基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的林區(qū)智能巡檢測(cè)繪系統(tǒng)研究

趙燕東 涂佳炎

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083;2.北京林業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

林業(yè)資源調(diào)查中的面積測(cè)量、林區(qū)樣地采集在森林資源和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)中十分重要，面積測(cè)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(diào)查的結(jié)果和有效性[1-2]。

目前國(guó)內(nèi)外林區(qū)巡檢及測(cè)繪測(cè)量的主要手段包括全站儀測(cè)繪法、地形圖勾繪法以及手持全球定位系統(tǒng)(Global positioning system，GPS)儀測(cè)量法[3-4]。楊平[5]研究了基于GPS技術(shù)的林區(qū)巡檢系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了GPS手持機(jī)和后臺(tái)林區(qū)巡護(hù)管理系統(tǒng)，使森林巡檢技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一定程度上的信息化；黃穎[6]提出了基于北斗衛(wèi)星定位技術(shù)的林業(yè)野外巡護(hù)管理方法。全站儀測(cè)繪法測(cè)量成本高，操作相對(duì)復(fù)雜，而且能測(cè)的林區(qū)面積范圍有限；地形圖勾繪法誤差相對(duì)較大，工作復(fù)雜；而GPS測(cè)量是近年來(lái)采用比較多的方法。林區(qū)樣地采集主要還是依靠人工丈量確定，效率與準(zhǔn)確性較低，而且信息不便于統(tǒng)一管理[7-9]。

目前定位方式主要包括GPS定位、網(wǎng)絡(luò)基站定位以及北斗衛(wèi)星定位。其中，網(wǎng)絡(luò)定位是基于基站的定位，在一些偏遠(yuǎn)林區(qū)，無(wú)法搜索到基站信號(hào)，因此無(wú)法成功定位，而且定位精度一般在50～200 m不等，這在林區(qū)巡檢中無(wú)法滿足面積測(cè)量的工程精度要求。目前大部分定點(diǎn)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(shù)，定位精度較高，不同于網(wǎng)絡(luò)定位需依賴于基站，在偏遠(yuǎn)林區(qū)也能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(guò)大的點(diǎn)剔除，造成面積測(cè)繪誤差太大[10-14]。鑒于目前森林面積測(cè)繪技術(shù)中存在的問(wèn)題，本文采用北斗衛(wèi)星定位方式，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou navigation satellite system，BDS)是由我國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，相對(duì)GPS系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有較明顯的優(yōu)勢(shì)[15-16]。

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

1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 巡檢網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

巡檢網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)如圖1所示，由北斗定位終端搜索北斗信號(hào)獲取位置坐標(biāo)信息，將接收的數(shù)據(jù)包通過(guò)藍(lán)牙傳輸給移動(dòng)智能終端軟件，在該終端進(jìn)行相應(yīng)的軌跡可視化與面積計(jì)算，然后將處理完成的數(shù)據(jù)包通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)備份，最后Web管理終端可通過(guò)超文本傳輸協(xié)議從服務(wù)器端獲取最新的數(shù)據(jù)信息，與巡檢智能移動(dòng)終端保持同步。

圖1 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的林區(qū)智能巡檢網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)Fig.1 Intelligent inspection network platform based on“Internet plus”

1.2 北斗定位終端設(shè)計(jì)

北斗定位終端主要用于當(dāng)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(lán)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(dǎo)體公司基于Cortex-M3內(nèi)核開(kāi)發(fā)的STM32F103ZET6型處理器芯片作為該硬件系統(tǒng)的中心控制單元，它的特點(diǎn)是高性能、低功耗，具有112路增強(qiáng)型通用輸入、輸出口(General purpose input output，GPIO)，可實(shí)現(xiàn)與外設(shè)50 MHz的數(shù)據(jù)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(guò)搜集北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)，獲取定位信息，將數(shù)據(jù)輸送給STM32F103ZET6型芯片處理，該模塊輸出的數(shù)據(jù)格式符合美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)制定的NEMA-0183數(shù)據(jù)協(xié)議。協(xié)議采用ASCII碼字符串流，其串行通信默認(rèn)參數(shù)為：波特率4 800 bps，數(shù)據(jù)位8 bit，無(wú)奇偶校驗(yàn)。協(xié)議幀包含了世界統(tǒng)一時(shí)間(Coordinated universal time，UTC)和日期(BDZDA)、全球定位數(shù)據(jù)(BDGGA)、推薦定位信息(BDRMC)等7種命令，在該系統(tǒng)內(nèi)主要解析的是BDGGA和BDRMC兩個(gè)命令格式，首先解析BDRMC中的定位狀態(tài)碼是否有效，若有效再通過(guò)解析BDGGA獲得當(dāng)前經(jīng)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(guò)藍(lán)牙4.0模塊，利用透?jìng)鲗@取的位置數(shù)據(jù)發(fā)送給移動(dòng)終端軟件。

