胡 楊 孫忠秋 吳發(fā)云 王 偉 彭道黎

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 北京 100083； 2.國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院， 北京 100714)

0 引言

國家森林資源連續(xù)清查是以掌握宏觀森林資源現(xiàn)狀與動態(tài)為目的，以全省為單位，利用固定樣地為主進(jìn)行定期復(fù)查的森林資源調(diào)查方法，每5年進(jìn)行一次[1-2]。固定樣地的復(fù)查是國家森林資源連續(xù)清查的前提條件，也是我國乃至全球森林調(diào)查、蓄積量和生物量估測的基礎(chǔ)[3-8]。

隨著我國生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)程不斷推進(jìn)，森林資源監(jiān)測對數(shù)據(jù)成果的要求發(fā)生了巨大的變化，實現(xiàn)年度出數(shù)的需求越來越高[9-12]。另外，森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)不再被看作為一個單純的資源性量值，而被列為政府業(yè)績考核和生態(tài)文明建設(shè)評價的重要指標(biāo)[13]。由于國家對森林資源監(jiān)測數(shù)據(jù)要求的質(zhì)量越來越高，精準(zhǔn)監(jiān)測復(fù)查成為森林資源監(jiān)測的必然，因此，固定樣地標(biāo)記樁的設(shè)計變得越來越重要，并成為林業(yè)上一個重要的研究課題。

傳統(tǒng)尋找固定樣地主要依托手持GPS(Global positioning system)，通過前期記錄的固定樣地坐標(biāo)利用手持GPS進(jìn)行導(dǎo)航到大致位置，之后利用前期記錄的定位物如房屋墻角、大徑階樹木等明顯標(biāo)志對固定樣地標(biāo)記樁進(jìn)行尋找[12-13]。實踐證明，森林資源連續(xù)清查布設(shè)的固定樣地因處于森林中而導(dǎo)致大部分固定樣地手持GPS定位弱，定位偏差大[14]，即使是有經(jīng)驗的林業(yè)調(diào)查人員也很難快速準(zhǔn)確地找到固定樣地標(biāo)記樁的位置，導(dǎo)致樣地復(fù)查效率低下，有些位于深山老林的固定樣地在找到時，當(dāng)天已經(jīng)無法再進(jìn)行樣地調(diào)查，只能做好標(biāo)記隔日再來調(diào)查，浪費(fèi)了大量的人力財力。此外，傳統(tǒng)的固定樣地標(biāo)記樁只是一個水泥樁，沒有記錄樣地調(diào)查信息的功能，且水泥樁特別笨重，用于深山老林里做樣地標(biāo)記時還需要雇傭工人進(jìn)行搬運(yùn)，無法滿足我國對智慧林業(yè)的建設(shè)需求[15]。

為了提高森林資源連續(xù)清查固定樣地復(fù)查的準(zhǔn)確性與高效性，本文設(shè)計一種便于森林調(diào)查人員發(fā)現(xiàn)的固定樣地標(biāo)記裝置，適用于森林資源清查固定樣地標(biāo)記，通過3種不同的設(shè)計方案，可以滿足：野外作業(yè)人員利用手持終端(平板電腦或手機(jī)等智能設(shè)備)快速準(zhǔn)確找到固定樣地標(biāo)記裝置的地理位置；到達(dá)固定樣地標(biāo)記裝置的地理位置附近的野外作業(yè)人員可以通過發(fā)射無線電波找到埋沒在草叢中或埋入地下的固定樣地標(biāo)記裝置；固定樣地標(biāo)記裝置能夠保存與采樣相關(guān)的信息，從而實現(xiàn)固定樣地標(biāo)記裝置的歷史數(shù)據(jù)記錄。

