CN102103201A - 多任务模式的湿地数据采集方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种多任务模式的湿地数据采集方法及系统，以便携式计算机为平台，结合GPS模块、图像采集模块、红外测距模块、无线通讯模块等硬件设备和自行开发的数据采集软件，采用蓝牙通讯技术、3G网络、GPS技术、空间数据库技术等进行开发，具备有强大的图形处理、空间数据采集、图像采集和属性信息录入能力，本方法及系统可实现湿地野外调查无纸化现场作业，避免了室内内业处理的重复劳动，提高了数据采集的工作效率。并可方便叠加调用现有数据成果进行分析，非常适合湿地保护区野外现场调查工作，如调查湿地植被分布、动物资源分布、水质检测、水力设施、更新湿地数据、项目普查等。本发明解决了湿地保护工作中数据采集难、更新难的实际问题。

Description

多任务模式的湿地数据采集方法及系统

技术领域

本发明涉及信息系统技术领域，具体涉及一种多任务模式的湿地数据采集软硬件平台，特别适用于湿地保护工作中野外调查时同步采集多种类空间数据、图像数据、属性信息、实现数据远程上传、实时更新等多任务模式的湿地数据采集工作。

背景技术

国际湿地公约对湿地定义是：“湿地是指不论其为天然或人工、常久或暂时性的沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体，包括低潮时水深不超过六米的水域”。同时又规定：“可包括邻接湿地的河湖沿岸，沿海区域以及湿地范围的岛屿或低潮时水深不超过六米的区域”。湿地是自然界最富生物多样性的生态景观和人类社会赖以生存和发展的环境之一，是地球上具有多种功能的独特生态系统；拥有丰富的动植物资源，相当于一个大的天然基因库，对生物物种多样性的保护具有十分重要的意义；湿地不仅为人类提供大量的食物、原料和水资源，而且在维护生态平衡、调节气候、保护生物多样性和珍稀物种资源以及涵养水资源、蓄洪防旱、降解污染，防止自然灾害等方面具有其它生态系统不可替代的作用；此外，人类开发湿地的历史悠久，世界许多重要古文明和现代文明都是靠湿地这类特殊的自然地域综合体孕育的。因此，湿此被人们誉为“物种基因库”“地球之肾”、“生命摇篮”、“文明发源地”，对人类生存和发展有着十分重要的作用。

湿地范围广阔、数据具有多样性和复杂性的特点，管理内容丰富，涉及多个方面。湿地交通不便，野外调查交通工具主要是船只，一次全面的野外调查工作需要花费大量时间，所以工作人员希望能同时调查多种数据。目前湿地野外调查主要有两种工作方式：一种是调查工作开始前，先将调查范围的现状图打印成纸质地图，调查人员拿着纸质图到现场标记、勾画，同时在另外的纸上记录属性信息，调查工作结束后回到室内再整理调查成果，输入计算机制图。这种工作方式非常落后，工作效率低，因湿地范围大，广阔的水域中缺少明显地理标记，调查人员经常弄不清当前所在位置对应的地图位置，所以调查成果的精度很低，同时调查工作需要多种现状图做参考，纸质地图不能实现叠加分析，给调查工作带来不便。另一种方法是近年来发展起来的常用野外数据调查技术，它利用市面上现有的带数据采集功能的GPS手持机，现场定位测量，进行数据采集，并且提供属性数据录入和图像采集功能，此类产品具有体积小、重量轻、携带方便的特点。但是，湿地调查需要同时采集多个方面的空间数据、图像数据，需要及时录入大量的属性信息，另外需要调用参照的数据也很多，包括不同年代不同分辨率的多种卫星航片数据、不同介质不同比例的数字线划图、湿地行政区划、水系、道路网、湿地保护站、植被分布图、鸟类分布图、鱼类分布图、水文水质监测数据、样方采集点等空间数据及图像、录像等多媒体数据等。并且在调查过程中需要反复的调用和卸载这些海量空间数据、即时做叠加分析、参照利用，目前GPS手持机或PDA产品很难完成这些工作。湿地野外数据调查工作需要一个图形处理速度快、运行稳定、存储空间足够大、操作方便的多任务模式的数据采集系统。

目前已申请中国专利的有关数据采集系统发明有5项：一是乔彦友发明的“基于PDA、GPS、GIS和GPRS的野外调查系统”，二是吴冲龙、刘刚等人发明的“基于便携机的计算机辅助地质调查系统”，三是王庆、王慧青等人发明的“土地调查的全数字化野外信息采集、记录与处理方法”，四是杨贵军、黄文江等人发明的“一种基于PDA和3S结合的土地利用变更调查方法及系统”，五是王庆、于冠男等人发明的“一种用于土地监测的电子信息化系统及其方法”。它们与本发明的区别在于：前者主要是采用PDA做为数据采集系统的硬件平台，图形处理能力和内存空间有限，不能处理海量空间数据，且属性信息采集功能不强，不能同时采集空间数据和图像数据，不适合多任务模式的湿地数据采集工作。本发明采用便携式计算机做为硬件平台，提供了强大的图型处理能力和海量空间数据存储能力，并且可以提供方便快捷的多种数据采集方式和属性录入方式，并且采集到的数据可以通过3G上网实现数据实时远程上报到管理部门的服务器，比已有发明更适合湿地里野外调查和数据采集工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：解决上述现有技术存在的缺陷，而提供一种新型、高效、稳定、多任务模式的湿地数据采集方法及系统，解决湿地保护工作中数据采集难、更新难的实际问题。