1.3 巡檢軟件平臺(tái)

智能移動(dòng)終端軟件、云服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、Web終端構(gòu)成了該系統(tǒng)的軟件管理平臺(tái)。移動(dòng)終端應(yīng)用軟件基于Android 5.0系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，內(nèi)置SQlite輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)，可將定位數(shù)據(jù)長(zhǎng)期保存在本地，減少網(wǎng)絡(luò)流量的消耗?；诳梢暬螅谲浖?nèi)引入目前國(guó)內(nèi)常用的百度地圖系統(tǒng)。百度地圖的覆蓋率高，更新快，可完全滿足偏遠(yuǎn)林區(qū)巡檢可視化要求。百度地圖提供了一套可靠的軟件開(kāi)發(fā)工具包(Software development kit，SDK)，適用于Android系統(tǒng)移動(dòng)設(shè)備的地圖應(yīng)用，通過(guò)調(diào)用地圖SDK接口，可以訪問(wèn)百度地圖服務(wù)和數(shù)據(jù)，利用北斗定位終端傳遞過(guò)來(lái)的當(dāng)前位置信息，在地圖上顯示出當(dāng)前坐標(biāo)點(diǎn)，描述巡檢軌跡等。同時(shí)移動(dòng)終端利用后臺(tái)搭建的接口上傳位置信息至云服務(wù)器端保存，后臺(tái)搭建在阿里云上，采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，MySQL核心線程為完全多線程，支持多處理器，運(yùn)行速度快。Web終端可在管理控制中心連接服務(wù)器實(shí)時(shí)獲取巡檢人員位置及巡查結(jié)果，及時(shí)作出相應(yīng)決策。

2 智能化巡檢設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)紙質(zhì)和簡(jiǎn)單電子巡檢存在的問(wèn)題，在整合了實(shí)際林區(qū)巡檢管理需求的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)的手持巡檢儀終端基于“互聯(lián)網(wǎng)+”模式并結(jié)合Android操作系統(tǒng)、地理信息服務(wù)(Location based service，LBS)實(shí)現(xiàn)了智能化巡檢。

林區(qū)巡檢主要分為巡檢任務(wù)下發(fā)、巡林員實(shí)地巡檢以及巡檢結(jié)果統(tǒng)計(jì)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(wù)下發(fā)

林區(qū)管理調(diào)度中心由Web管理終端直接將巡檢任務(wù)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下發(fā)到手持巡檢儀終端。在Web管理終端將巡檢點(diǎn)的經(jīng)緯度信息提交至云服務(wù)器，巡檢儀終端軟件連接云服務(wù)器獲取巡檢任務(wù)信息符合Http1.1協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。通過(guò)Http發(fā)起Get請(qǐng)求獲取巡檢任務(wù)的數(shù)據(jù)包，返回的數(shù)據(jù)包為JSON(JavaScript object notation)格式的數(shù)據(jù)，具體的JSON格式協(xié)議如下

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

其中，locname表示位置點(diǎn)名稱，locid表示位置編號(hào)，lat表示緯度，lng表示經(jīng)度，note表示具體巡檢任務(wù)信息，ischeck表示是否為巡檢復(fù)查任務(wù)，historyid為歷史巡檢編號(hào)。

LBS地理信息服務(wù)用于提供基礎(chǔ)地圖服務(wù)、定位及軌跡描繪接口。巡檢儀自動(dòng)生成巡檢規(guī)劃路徑的步驟如圖4所示。

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

2.2 優(yōu)化巡檢路徑

由于林區(qū)環(huán)境特殊，LBS地理信息服務(wù)無(wú)法為林區(qū)提供按林區(qū)道路的導(dǎo)航服務(wù)。若根據(jù)下發(fā)的任務(wù)點(diǎn)信息，只能將任務(wù)點(diǎn)按順序連接構(gòu)成點(diǎn)到點(diǎn)的方向性導(dǎo)航路徑。本研究利用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)歷史巡檢實(shí)際路徑信息，實(shí)現(xiàn)了巡檢路徑的優(yōu)化。

