基于GIS的自然保护区本底资源调查系统的设计与实现

唐 军 薛亚东 卢 慧 李 佳 李广良 毛业勇 邓长胜 李迪强

(中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 100091) 2(湖北五峰后河国家级自然保护区管理局 湖北 宜昌 443400)

0 引 言

自然保护区本底资源调查的目的是为了充分掌握自然保护区所有资源现状及保护对象情况,明确保护区保护目标,为制定总体规划、实施保护计划、提出保护措施及开展科学研究、生态旅游等提供基础资料[1]。目前,自然保护区开展本底资源调查采用的方式多为保护区管理机构与大专院校等单位合作,按照野生动植物的不同类群、自然地理和社会经济等分成不同调查组,分类调查后汇总形成科学考察报告。传统调查方法一般采取手持GPS定位相机进行影像数据采集,同时填写纸质表格记录相关数据,但是,外业工作完成后,所有数据在不同专家手中,很难进行汇总,还需进行大量的数据录入和关联工作才能将数据利用起来。

怎样实现对自然保护区本底资源调查工作中各类信息的高效采集和精确管理,是目前自然保护区本底资源调查工作最为迫切需要解决的问题。随着科技的快速发展,智能手机已经将GPS/北斗、照相机和记录信息等功能集为一体,结合高分辨率遥感卫星影像数据,对自然保护区本底资源调查外业工作的开展从地图方面提供了极大的便利,这些技术都为建立基于Android平台开发的移动GIS数据采集系统和服务器WebGIS数据管理系统提供了基础[2-6]。目前,关于自然保护地本底资源调查的移动GIS数据采集和服务器WebGIS数据管理系统的研究不多,陈玉龙等[7]应用ArcGIS API for Android、ArcGIS Server 10.2、Tomcat 7.0、ArcGIS API for Flex等技术实现了会泽黑颈鹤自然保护区管理系统,但该系统的功能还不够全面,缺乏采集如植物样线、植被样方、昆虫等多种类本底资源信息的功能,在空间分析方面亦需改进。

湖北后河国家级自然保护区于2000年4月经国务院批准成立,主要保护对象是中亚热带森林生态系统和珍稀濒危野生动植物物种,包括珙桐、豹、黑麂等国际极度濒危动植物及其栖息地。宋朝枢等[8]对后河保护区进行了科学考察,编写了《湖北后河自然保护区科学考察集》,认为区内有维管束植物193科817属2 087种,陆生脊椎动物25目74科307种,但是,此次调查的时间较早、技术手段不足、时间跨度长,不能确保调查覆盖保护区大部分区域,且缺乏动植物资源照片、视频、保护区分布点位等信息,这些成为了目前保护区开展精细化管理的掣肘。2017年,湖北后河国家级自然保护区本底资源调查正式启动。在外业工作开展之前,各调查组制定了外业采集信息的标准,提出了自然保护区本底资源数字标本的概念,同时提出本底资源调查网格化管理方式,调查覆盖了自然保护区80%以上的区域,改变了传统本底资源调查过程中对实物标本的采集、数据管理的模式和数据成果的展示方式。本文针对自然保护区本底资源调查设计了本底资源调查系统,本文介绍了该调查系统的设计框架,并以后河国家级自然保护区为例,展示了该系统的实现途径及其应用情况。

1 系统设计

1.1 系统的需求分析

2017年湖北五峰后河国家级自然保护区新一次的全面综合科学考察启动,本次科考要求各调查组按照网格化模式调查,将保护区划分为1×1公里网格,从数据采集方式和质量上都提出了具体的要求:(1) 所有调查对象都需要采集包括照片、视频、GPS位点、描述信息等在内的详细信息;(2) 照片、视频、GPS位点、描述信息等数据之间自动关联;(3) 调查数据采集后能够一键上传;(4) 各物种数据需经过相关专家鉴定才能入库;(5) 各调查组要覆盖80%以上的公里网格数;(6) 调查结果能够快速统计分析。

1.2 系统的整体架构

本文提出的自然保护区本底资源数字标本,是指根据野生动植物及植被、自然地理和社会经济等不同调查对象制定相应的数据采集标准,采集调查对象的名称、位置、生境、多媒体等基础信息,以及不同调查对象的其他特征信息,并开展数据清洗和审核工作后的一条记录。它能够对调查对象进行位置、生境、特征等多维度信息描述,改变以往本底资源调查中需要采集实物标本的方式。依据业务需求研发的自然保护区本底资源调查系统,将从数据采集、数据管理和统计分析的全流程应用这一概念。

本底资源调查系统分为移动端GIS数据采集子系统和服务端WebGIS数据管理子系统2个部分。移动端数据采集子系统是在Android平台基于开源osmdroid地图组件开发的移动App软件,用于保护区本底资源数据外业采集工作;服务端运用Java+JavaScript语言开发,采用GeoServer 9.4作为网络地图服务器,Tomcat 9.0作为Web应用服务器,PostgreSQL作为数据库,OpenLayers3作为WebGIS引擎,Ceisum作为三维地球引擎,实现对外业采集数据的实时展现、历史数据管理、专家鉴定、统计分析等功能。移动端和服务端通过HTML5定义的WebSocket协议实现数据实时交互(在处于Wi-Fi/4G环境时),使用JSON数据格式进行数据传输。系统的功能结构如图1所示。