1 裝置構(gòu)成

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的固定樣地標(biāo)記樁如圖1a所示，本文設(shè)計的固定樣地標(biāo)記裝置如圖1b所示，主要由固定在土體中的樁體、放置在樁體中的設(shè)備箱、安裝在設(shè)備箱的樣地標(biāo)記信號發(fā)射器等部分組成。其中設(shè)備箱上設(shè)有門和門鎖，便于對樣地標(biāo)記信號發(fā)射器的維修或維護(hù)。標(biāo)記信號發(fā)生器是固定樣地標(biāo)記裝置的核心部分，其將CPU(Central processing unit)、語音報警芯片、GNSS(Global navigation satellite system)芯片、GPRS(General packet radio service)芯片、WiFi(Wireless fidelity)芯片、電源等高度集成在一個硬件板卡上并設(shè)計鋁合金外殼，如圖2所示。

圖1 固定樣地標(biāo)記樁Fig.1 Permanent plot marking device

圖2 標(biāo)記信號發(fā)生器的硬件架構(gòu)Fig.2 Framework of hardware

標(biāo)記信號發(fā)生器的CPU選用高可靠性低成本的意法半導(dǎo)體STM32 ARM Cortex-M3處理器，16位處理器內(nèi)核，尋址空間8 GB，通過外圍相應(yīng)電路設(shè)計實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能控制與低功耗控制；GNSS芯片選用武漢夢芯科技自主研發(fā)的MXT2702芯片組，實現(xiàn)GPS/BEIDOU/GALILEO/GLONASS的多模導(dǎo)航系統(tǒng)聯(lián)合定位解算功能；無線傳輸芯片使用中移物聯(lián)的C216芯片組，實現(xiàn)GPRS通信數(shù)據(jù)的傳輸；報警芯片選用WT588D語音芯片，是集單片機(jī)和語音電路于一體的可編輯語音芯片，功能多、音質(zhì)好、應(yīng)用范圍廣、性能穩(wěn)定；采用SPI Flash接口，便于數(shù)據(jù)共享與交換，其硬件電路原理圖如圖3所示。

圖3 硬件電路原理圖Fig.3 Principle schematic of hardware circuit

1.2 軟件設(shè)計

標(biāo)記信號發(fā)生器的軟件部分采用FreeRTOS(Free SYS/BIOS real-time kernel)操作系統(tǒng)，它是一個小型的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核。作為一個輕量級的操作系統(tǒng)，功能包括：任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理、記錄功能、軟件定時器等，可基本滿足本系統(tǒng)的需要。在FreeRTOS平臺上，使用C語言編程，保證處理任務(wù)的實時高效。軟件功能采用模塊化編程的方式，主要包括主程序模塊、定位解算模塊、遙控報警模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、樣地信息存儲更新模塊等，其中主程序模塊負(fù)責(zé)各個功能模塊間的信號調(diào)度與電源低功耗的處理邏輯，定位解算模塊負(fù)責(zé)定位的實時結(jié)算，遙控報警模塊在掃描到信號后觸發(fā)語音系統(tǒng)發(fā)出鳴響，樣地信息存儲模塊記錄歷次的樣地調(diào)查數(shù)據(jù)及采集人員等信息。具體的軟件功能流程如圖4所示。

圖4 主程序和3個功能模塊流程圖Fig.4 Flow charts of main program and three function modules

1.3 功能參數(shù)

標(biāo)記信號發(fā)生器功能包括定位解算功能、遙控報警功能、數(shù)據(jù)傳輸功能、樣地信息存儲功能。定位解算功能，支持最大64通道同時工作，支持GPS、GLONASS、GALILEO、北斗、QZSS、SBAS多系統(tǒng)，支持GPS與北斗雙系統(tǒng)聯(lián)合定位，冷啟動情況下，定位僅需38 s，定位精度低于1 m；遙控報警功能最多可加載500段用于編輯的語音，用于提示信息，該功能下，靜態(tài)休眠電流小于10 μA；數(shù)據(jù)傳輸最高速率為上行/下行85.6 KB/s，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議；樣地信息存儲功能支持最大8 GB的數(shù)據(jù)存儲，采用USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。操作系統(tǒng)為FreeRTOS，CPU為嵌入式Cortex-M3架構(gòu)，內(nèi)存2 GB RAM。工作環(huán)境溫度為-30～60℃，報警范圍大于300 m。在2節(jié)1號電池供電的情況下，工作時長大于1 a。