在初期下發(fā)巡檢任務(wù)時(shí)，本地?zé)o歷史數(shù)據(jù)信息，則直接調(diào)用地圖服務(wù)的地圖標(biāo)記繪制接口，將任務(wù)點(diǎn)按編號(hào)用直線連接構(gòu)成任務(wù)規(guī)劃路徑，結(jié)合北斗終端提供的實(shí)時(shí)位置信息提供方向性的導(dǎo)航。巡檢中定時(shí)獲取實(shí)時(shí)位置保存在本地SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器，利用Http協(xié)議發(fā)起Post請(qǐng)求，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)，與Web管理終端保持信息同步。

為了在后續(xù)巡檢任務(wù)中獲得更準(zhǔn)確的林區(qū)任務(wù)導(dǎo)航路徑，在巡檢儀內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)建立兩張表存儲(chǔ)任務(wù)點(diǎn)之間的歷史實(shí)際巡檢路徑信息。數(shù)據(jù)庫(kù)中的表如表1、2所示。

表1 目標(biāo)點(diǎn)信息Tab.1 Target point information

表2 實(shí)際巡檢軌跡Tab.2 Actual track of inspection

在表1中存儲(chǔ)任務(wù)點(diǎn)概況，即當(dāng)下發(fā)數(shù)據(jù)得到任務(wù)點(diǎn)時(shí)，利用任務(wù)點(diǎn)名稱，在表1中搜索是否存在對(duì)應(yīng)兩個(gè)相鄰任務(wù)點(diǎn)的信息，若存在則取出時(shí)間t1與t2以及路徑名稱，聯(lián)系表2根據(jù)路徑名查詢時(shí)間在t1與t2之間所有位置點(diǎn)經(jīng)緯度信息，最后利用所有查詢?nèi)〕龅淖鴺?biāo)信息，在地圖上生成的規(guī)劃路徑則為優(yōu)化后的按林區(qū)道路的實(shí)際軌跡，同時(shí)利用歷史數(shù)據(jù)還可預(yù)測(cè)相鄰點(diǎn)之間的巡檢路徑長(zhǎng)度信息與耗時(shí)信息。

若下發(fā)數(shù)據(jù)包經(jīng)GSON庫(kù)解析得到的是巡檢復(fù)查指令，則根據(jù)巡檢路徑編號(hào)從巡檢歷史詳細(xì)數(shù)據(jù)表查詢對(duì)應(yīng)的巡檢軌跡作為巡檢規(guī)劃導(dǎo)航圖，利用這種方式可實(shí)現(xiàn)完整的巡檢復(fù)查。

所有巡檢結(jié)果在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)和云服務(wù)器都有備份，在巡檢儀軟件終端利用ExcelUtils庫(kù)可按模板將數(shù)據(jù)從本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中查詢?nèi)〕觯瑢?dǎo)出生成Excel報(bào)表文件提供給林區(qū)管理調(diào)度中心作進(jìn)一步分析處理。

3 數(shù)據(jù)處理與面積計(jì)算方法

利用手持巡檢儀終端獲取的地理坐標(biāo)為經(jīng)緯度坐標(biāo)。獲取的原始坐標(biāo)類型為2000國(guó)家大地坐標(biāo)系(China geodetic coordinate system 2000，CGCS 2000)，針對(duì)獲取的原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)，還需做一系列的數(shù)據(jù)處理才能進(jìn)行面積測(cè)算。

首先在巡檢打點(diǎn)中可能存在某些采樣點(diǎn)偏差過(guò)大，不符合工程精度要求，影響最終的面積計(jì)算結(jié)果，所以需要濾波算法將這些點(diǎn)剔除；另外在面積計(jì)算中需要把經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到適合當(dāng)?shù)鼐植孔鴺?biāo)的墨卡托投影平面坐標(biāo)系下才能進(jìn)行計(jì)算，最終針對(duì)不規(guī)則的平面圖形計(jì)算閉合區(qū)域的面積。

3.1 漂移點(diǎn)剔除

北斗手持巡檢儀在獲取位置信息時(shí)，有可能會(huì)出現(xiàn)頂部遮擋物、衛(wèi)星時(shí)鐘誤差等因素的影響，造成定位獲取的位置信息相對(duì)真實(shí)位置偏差過(guò)大而不符合工程測(cè)量的要求。這些點(diǎn)稱為定位中的漂移點(diǎn)，它們將會(huì)加大最終面積測(cè)量的誤差。針對(duì)這些漂移點(diǎn)，本研究提出了精度閾值過(guò)濾結(jié)合距離偏移過(guò)濾的算法來(lái)選擇性剔除不符合工程要求的漂移點(diǎn)?？傮w處理流程圖如圖5所示。

