“3S”技术在林业勘测设计中的应用

佟 亮

(塔河林业局森林调查设计大队，黑龙江 塔河 165200)

1 林业勘测设计中的“3S”技术

林业勘测设计中的“3S”技术体系已经比较成熟，在信息获取的及时性、勘测数据的细致性、分析结果的可信度等方面均具有较为明显的技术优势。以“3S”技术为核心的林业勘测设计工作流程如图1所示。

图1 基于“3S”技术的林业勘测设计流程图Fig.1 Flow chart of forestry survey and design based on “3S” technology

1.1 全球定位系统(GPS)

林业勘测设计中，首要任务是确定目标位置与范围。以往勘测人员进行外业调查时都是借助于手持的罗盘仪等工具确定待勘测林区的地理位置，不仅费时费力，且误差较大，直接影响了勘测数据的利用价值。GPS能够准确、快速地获取目标位置，自动进行时间定位，为后期的数据检索和利用提供了便利。根据定位方式的不同，选择常规的码定位，坐标精度可以达到米级。若对精度要求较高，可选择载波定位，精度最高可以达到分米级。基于GPS的林业勘测系统主要由3个模块组成，分别是野外数据采集模块、野外设备巡视模块、GPS/GIS模块。其中，野外数据采集模块是通过预设参数(包括勘测范围、采样频率等)，对特定区域内的森林植被信息进行采集，可支持定时结束或定量结束，前者是设定采集时间，达到设定时间后自动结束野外数据的采集。后者是设定数据总量，当样本数据达到设定数量后自动结束采集。野外设备巡视模块的功能是进行GPS设备运行工况的自检，保证勘测工作的顺利进行，保证采集到的数据全面、可靠。GPS/GIS模块是对设备采集到的林业相关数据进行初步的筛选处理，剔除无效的、冗余的数据，减轻后续数据处理及分析的工作量。

1.2 卫星遥感(RS)

RS技术是利用不同物体在反射、吸收电磁波方面的特性差异，提取电磁波进而实现超远距离识别物体并采集物体信息的一种技术。卫星遥感系统具有广泛覆盖的特点，理论上只需要3颗遥感卫星即可实现对全球任意位置的勘测。RS系统在拍摄目标影像时，始终保持与地球自转的同步，因此可以使拍摄的影像资料维持较高的清晰度。另外，遥感卫星还能从不同角度对同一坐标进行多组拍摄，更加全面地展示该坐标上的信息。将GPS和RS配合使用，实现了点、面结合，两者相辅相成，进一步提高了勘测信息的丰富性和信息数据的准确性。近年来，RS技术发展迅速，除了分辨率进一步提高，图像信息更加丰富、精确外，还能支持林业勘测工作实现从定向到定量、从静态估算到动态监测、从试验分析走向生产应用的转变。另外，基于RS获取的林业数据，还能以多种图像的形式呈现出来，如ETM图像、SPOT图像、IKONOS图像、多光谱航空像片等。将各种格式的图像存储到数据库中，利用MAPGIS或Mapsource等软件进行图像信息的复合处理，在一张电子地图中可以精细地呈现出测绘区域的林业信息，为林业工作开展提供参考和指导。

1.3 地理信息技术(GIS)

GIS是将前面收集到的海量信息进行汇总、处理的软件，并提供自动纠正数据差错、自动进行数据更新的功能。在数据存储方面，GIS软件支持2种存储模式，一是本地物理服务器存储，方便快速检索和调用需要分析的数据；二是线上虚拟服务器，用于存储文件的备份，防止数据丢失。对于最终的分析结果，GIS软件还能生成电子地图，并将详细信息展示在图面上。随着GPS和RS不断传输新的数据，GIS软件还能对电子地图上的数据信息进行实时更新，帮助技术人员动态掌握勘测目标的现状，支持勘测设计工作的高质量开展。相比于以往的人工制图模式，GIS软件提供的制图工具可以基于前期获取的林业数据，完成自动制图。除了极大减轻制图工作量外，无论是在林业地图信息的丰富度方面，还是地图信息的精确性方面，均比人工制图有了明显提升。借助于RS和GPS提供的实时更新的数据，GIS生产的电子地图也会自动更新，为林业工作人员掌握林区实时状况提供了帮助，在远程监测的基础上，为林区管理的优化提供了帮助。

2 林业勘测设计中“3S”的操作方法

2.1 外业调查中“3S”技术的操作方法

2.1.1 利用RS掌握全面数据

在获取森林植被信息时，选择基于红外探测或电磁波探测的RS卫星遥感系统，根据接收到的电磁信号或红外信号，获取林区植被的基本信息，如整体的分布情况、单位面积内的密度、植物的种类等。利用RS获取林业数据时，考虑到勘测精度不高，因此必须配合使用GPS，利用GPS提供精确坐标，保证采集到的林业数据更加全面、详细。例如，在林业勘测设计的外业调查工作中，如果勘测区域内树木种类多样、树龄差异较大，加上气象条件、地形地貌等因素的干扰，RS采集数据有较大误差。有了GPS的辅助定位，可以准确判读植物种类与年龄等基本信息，提高数据的利用价值。