2 原理與功能

2.1 基本原理

圖5 標(biāo)記信號發(fā)生器原理圖Fig.5 Schematic diagram of marking signal generator

標(biāo)記信號發(fā)生器的工作原理圖如圖5所示，包括供電單元、低功耗增強(qiáng)單元、接收及處理單元以及定位標(biāo)記單元4部分。為減小整個裝置的體積及考慮野外工作的需求，供電單元在實際使用中需要采用輕巧型電池，并在外部增加保護(hù)裝置；接收與處理單元長期供電，并按照一定頻率掃描覆蓋范圍，當(dāng)接收到搜索信號時，立即啟動遠(yuǎn)程報警功能，通過鳴響聲指引調(diào)查人員找到樣地樁。同時，調(diào)用定位及標(biāo)記單元將固定樣地的位置主動上報；定位標(biāo)記單元通過GNSS定位記錄樣地樁位置，并上傳信息至手持終端。

標(biāo)記信號發(fā)生器采用的是主動搜索、主動定位、主動上報的工作模式，在滿負(fù)荷工作狀態(tài)下，耗能較高，為降低系統(tǒng)的整體功耗，延長設(shè)備的使用壽命，本設(shè)計中增加低功耗增強(qiáng)單元，提升系統(tǒng)性能。優(yōu)化原理主要包括：

(1)由于固定樣地在短時間內(nèi)被連續(xù)監(jiān)測的頻率較低，將接收與處理單元的搜索頻率降低，如降至每1 h搜索10 min，其他時間處于休眠狀態(tài)。

(2)定位與標(biāo)記單元僅在捕獲到信號時才啟動，通過中央處理器控制信號的傳輸和低功耗電源的分配，使其優(yōu)化至短時工作或長期休眠的狀態(tài)，實現(xiàn)低頻的定位監(jiān)測。

(3)樁體不移動時，定位信息記錄在存儲單元中，在收到搜索信號后直接通過無線信號發(fā)射模塊傳輸，而不必啟動GNSS定位設(shè)備，進(jìn)一步節(jié)省了耗電量。

2.2 主要功能

2.2.1遠(yuǎn)程報警指引

由于固定樣地標(biāo)記裝置安裝在野外，并且間隔一年或數(shù)年才使用一次，導(dǎo)致固定樣地標(biāo)記裝置被雜草埋沒，而不易被發(fā)現(xiàn)。本文利用安裝在設(shè)備箱中的樣地標(biāo)記信號發(fā)射器發(fā)射的近距離無線信號，使整體埋入或部分埋入到土體的固定樣地標(biāo)記裝置都可以輕易地被發(fā)現(xiàn)。

無線信號在自由空間中傳輸，其中傳輸?shù)膿p耗為[16]

Loss=32.44+20lgd+20lgf

(1)

式中Loss——傳輸損耗，dB

d——傳輸距離，km

f——頻率，MHz

由式(1)可見，自由空間中電波傳播損耗(亦稱衰減)只與工作頻率f和傳播距離d有關(guān)，當(dāng)f或d增大一倍時，Loss增加6 dB。因此，當(dāng)固定樣地標(biāo)記裝置的標(biāo)記信號發(fā)生器發(fā)出信號后，其傳輸數(shù)據(jù)的最大距離受環(huán)境影響非常大。一般的遙控報警裝置的作用范圍不超過100 m，為增加固定樣地標(biāo)記裝置的找尋范圍，本文采用傳統(tǒng)遙控報警結(jié)合GSM聲控報警的方式實現(xiàn)超過百米范圍的遠(yuǎn)程報警指引，其工作原理是：首先通過無線通信的方式查找固定樣地樁，一旦找到立即開啟遠(yuǎn)程報警；其次根據(jù)歷史信息，尋找至樣地附近時，開啟手持終端的編碼器，其可以與固定樣地標(biāo)記裝置的解碼器配對，匹配成功即發(fā)出鳴響，由于聲波的傳輸距離遠(yuǎn)，因此可以快速找到樣地樁。