圖5 漂移點(diǎn)過(guò)濾流程圖Fig.5 Flow chart of filtering drift points

精度閾值過(guò)濾即根據(jù)獲取的定位精度，選擇性過(guò)濾精度大于設(shè)定閾值的采樣點(diǎn)。在林業(yè)測(cè)繪中，一般認(rèn)為定位精度在10 m以內(nèi)都是可以接受的，因此在該系統(tǒng)中將精度閾值設(shè)為10 m，當(dāng)獲取的定位精度信息大于10 m時(shí)，剔除該采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，即不存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

距離偏移過(guò)濾算法以2個(gè)采樣點(diǎn)間的距離為判斷基礎(chǔ)。在系統(tǒng)中記錄前一個(gè)定位采樣點(diǎn)和當(dāng)前采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，同時(shí)，記錄此位移過(guò)程中的速度變化，得到該區(qū)間的速度最大值Vm，以及2個(gè)點(diǎn)的采樣間隔時(shí)間t。

由經(jīng)緯度信息可計(jì)算得到這兩點(diǎn)之間的直線距離d，再由最大速度與采樣間隔時(shí)間的乘積可得理論最大距離r，r則為過(guò)濾算法的閾值，當(dāng)d>r時(shí)，表示當(dāng)前點(diǎn)的偏移距離過(guò)大，應(yīng)該剔除。

3.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

手持巡檢儀終端直接獲取的北斗定位坐標(biāo)是在球心坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度坐標(biāo)，這是一種基于球體的曲面坐標(biāo)。經(jīng)緯度坐標(biāo)無(wú)法直接用于林區(qū)面積的計(jì)算，所以在林業(yè)工程中，面積測(cè)繪需要將球面經(jīng)緯度坐標(biāo)投影到平面上的墨卡托公里網(wǎng)坐標(biāo)才能進(jìn)行計(jì)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(gè)圓柱體與地球相切，假設(shè)在地球中心有一光源向外發(fā)出散射光，地球上的點(diǎn)投影在圓柱體上即投影后的坐標(biāo)，可得切線也就是赤道，即為投影過(guò)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(jù)等角條件可推算出墨卡托投影的計(jì)算公式為

(1)

式中B——緯度

L——經(jīng)度

x——投影后橫坐標(biāo)

y——投影后縱坐標(biāo)

R——地球半徑，m

根據(jù)式(1)可將北斗定位獲取的經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為墨卡托平面公里網(wǎng)坐標(biāo)。

3.3 面積計(jì)算

森林巡檢的軌跡實(shí)際上是一個(gè)不規(guī)則的多邊形。對(duì)于不規(guī)則多邊形的面積計(jì)算，最常用的方法是三角形分割法。即在多邊形內(nèi)部取一點(diǎn)，與各個(gè)頂點(diǎn)連線，這樣就把多邊形分成了若干個(gè)三角形，這樣多邊形的面積計(jì)算就轉(zhuǎn)換成了求若干個(gè)三角形的面積和。但是這種方法存在一定的缺陷，主要表現(xiàn)在多邊形是帶有凹角的多邊形，即多邊形的內(nèi)角有大于180°的情況。在這種情況下，利用三角形分割法計(jì)算出來(lái)的面積將會(huì)比實(shí)際的面積偏大，誤差較大，不符合工程要求。

針對(duì)以上問(wèn)題，在該系統(tǒng)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(gè)不規(guī)則的多邊形，將每個(gè)頂點(diǎn)與O連接，這樣在圖中構(gòu)成了7個(gè)三角形，多邊形的面積也就變成了這7個(gè)三角形的矢量面積之和。矢量面積即根據(jù)二維向量叉乘所求出的三角形面積?！鱋AB的面積計(jì)算公式為

(2)

式中SOAB——△OAB的面積

假設(shè)A點(diǎn)坐標(biāo)是(x1，y1)，B點(diǎn)坐標(biāo)為(x2，y2)，式(2)可表示為

(3)

則不規(guī)則多邊形的面積公式為

(4)

式中SΩ——不規(guī)則多邊形面積

n——不規(guī)則多邊形頂點(diǎn)數(shù)

k——頂點(diǎn)編號(hào)

xk——第k個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)

yk——第k個(gè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)

