佟 亮

(塔河林業(yè)局森林調查設計大隊，黑龍江 塔河 165200)

1 林業(yè)勘測設計中的“3S”技術

林業(yè)勘測設計中的“3S”技術體系已經比較成熟，在信息獲取的及時性、勘測數據的細致性、分析結果的可信度等方面均具有較為明顯的技術優(yōu)勢。以“3S”技術為核心的林業(yè)勘測設計工作流程如圖1所示。

圖1 基于“3S”技術的林業(yè)勘測設計流程圖Fig.1 Flow chart of forestry survey and design based on “3S” technology

1.1 全球定位系統(tǒng)(GPS)

林業(yè)勘測設計中，首要任務是確定目標位置與范圍。以往勘測人員進行外業(yè)調查時都是借助于手持的羅盤儀等工具確定待勘測林區(qū)的地理位置，不僅費時費力，且誤差較大，直接影響了勘測數據的利用價值。GPS能夠準確、快速地獲取目標位置，自動進行時間定位，為后期的數據檢索和利用提供了便利。根據定位方式的不同，選擇常規(guī)的碼定位，坐標精度可以達到米級。若對精度要求較高，可選擇載波定位，精度最高可以達到分米級?；贕PS的林業(yè)勘測系統(tǒng)主要由3個模塊組成，分別是野外數據采集模塊、野外設備巡視模塊、GPS/GIS模塊。其中，野外數據采集模塊是通過預設參數(包括勘測范圍、采樣頻率等)，對特定區(qū)域內的森林植被信息進行采集，可支持定時結束或定量結束，前者是設定采集時間，達到設定時間后自動結束野外數據的采集。后者是設定數據總量，當樣本數據達到設定數量后自動結束采集。野外設備巡視模塊的功能是進行GPS設備運行工況的自檢，保證勘測工作的順利進行，保證采集到的數據全面、可靠。GPS/GIS模塊是對設備采集到的林業(yè)相關數據進行初步的篩選處理，剔除無效的、冗余的數據，減輕后續(xù)數據處理及分析的工作量。

1.2 衛(wèi)星遙感(RS)

RS技術是利用不同物體在反射、吸收電磁波方面的特性差異，提取電磁波進而實現(xiàn)超遠距離識別物體并采集物體信息的一種技術。衛(wèi)星遙感系統(tǒng)具有廣泛覆蓋的特點，理論上只需要3顆遙感衛(wèi)星即可實現(xiàn)對全球任意位置的勘測。RS系統(tǒng)在拍攝目標影像時，始終保持與地球自轉的同步，因此可以使拍攝的影像資料維持較高的清晰度。另外，遙感衛(wèi)星還能從不同角度對同一坐標進行多組拍攝，更加全面地展示該坐標上的信息。將GPS和RS配合使用，實現(xiàn)了點、面結合，兩者相輔相成，進一步提高了勘測信息的豐富性和信息數據的準確性。近年來，RS技術發(fā)展迅速，除了分辨率進一步提高，圖像信息更加豐富、精確外，還能支持林業(yè)勘測工作實現(xiàn)從定向到定量、從靜態(tài)估算到動態(tài)監(jiān)測、從試驗分析走向生產應用的轉變。另外，基于RS獲取的林業(yè)數據，還能以多種圖像的形式呈現(xiàn)出來，如ETM圖像、SPOT圖像、IKONOS圖像、多光譜航空像片等。將各種格式的圖像存儲到數據庫中，利用MAPGIS或Mapsource等軟件進行圖像信息的復合處理，在一張電子地圖中可以精細地呈現(xiàn)出測繪區(qū)域的林業(yè)信息，為林業(yè)工作開展提供參考和指導。

1.3 地理信息技術(GIS)