2.2.2低頻定位監(jiān)測

低頻定位監(jiān)測主要包括3部分：GNSS定位解算、NMEA幀解碼、位置信息發(fā)送與導(dǎo)航，工作原理如圖6所示。

圖6 低頻定位監(jiān)測原理圖Fig.6 Principle diagram of low frequency positioning monitoring

2.2.2.1GNSS定位解算原理

衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理是四點(diǎn)定位原理，即設(shè)時刻ti時同時測得P點(diǎn)至4顆GNSS衛(wèi)星S1、S2、S3、S4的距離ρ1、ρ2、ρ3、ρ4，解出4顆衛(wèi)星的三維坐標(biāo)(Xj,Yj,Zj),(j=1,2,3,4)，用距離交會的方法求解P點(diǎn)的三維坐標(biāo)(X,Y,Z)的觀測方程為

(2)

式中c——光速δt——接收機(jī)鐘差

當(dāng)捕獲的衛(wèi)星數(shù)超過4顆時，能夠確定裝置所在位置，捕獲的衛(wèi)星數(shù)越多，定位精度越高。目前，全球正在運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)包括美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo[17]和我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[18]等，在軌運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)量超過70顆[19]。因此本文設(shè)計的固定樣地標(biāo)記裝置具有最多同時64顆衛(wèi)星共同定位的能力，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2.2.2NMEA幀解碼原理

解算后的定位位置信息以NMEA-0183協(xié)議輸出。NMEA-0183協(xié)議是美國國家海洋電子協(xié)會(National Marine Electronics Association)為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式[20-21]。目前業(yè)已成為定位導(dǎo)航輸出的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。該協(xié)議包含的字段如表1所示。

表1 NMEA-0183協(xié)議Tab.1 Protocol of NMEA-0183

發(fā)送順序依次為$GPZDA、$GPGGA、$GPGLL、$GPVTG、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC。其中定位數(shù)據(jù)信息需要發(fā)送給手持終端設(shè)備。為了便于調(diào)試，本文利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位監(jiān)控軟件，改寫部分代碼，實現(xiàn)在便攜式計算機(jī)中實時確定解算后的位置信息。

2.2.2.3位置信息發(fā)送與導(dǎo)航原理

在首次獲得樣樁的位置信息后，將這些信息存儲在Flash中，一旦接收到尋找樣樁的信號，立即將位置信息發(fā)送，并在手持終端中調(diào)用百度地圖的API實現(xiàn)位置導(dǎo)航。為了方便手機(jī)用戶快速找到樣樁，該功能在微信平臺上實現(xiàn)，采用JavaScript編程實現(xiàn)。步驟為：打開手機(jī)的定位功能，獲取找尋人的位置信息；接收樣樁的位置信息，利用百度地圖的API設(shè)計找尋路線。

2.2.3樣地信息記錄

樣地信息記錄在裝置存儲器中，樣地調(diào)查人員通過USB接口復(fù)制出歷史數(shù)據(jù)，同時更新最新的調(diào)查數(shù)據(jù)，也可以通過無線傳輸?shù)姆绞綄⑿畔l(fā)送至裝置中。樣地信息的記錄包括以下字段：樣地位置(省、市、縣、鄉(xiāng)、村，大樣地編號)、建模信息(樹種、區(qū)域、樹高級、郁閉度級、齡組、樣地半徑)、樣地信息(地貌、坡向、坡位、坡度、地類、起源、郁閉度)等，如圖7所示。