利用式(4)，結(jié)合墨卡托平面公里網(wǎng)坐標(biāo)就能計(jì)算出林區(qū)巡檢面積。

3.4 智能樣地采集

樣地采集的目的是在林區(qū)內(nèi)某個(gè)位置點(diǎn)劃分出固定面積的方形區(qū)域。通過(guò)定位及智能終端內(nèi)置的方向傳感器可得到經(jīng)緯度坐標(biāo)及方位信息，再結(jié)合目標(biāo)面積，計(jì)算得出另外3個(gè)頂點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，確定一個(gè)兩邊平行于赤道的方形。

計(jì)算目標(biāo)坐標(biāo)點(diǎn)需結(jié)合實(shí)際的平面距離與經(jīng)緯度的關(guān)系，因此系統(tǒng)利用了墨卡托投影坐標(biāo)。先將當(dāng)前已知位置的經(jīng)緯度投影到公里網(wǎng)坐標(biāo)，根據(jù)目標(biāo)面積計(jì)算得出邊長(zhǎng)后結(jié)合方位角可得到其他3個(gè)頂點(diǎn)的墨卡托公里網(wǎng)坐標(biāo)，方位角信息用于確定另外3個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)在當(dāng)前位置的西北、西南、東北或東南。最后將墨卡托公里網(wǎng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度坐標(biāo)顯示在地圖上。具體的計(jì)算流程如圖8所示。

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

其中，根據(jù)墨卡托投影原理及計(jì)算公式可知，由投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度坐標(biāo)的公式為

(5)

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的精度和可靠性，同時(shí)為了方便與真值進(jìn)行比較，使用該系統(tǒng)在全國(guó)多地進(jìn)行了測(cè)試。首先在鷲峰林區(qū)進(jìn)行了北斗系統(tǒng)與GPS的定位對(duì)比試驗(yàn)，然后在北京林業(yè)大學(xué)體育場(chǎng)進(jìn)行了設(shè)備精度分析，最后在北京奧林匹克森林公園內(nèi)以及河南鄢陵龍?jiān)椿净剡M(jìn)行了巡檢面積測(cè)繪試驗(yàn)。

4.1 北斗系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)對(duì)比

北斗系統(tǒng)相對(duì)GPS系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的覆蓋性更好，主要體現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的任何位置都能快速搜索到北斗衛(wèi)星以獲取定位信息，同時(shí)具有在無(wú)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的條件下進(jìn)行短報(bào)文通信的優(yōu)勢(shì)，本研究使用帶有GPS系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)雙模式的智能移動(dòng)終端在鷲峰林區(qū)內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)采用北斗系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)兩種單一定位模式進(jìn)行了10次定位，統(tǒng)計(jì)定位成功的平均耗時(shí)，同時(shí)利用北斗系統(tǒng)進(jìn)行短報(bào)文通信試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

經(jīng)數(shù)據(jù)分析可知，在林區(qū)內(nèi)，北斗系統(tǒng)定位相對(duì)GPS系統(tǒng)定位速度更快，覆蓋性好，同時(shí)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較弱的地區(qū)可保證98%以上的短報(bào)文通信成功率，綜上可知北斗系統(tǒng)完全適合林區(qū)工程作業(yè)。

4.2 精度分析

在開(kāi)始研究之前，需要對(duì)巡檢終端內(nèi)置的北斗模塊進(jìn)行精度分析，檢驗(yàn)精度標(biāo)準(zhǔn)是否能達(dá)到工程測(cè)量要求。

表3 北斗系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Comparison experiment result of BDS and GPS

試驗(yàn)全程僅使用北斗系統(tǒng)定位，無(wú)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響，以成人正常行走速度繞學(xué)校體育場(chǎng)5圈，每2 s保存一次定位經(jīng)緯度信息與精度信息，試驗(yàn)重復(fù)2次。第1次試驗(yàn)總用時(shí)26 min。數(shù)據(jù)庫(kù)共記錄有效定位信息795條；第2次試驗(yàn)總用時(shí)28 min，記錄有效定位信息851條。所得數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 定位精度試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experiment result of positioning accuracy

經(jīng)數(shù)據(jù)分析，第1次試驗(yàn)中，精度小于5 m的精準(zhǔn)定位率達(dá)到了78.99%，小于10 m的精準(zhǔn)定位率達(dá)到了98.11%，滿足工程測(cè)量精度要求；第2次試驗(yàn)中，精度小于5 m的精準(zhǔn)定位率達(dá)到了76.73%，小于10 m的精準(zhǔn)定位率達(dá)到了97.30%，滿足工程測(cè)量精度要求。