GIS是將前面收集到的海量信息進行匯總、處理的軟件，并提供自動糾正數據差錯、自動進行數據更新的功能。在數據存儲方面，GIS軟件支持2種存儲模式，一是本地物理服務器存儲，方便快速檢索和調用需要分析的數據；二是線上虛擬服務器，用于存儲文件的備份，防止數據丟失。對于最終的分析結果，GIS軟件還能生成電子地圖，并將詳細信息展示在圖面上。隨著GPS和RS不斷傳輸新的數據，GIS軟件還能對電子地圖上的數據信息進行實時更新，幫助技術人員動態(tài)掌握勘測目標的現(xiàn)狀，支持勘測設計工作的高質量開展。相比于以往的人工制圖模式，GIS軟件提供的制圖工具可以基于前期獲取的林業(yè)數據，完成自動制圖。除了極大減輕制圖工作量外，無論是在林業(yè)地圖信息的豐富度方面，還是地圖信息的精確性方面，均比人工制圖有了明顯提升。借助于RS和GPS提供的實時更新的數據，GIS生產的電子地圖也會自動更新，為林業(yè)工作人員掌握林區(qū)實時狀況提供了幫助，在遠程監(jiān)測的基礎上，為林區(qū)管理的優(yōu)化提供了幫助。

2 林業(yè)勘測設計中“3S”的操作方法

2.1 外業(yè)調查中“3S”技術的操作方法

2.1.1 利用RS掌握全面數據

在獲取森林植被信息時，選擇基于紅外探測或電磁波探測的RS衛(wèi)星遙感系統(tǒng)，根據接收到的電磁信號或紅外信號，獲取林區(qū)植被的基本信息，如整體的分布情況、單位面積內的密度、植物的種類等。利用RS獲取林業(yè)數據時，考慮到勘測精度不高，因此必須配合使用GPS，利用GPS提供精確坐標，保證采集到的林業(yè)數據更加全面、詳細。例如，在林業(yè)勘測設計的外業(yè)調查工作中，如果勘測區(qū)域內樹木種類多樣、樹齡差異較大，加上氣象條件、地形地貌等因素的干擾，RS采集數據有較大誤差。有了GPS的輔助定位，可以準確判讀植物種類與年齡等基本信息，提高數據的利用價值。

基于SPOT5的遙感數據獲取流程為：其一，準備基礎數據。包括1∶50 000的大比例尺地形圖與1∶25 000的高精度DEM。使用掃描設備對1∶50 000地形圖進行掃描，讀取地形圖信息后進行幾何糾正，設定糾正精度為0.5 mm。完成糾正后，將1∶50 000地形圖轉化成與DEM一樣的6度分帶投影。其二，正射校正。使用與SPOT配套的Geoimage軟件，該軟件可自動讀取DEM信息，獲取遙感數據的瞬間狀態(tài)參數，如衛(wèi)星的經緯度、高度、傾角等，從而進一步提高正射校正的精度。校正時，先從地形圖上選擇若干個特征明顯的點，作為地面控制點。采用全色波段數據為基準，進行多光譜數據校正。以1∶50 000地形圖為例，需要選擇25～30個控制點。其三，影像數據融合。將不同波段、不同空間分辨率的數據進行融合，可以進一步提升影像數據的豐富性。根據融合程度的不同，又分成了像元級、特征級、決策級3個層次。要想從遙感數據中獲取更加全面的森林植被信息，必須要選擇像元級數據融合，最終得到的融合數據兼有高空間分辨率特征和多光譜特征。

2.1.2 利用GPS制圖

在RS獲取林區(qū)植被影像資料的基礎上，利用GPS測量儀可以準確掌握勘測范圍內每個坐標點上的圖像信息。使用數據線分別連接GPS測量儀和計算機，并在計算機上運行Mapsource軟件。在軟件主界面上選擇“導入”選項，在彈出的對話框中選擇GPS測量儀中的數據，導入完畢后點擊“確定”，并選擇“另存為”選項，創(chuàng)建文件將勘測數據保存到本地服務器。再運行GPS轉換器軟件，在主界面上選擇“按每小班制作”圖標，彈出新的對話框中勾選“源文件”一項，確認之后即可轉換得到制圖數據。將制圖數據另存為新的文件，再運行Maplnfo軟件，將制圖數據套入地圖后，即可得到該勘測區(qū)域的繪制圖。