图1 功能结构

系统的体系结构逻辑上可分为4个层次,如图2所示。数据库层包括遥感影像数据库、空间地理信息数据库、本底资源数据库、用户信息数据库;业务逻辑层主要是针对具体问题的操作,集中关注业务流程的实现等方面;表现层是可视化交互的界面表现部分,根据网络特点分为移动端GIS数据采集子系统和服务端WebGIS数据管理子系统;用户层分为管理员、数据审核员、鉴定专家、数据采集员。从功能结构上,移动端GIS数据采集子系统功能包括地图管理、信息采集、历史数据、信息同步四个部分,服务端WebGIS数据管理子系统功能包括实时调查、历史数据、专家鉴定、统计分析四个部分。

图2 系统架构

2 关键技术

2.1 瓦片地图金字塔模型

目前主流的瓦片地图编号形式有谷歌XYZ、TMS、QuadTree和百度XYZ四种形式。本文采用的是如图3所示的TMS(Tile Map Service)瓦片地图服务,即将投影后的世界地图按照层级进行四叉树切割,切割后的瓦片数量随层级呈金字塔型[9]。

图3 瓦片地图金字塔模型示意图

2.2 WebScoket协议

HTML5定义的WebSocket是一种能够在单个TCP连接上进行全双工通信的协议。它允许服务端主动向浏览器推送数据,使得二者之间的数据交换变得简单[10]。依据WebSocket协议,浏览器和服务器只需要完成一次握手便可创建持久性的连接,从而进行双向数据传输。这种传输协议能更好地节省服务器资源和带宽,并且没有时间间隔,使得信息通信更加实时[11]。

3 系统核心功能实现

3.1 系统开发及部署环境

系统开发环境为:操作系统Windows 10专业版;安装Java Develop Kit 8;安装Eclipse开发工具;数据库为PostgreSQL 9.4;地图发布服务器为GeoServer 2.8;应用服务器为Apache Tomcat 8.5.0。

系统部署环境为:操作系统Centos 6.4;安装Java Develop Kit 8;数据库为PostgreSQL 9.4;地图发布服务器为GeoServer 2.8;应用服务器为Apache Tomcat 8.5.0。

3.2 移动端GIS数据采集子系统功能实现

由于后河国家级自然保护区内3G/4G网络信号覆盖不足,不能实现移动端地图数据的实时调用和采集数据的实时回传,因此移动端GIS数据采集子系统功能需要考虑兼容在网和离线两种模式,保障外业采集数据的便利性和完整性。

(1) 信息采集功能。信息采集功能分为野生动植物及植被、自然地理、社会经济三大类共19小类不同调查对象的采集模块,野生动植物及植被数字标本字段如表1所示,自然地理数字标本字段如表2所示,社会经济数字标本字段如表3所示,所采集的数字标本信息将作为一条记录存储在本地数据库中。大致实现方式为系统根据不同的调查表单生成相应实体,利用UUID.randomUUID()方法生成每条信息的ID值,同时将数据写入相应实体的属性中,调用DAO层的save()方法写入数据库,其中照片、视频等多媒体数据存入其路径信息,在无法搜索到定位信号的点位提示重新搜索卫星数据或者直接存入上一点位置信息。在有网络信号覆盖的区域,通过WebSocket协议实时回传,为确保数据完整性,不将实时回传的数据存入服务端数据管理子系统的数据库,仅做展示使用。在4G/Wi-Fi环境中,通过历史数据上传功能将所有数据同步至服务端数据管理子系统的数据库。信息采集界面如图4所示。

表1 野生动植物及植被数字标本字段表

表2 自然地理数字标本字段表

表3 社会经济数字标本字段表

图4 信息采集界面

(2) 离线地图服务功能。离线地图服务功能包含图层加载、GPS定位、地图缩放、地图拖拽。App按需加载本地保存的保护区遥感影像、功能区划、1×1公里网格、小班、河流、道路、等高线等各类图层,同时提供地图拖拽、缩放等基本操作功能,如图5所示。

图5 离线地图界面

离线地图服务功能基于开源osmdroid地图组件,该组件实现了地图的展示与基本操作(缩放、平移、图层与要素管理),同时为适应保护区复杂的网络环境,在osmdroid的基础上实现对离线数据如TMS栅格图的读取,保证在极端网络条件下地图功能能够正常使用。大致实现方式为利用osmdroid.views的MapView类生成地图组件map,在onCreate()方法中通过Configuration的osmdroidBasePath设置基础数据路径,osmdroidTileCache设置瓦片数据路径,运用getRuntimeExceptionDao()查询出所有地图layers图层,通过map组件的OverlayManager类添加当前位置信息和实时绘制的Polyline图层。

