中也需要注意GPS衛(wèi)星信號的接收效果，盡量避免在天空遮蔽和信號接收較弱的情況下操作，以保證數(shù)據(jù)采集的精度。

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