基于SPOT5的遥感数据获取流程为：其一，准备基础数据。包括1∶50 000的大比例尺地形图与1∶25 000的高精度DEM。使用扫描设备对1∶50 000地形图进行扫描，读取地形图信息后进行几何纠正，设定纠正精度为0.5 mm。完成纠正后，将1∶50 000地形图转化成与DEM一样的6度分带投影。其二，正射校正。使用与SPOT配套的Geoimage软件，该软件可自动读取DEM信息，获取遥感数据的瞬间状态参数，如卫星的经纬度、高度、倾角等，从而进一步提高正射校正的精度。校正时，先从地形图上选择若干个特征明显的点，作为地面控制点。采用全色波段数据为基准，进行多光谱数据校正。以1∶50 000地形图为例，需要选择25～30个控制点。其三，影像数据融合。将不同波段、不同空间分辨率的数据进行融合，可以进一步提升影像数据的丰富性。根据融合程度的不同，又分成了像元级、特征级、决策级3个层次。要想从遥感数据中获取更加全面的森林植被信息，必须要选择像元级数据融合，最终得到的融合数据兼有高空间分辨率特征和多光谱特征。

2.1.2 利用GPS制图

在RS获取林区植被影像资料的基础上，利用GPS测量仪可以准确掌握勘测范围内每个坐标点上的图像信息。使用数据线分别连接GPS测量仪和计算机，并在计算机上运行Mapsource软件。在软件主界面上选择“导入”选项，在弹出的对话框中选择GPS测量仪中的数据，导入完毕后点击“确定”，并选择“另存为”选项，创建文件将勘测数据保存到本地服务器。再运行GPS转换器软件，在主界面上选择“按每小班制作”图标，弹出新的对话框中勾选“源文件”一项，确认之后即可转换得到制图数据。将制图数据另存为新的文件，再运行Maplnfo软件，将制图数据套入地图后，即可得到该勘测区域的绘制图。

2.1.3 利用GIS进行数据分析

GIS作为一款功能强大的地理数据分析软件，可以将RS与GPS提供的数据进行汇总，完成分析。基于GPS绘制的电子地图，只能静态地展示某一个时间点下的森林信息。而GIS软件同时具有时间定位和空间分析的功能，在可视化图像上动态展示森林植被的变化情况，使得林业勘测设计的指导功能与实用价值得到了进一步提升。运用GIS完成数据汇总处理后，开始内业汇制。基于GIS的数据分析流程如图2所示。

图2 基于GIS的数据分析流程Fig.2 Flow chart of data analysis based on GIS

在数据获取环节，如果勘测范围较小，可使用数字化仪、摄影测量设备采集数据；如果勘测范围较大，则配合使用遥感卫星完成数据获取任务。基于采集到的原始数据，以1∶25 000地形图作为工作底图，实地勾绘小班界线，并根据地类、林种、树种、权属等各项指标填写小班卡片，同时在小班卡片上补充地貌、土壤等相关因子。对原始数据做数据编辑、投影变换处理后，得到结构化数据，并将其存储到新建的GIS空间数据库中。结构化数据分为2种类型：一种是以小班调查卡片为主的属性数据，另一种是以外业调绘工作基本图为主的空间数据。在数据库中采取分区存储的模式，可支持数据图形的输入、输出和编辑、查询等基本功能。在GIS软件中打开某小班线文件，并在该文件中插入地形图的原图，画出坐标横纵交叉点，之后点击“控制点”并在弹出的对话框中“设置控制点参数”一栏输入相应数据，即可重建线文件。输入控制点参数后，可以得到各个点的坐标值，点击“控制点”并选择“浏览控制文本”选项，由GIS系统自动对输入参数进行校对。经过校正确定数据无误后，将同一林区的多个文件进行合并，最终以表格或图形的形式输出。

2.2 内业汇制中“3S”技术的操作方法

2.2.1 数据汇总

内业汇制是对每次外业调查工作得出的数据进行统计并记录，用于观察森林面积的变化，地形地貌的细微变化。汇总后的数据需要新建一个文件夹保存，并且标注好数据采集时间，后期可以与新数据对比，更加直观地掌握林业资源随着时间的变化情况，为前景预测和开发利用提供依据。每进行一次外业调查，数据会更新一次，工作人员要注意保持备份数据的同步更新，防止数据丢失，保证林业数据的完整性。

2.2.2 绘制图纸

一张图纸不仅要把各类不同的数据同时表示出来，还要计算好横向和纵向数值间的距离。经过多次的修改、计算，最终采用的数值间的距离，要使勘测工作得出的数据在图纸上录入后，表现出非常直观的变化曲线和趋势，以便于日后与新的数据进行比较。由于电子地图上包含的信息较为复杂，为了更加直观地进行区分，可以采用颜色填充的方式，用不同颜色代表相应的信息。例如，对比历次外业调查获取数据的变化情况，如果某个区域内植被大幅度减少，则用红色表示，说明植被破坏严重、树木数量锐减，林业勘测人员可进行实地勘测并制定相应的恢复方案；若植被树木数量没有明显变化，则以蓝色表示。

2.2.3 分析图纸

林业勘测人员根据绘制的电子地图，获取信息并进行分析，对林区情况有一个总体的掌握。如果某个区域发生异常，可以根据GPS提供的精确坐标，安排人员进行现场勘测，从而减轻工作压力，提高工作效率。

3 结语

林业勘测设计中“3S”技术的运用实现了森林资源信息的动态化、可视化展示，应重视技术创新，促进外业调查和内业汇制的高质量开展。