2.1.3 利用GIS進行數據分析

GIS作為一款功能強大的地理數據分析軟件，可以將RS與GPS提供的數據進行匯總，完成分析?；贕PS繪制的電子地圖，只能靜態(tài)地展示某一個時間點下的森林信息。而GIS軟件同時具有時間定位和空間分析的功能，在可視化圖像上動態(tài)展示森林植被的變化情況，使得林業(yè)勘測設計的指導功能與實用價值得到了進一步提升。運用GIS完成數據匯總處理后，開始內業(yè)匯制。基于GIS的數據分析流程如圖2所示。

圖2 基于GIS的數據分析流程Fig.2 Flow chart of data analysis based on GIS

在數據獲取環(huán)節(jié)，如果勘測范圍較小，可使用數字化儀、攝影測量設備采集數據；如果勘測范圍較大，則配合使用遙感衛(wèi)星完成數據獲取任務?；诓杉降脑紨祿?，以1∶25 000地形圖作為工作底圖，實地勾繪小班界線，并根據地類、林種、樹種、權屬等各項指標填寫小班卡片，同時在小班卡片上補充地貌、土壤等相關因子。對原始數據做數據編輯、投影變換處理后，得到結構化數據，并將其存儲到新建的GIS空間數據庫中。結構化數據分為2種類型：一種是以小班調查卡片為主的屬性數據，另一種是以外業(yè)調繪工作基本圖為主的空間數據。在數據庫中采取分區(qū)存儲的模式，可支持數據圖形的輸入、輸出和編輯、查詢等基本功能。在GIS軟件中打開某小班線文件，并在該文件中插入地形圖的原圖，畫出坐標橫縱交叉點，之后點擊“控制點”并在彈出的對話框中“設置控制點參數”一欄輸入相應數據，即可重建線文件。輸入控制點參數后，可以得到各個點的坐標值，點擊“控制點”并選擇“瀏覽控制文本”選項，由GIS系統(tǒng)自動對輸入參數進行校對。經過校正確定數據無誤后，將同一林區(qū)的多個文件進行合并，最終以表格或圖形的形式輸出。

2.2 內業(yè)匯制中“3S”技術的操作方法

2.2.1 數據匯總

內業(yè)匯制是對每次外業(yè)調查工作得出的數據進行統(tǒng)計并記錄，用于觀察森林面積的變化，地形地貌的細微變化。匯總后的數據需要新建一個文件夾保存，并且標注好數據采集時間，后期可以與新數據對比，更加直觀地掌握林業(yè)資源隨著時間的變化情況，為前景預測和開發(fā)利用提供依據。每進行一次外業(yè)調查，數據會更新一次，工作人員要注意保持備份數據的同步更新，防止數據丟失，保證林業(yè)數據的完整性。

2.2.2 繪制圖紙

一張圖紙不僅要把各類不同的數據同時表示出來，還要計算好橫向和縱向數值間的距離。經過多次的修改、計算，最終采用的數值間的距離，要使勘測工作得出的數據在圖紙上錄入后，表現(xiàn)出非常直觀的變化曲線和趨勢，以便于日后與新的數據進行比較。由于電子地圖上包含的信息較為復雜，為了更加直觀地進行區(qū)分，可以采用顏色填充的方式，用不同顏色代表相應的信息。例如，對比歷次外業(yè)調查獲取數據的變化情況，如果某個區(qū)域內植被大幅度減少，則用紅色表示，說明植被破壞嚴重、樹木數量銳減，林業(yè)勘測人員可進行實地勘測并制定相應的恢復方案；若植被樹木數量沒有明顯變化，則以藍色表示。

2.2.3 分析圖紙

林業(yè)勘測人員根據繪制的電子地圖，獲取信息并進行分析，對林區(qū)情況有一個總體的掌握。如果某個區(qū)域發(fā)生異常，可以根據GPS提供的精確坐標，安排人員進行現(xiàn)場勘測，從而減輕工作壓力，提高工作效率。

3 結語

林業(yè)勘測設計中“3S”技術的運用實現(xiàn)了森林資源信息的動態(tài)化、可視化展示，應重視技術創(chuàng)新，促進外業(yè)調查和內業(yè)匯制的高質量開展。