因此可認(rèn)為本文設(shè)計(jì)的北斗設(shè)備所采集的位置信息是可靠的，誤差偏大的點(diǎn)較少，選擇性剔除后即可用于林業(yè)面積測(cè)量。

4.3 面積測(cè)繪試驗(yàn)

4.3.1奧林匹克森林公園試驗(yàn)

試驗(yàn)中，由2人分別攜帶5臺(tái)各參數(shù)完全相同的設(shè)備，以成人正常的步行速度繞森林公園南園一周，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 森林公園巡檢結(jié)果Fig.9 Experiment result of forest park

經(jīng)考察取證，試驗(yàn)所繞南園的實(shí)際面積約為35.5萬(wàn)m2，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

4.3.2鄢陵花木基地試驗(yàn)

試驗(yàn)中，由1人攜帶5臺(tái)各參數(shù)完全相同的設(shè)備，以成人正常的步行速度繞基地內(nèi)各可行通道一周，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

經(jīng)取證，該基地的面積約為25萬(wàn)m2，所得數(shù)據(jù)如表6所示。

由2次試驗(yàn)所測(cè)結(jié)果可知，試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性高，與真實(shí)面積的平均相對(duì)誤差分別為1.18%、1.67%。而林區(qū)測(cè)繪工程測(cè)繪的精度一般要求在95%以上，所以此系統(tǒng)完全能滿足測(cè)繪精度要求。另外經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)1測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.20%，試驗(yàn)2的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.32%，該系統(tǒng)的測(cè)量重復(fù)性高，穩(wěn)定性好。

表5 森林公園面積計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculated results of forest park area

圖10 鄢陵巡檢試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experiment result of Yanling inspection

表6 鄢陵試驗(yàn)面積計(jì)算結(jié)果Tab.6 Calculated results of Yanling inspection

4.4 樣地采集試驗(yàn)

使用該系統(tǒng)在河南鄢陵花木基地南園內(nèi)進(jìn)行樣地采集試驗(yàn)，在10個(gè)不同的點(diǎn)選擇采集目標(biāo)面積為2 000 m2的樣地區(qū)域，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，其中藍(lán)色點(diǎn)1為試驗(yàn)時(shí)手持巡檢儀位置。

圖11 智能樣地選取試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Experimental results of intelligent sample selection

系統(tǒng)智能生成獲得各頂點(diǎn)坐標(biāo)后，根據(jù)系統(tǒng)導(dǎo)航確定實(shí)際位置，最后使用人工丈量確定實(shí)際樣地面積，結(jié)果如表7所示。

表7 智能樣地選取面積計(jì)算結(jié)果Tab.7 Calculated results of area selected

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，該系統(tǒng)自動(dòng)生成的樣地區(qū)域面積與目標(biāo)面積的平均相對(duì)誤差為2.21%，這相對(duì)于人工丈量的方式在提高了效率的同時(shí)，也提高了準(zhǔn)確率，完全滿足樣地采集的精度要求。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)現(xiàn)有的森林巡檢面積測(cè)繪方式中存在效率低、準(zhǔn)確率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)與Android操作系統(tǒng)的巡檢面積測(cè)繪及林區(qū)樣地智能采集系統(tǒng)。在定位信息獲取中，使用北斗定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)林區(qū)全覆蓋精準(zhǔn)定位，解決了GPS與網(wǎng)絡(luò)定位在某些地區(qū)難以獲得精準(zhǔn)位置信息的問(wèn)題。采用了精度過(guò)濾與距離偏移過(guò)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(guò)大的定位漂移點(diǎn)，然后利用墨卡托投影法將獲取的經(jīng)緯度坐標(biāo)投影到平面公里網(wǎng)坐標(biāo)上，最終利用巡檢記錄的坐標(biāo)，采用矢量三角形面積法計(jì)算不規(guī)則多邊形的面積即巡檢面積。

(2)應(yīng)用此系統(tǒng)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(jìn)行了多次試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與計(jì)算真值結(jié)果比較平均相對(duì)誤差分別為1.18%、1.67%，林區(qū)樣地采集的平均相對(duì)誤差為2.21%，完全滿足林區(qū)作業(yè)要求，為提高林區(qū)巡檢的效率與準(zhǔn)確性提供了一種有效的方法。