(3) 定位功能。定位功能是在Android定位的功能基础上,使用高德地图Android定位SDK,通过移动网络、Wi-Fi、陀螺仪等手机内部硬件设备,实现精准位置定位、位置纠偏、逆地址编码。其中GPS监听器的监听机制为利用LocationManager类的GPS_PROVIDER获取一个GPS监听器,监听机制为前后两点之间移动距离超过10 m或者时间超过10 s,如果位置信息发生改变,利用Location的accuracy判断定位精度是否小于30 m,如果小于30 m则将其存入本地数据库。

(4) 信息同步功能。移动端系统同步功能包含离线图层下载和历史数据上传。离线地图采用TMS瓦片地图格式,利用GeoServer将遥感影像、保护区功能区划、网格等数据加工为256×256像素的JPG瓦片地图,并将其打包压缩存储在服务器WebGIS端子系统中。历史数据上传采用轻量级数据交换格式JSON(JavaScript Object Notation),该数据格式易于辨识,App将所有信息封装为JSON格式,利用网络推送至服务器端。

大致实现方式为利用okhttp3.Request类的url()方法创建一个与服务器WebGIS端地图存储位置相应的网络链接请求,通过okhttp3.Call类的httpClient.newCall()方法执行这个请求,当请求失败时通过refreshListRender()方法重新请求,当请求成功时建立数据流FileOutputStream通道进行下载,下载完成后刷新页面并提示下载成功。

3.3 服务端数据管理子系统功能实现

服务端在接收到移动端推送来的数字标本记录后,主要开展实时展现、历史数据管理、专家鉴定、统计分析等四方面的工作,对初步采集的数字标本记录进行清洗和审核,有效数据经审核后及时入库。

(1) 实时展现功能。当移动端GIS数据采集子系统有网络信号时,通过WebSocket实时推送的调查组运动轨迹和采集的数字标本记录将会被接收,通过服务端的OpenLayers3、Ceisum绘制和展现出来。

(2) 历史数据管理功能。每条数字标本记录将会通过移动端的历史数据同步功能上传至服务器端历史数据管理模块中,各组调查数据管理人员利用本模块对采集到的数字标本记录进行数据清洗,对数字标本记录中的各项信息进行添加、修改、删除等操作。

(3) 专家鉴定功能。为确保每条数字标本记录的准确性,各调查组需要组织相关专家对采集信息进行鉴定工作。专家鉴定模块对应于移动端的信息采集分为三大类19小类的专项鉴定模块,如图6所示。各模块对移动端所采集的每条数字标本记录逐一开展鉴定工作,同时填写鉴定人和鉴定时间等信息,如图7所示。鉴定完成后的数字标本记录将存入本底资源数据库中。

图7 专家鉴定功能界面

(4) 统计分析功能。系统采用统一的网格化管理方式,因此在调查人员工作情况、调查范围、调查对象分布情况等方面可进行网格化分析。如图8所示,调查范围的网格化分析可确定各调查组是否覆盖80%以上的网格数,并且按照颜色值由浅蓝色到深红色填充各网格表示每个网格的途经次数的由少到多,调查组未到达的网格不填充颜色。调查对象分布的网格化分析为按照网格颜色填充由浅蓝色到深红色表示每个网格的物种数量发现次数的由少到多,并标注其具体数值。对样方、样点等数据则可展示其分布信息。

图8 网格化分析

另外,系统可自动统计本底调查过程中的各调查组工作人员行走距离、时长、采集数据量等信息,以及不同调查对象的排名、数量等信息,如图9所示。

图9 调查人员工作情况统计

自2017年本底资源调查启动至今,已采集兽类数据1 041条、鸟类数据9 053条、昆虫数据8 178条、鱼类数据144条、爬行动物数据152条、两栖动物数据199条、植物数据10 300条、样方128块共计数据8 759条、红外相机点位179个共计数据22 403条。

4 结 语

针对本底资源调查的需求,本文设计并实现的自然保护区本底资源调查系统在湖北后河国家级自然保护区本底资源调查过程中得到了很好的应用,获得了较好的成果。

(1) 提出自然保护区本底资源数字标本概念,改变传统本底资源调查过程中对实物标本的采集、数据管理的模式和数据成果的展示方式,减少本底资源调查过程中对调查对象的破坏,提升调查质量和鉴定准确度,增加本底资源调查数据成果的丰富度。

(2) 将本底资源调查网格化管理方式在移动端GIS数据采集子系统和服务端WebGIS数据管理子系统中实现并应用,实现对本底资源调查过程的网格化

管理和本底资源调查成果的网格化分析。

(3) 利用移动GIS技术、WebGIS技术,解决外业采集时对离线地图的应用需求,实现所有采集数据经度、纬度、海拔信息的自动采集,同时自动关联各项调查信息,减轻内业工作量大的现状。

(4) 自动统计分析调查组覆盖情况、调查人员工作情况、调查对象数量及分布情况等,提升各调查组对调查进度、调查质量的把握程度,提升保护区管理机构对各项数据的应用程度。

本文系统也存在一些不足之处,如在专家鉴定时对物种的自动识别功能,需要在日后进一步加强完善。