圖7 樣地調(diào)查信息存儲界面Fig.7 Interface of sample plot information storage

3 試驗與分析

對固定樣地標(biāo)記尋找效率進(jìn)行試驗設(shè)計：以北京市延慶區(qū)有林地為試驗區(qū)，抽樣方案設(shè)計選取目前在延慶區(qū)試點(diǎn)的三階段抽樣方案，使用ArcGIS 10.2.2軟件生成正六邊形抽樣框架，并生成52個固定樣地中心點(diǎn)，隨機(jī)選取15個固定樣地中心點(diǎn)進(jìn)行固定樣地標(biāo)記樁尋找效率驗證試驗(表2)。

試驗分組：每組2人，共3組，每組隨機(jī)選取1人進(jìn)行傳統(tǒng)固定樣地標(biāo)記裝置尋找，待傳統(tǒng)固定樣地標(biāo)記裝置找到后，重新?lián)Q上本文設(shè)計的固定樣地標(biāo)記裝置，此時另一人在同一位置進(jìn)行本文設(shè)計的固定樣地標(biāo)記裝置尋找，記錄尋找時間。3組試驗全部測試結(jié)束后，分析傳統(tǒng)固定樣地標(biāo)記裝置與本文設(shè)計的固定樣地標(biāo)記裝置的尋找效率。

經(jīng)3組試驗，求各樣地的3次尋找時間平均值，傳統(tǒng)標(biāo)記裝置的平均尋找時間為51.92 min，本文設(shè)計裝置的平均尋找時間為12.24 min，與傳統(tǒng)標(biāo)記裝置相比，本文設(shè)計裝置尋找效率提高了324%。結(jié)果表明，本文設(shè)計的固定樣地標(biāo)記裝置與傳統(tǒng)的固定樣地標(biāo)記裝置相比，極大地縮短了尋找時間，提高了尋找到固定樣地標(biāo)記樁的效率，對比試驗結(jié)果如圖8所示。

表2 樣地標(biāo)記樁尋找效率驗證試驗結(jié)果Tab.2 Search efficiency verification test result of plot center point min

圖8 對比試驗結(jié)果Fig.8 Results of comparative test

4 討論

(1)由于標(biāo)記信號發(fā)生器利用無線信號傳輸原理，因此裝置接收信號的天線部分高于地表以保證較大的信號搜索范圍，當(dāng)全部埋于地下時，由于土壤的覆蓋，接收信號能量將急劇降低，進(jìn)而導(dǎo)致報警范圍的縮小。

(2)該裝置能較好的應(yīng)用于森林資源年度監(jiān)測樣地標(biāo)記中，在森林資源連續(xù)清查的應(yīng)用場景下，固定樣地的復(fù)查周期是5 a，在后續(xù)工作中需要對裝置的耗電特性及連續(xù)工作時長進(jìn)一步優(yōu)化和評估，以滿足實際應(yīng)用，更好地服務(wù)森林資源連續(xù)清查工作。

5 結(jié)束語

本文裝置基于遙控報警原理、GNSS定位原理，實現(xiàn)了森林資源連續(xù)清查固定樣地標(biāo)記樁的導(dǎo)航定位、遙控報警、樣地信息讀取與寫入等功能，從而使調(diào)查人員能清晰地了解該固定樣地的建設(shè)時間、調(diào)查次數(shù)、調(diào)查日期、調(diào)查人員等一系列相關(guān)信息，極大地提高了固定樣地信息的透明度。與傳統(tǒng)固定樣地標(biāo)記樁相比，本文裝置解決了固定樣地信息無法讀取與寫入、無法導(dǎo)航定位、無法遙控報警指引尋找等問題，為實現(xiàn)快速復(fù)位固定樣地提供了一種高效可行的解決方案。

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