本发明采用的技术方案是：所述多任务模式的湿地数据采集方法，以便携式计算机为平台，结合GPS模块、图像采集模块、红外测距模块、无线通讯模块等硬件设备和数据采集软件，采用蓝牙通讯技术、3G网络、GPS技术、空间数据库技术，具备有强大的图形处理、空间数据采集、图像采集和属性信息录入能力的综合软、硬件系统。本系统可实现湿地野外调查无纸化现场作业，避免了室内内业处理的重复劳动，提高了数据采集的工作效率。系统具有快速的图形处理能力和海量空间数据存储能力，在采集多类空间数据同时采集图像信息、录入属性信息，并可方便叠加调用现有数据成果进行分析，操作方便、工作能力强，非常适合湿地保护区野外现场调查工作，如调查湿地植被分布、动物资源分布、水质检测、水力设施、更新湿地数据、项目普查等。

本发明的多任务模式的湿地数据采集系统，便携式计算机、GPS模块、红外测距仪和图像采集模块的这些硬件之间都采用蓝牙无线通讯连接和数据传输，很好地解决了众多硬件设备之间通过数据线互连错综复杂的局面。

本发明的多任务模式的湿地数据采集方法，具体有两种：一种是直接用GPS绝对定位来进行采集，点对象可以单点实测，线和面对象可以围绕目标航行一圈，通过获取一连串点自动生成线和面对象，对于无GPS信号或弱GPS信号区域单点测量可采用系统的几何辅助测量模块进行数据采集。另一种方法是通过导航定位得到当前所在位置，结合高分辨率卫星遥感影像识别、肉眼观察，利用强大的图元绘制功能勾画出地理空间对象，也可以利用栅格数据扩展模块对卫片进行解译，设有全自动解译、半自动解译和手工解译三种模式，可大大提高数据采集工作效率。如果对数据精度要求较高，系统支持采用GPS实时差分处理办法来提高坐标信息的精度，差分信号通过3G无线网络从差分服务器直接传输到便携式计算机。空间数据采集的同时，利用图像采集模块进行现场取证，数据采集软件为图像生成唯一的编码，并自动将图像与空间对象建立关联，一个空间对象可以关联一个或者多个图像信息，采集现场可以删除、修改和重新采集图像信息。数据采集软件充分利用便携式计算机方便的键盘输入功能，设有拼音首字母输入、数字代码输入、鼠标选择输入等多种属性信息输入机制，可以方便快捷地进行属性录入。这些工作完成后，数据采集软件将空间数据、图像数据、属性信息自动保存到数据库，同时将它们生成标准格式的数据包，远程上报到服务器。

本发明提供一种几何辅助测量方法，用于解决单点测量时，GPS信号非常弱(捕获卫星颗数小于3顆)或者没有信号的测量环境。解决方法是通过任意两个有GPS信号的测量点和这两点到目标点的距离，运用几何求解的办法求出目标点的坐标。

本发明利用3G无线通讯技术实现随时随地无线上网，实时将采集系统生成的标准数据包远程上报到管理部门的数据服务器，以便管理部门提供最新的数据服务。

技术效果

本发明提供一种新型、高效、稳定、多任务模式的湿地数据采集系统，有利于提高湿地管理部门野外调查工作效率，解决数据采集、更新难的实际问题。

本发明成本低，普通的便携式计算机就可以实现，价格比GPS手持机还要便宜。

本发明图形处理速度外、存储空间大、绘图方面、操作简单，适合于多任务模式的湿地野外数据采集工作。

本发明实现了野外调查工作无纸化办公，现场成图、实时更新。

附图说明

图1本发明系统框图

图2本发明硬件设备通讯图

图3湿地数据采集流程图

图4几何辅助测量原理图

具体实施方式

下面结合附图及实施用例对本发明作进一步说明。

(1)数据采集器。

湿地范围广阔、数据具有多样性和复杂性的特点，管理内容丰富，涉及多个方面。湿地交通不便，野外调查交通工具主要是船只，一次全面的野外调查工作需要花费大量时间，所以工作人员希望能同时调查多种数据。目前，其它行业常用的野外调查工具是带数据采集功能的GPS手持机，现场定位测量，进行数据采集，且能提供属性数据录入和图像采集功能，此类产品具有体积小、重量轻、携带方便的特点。但是，湿地调查需要同时采集多个方面的空间数据、图像数据，需要调用参照的数据也很多，包括不同年代不同分辨率的多种卫星航片数据、不同介质不同比例的数字线划图、湿地行政区划、水系、道路网、湿地保护站、植被分布图、鸟类分布图、鱼类分布图、水文水质监测数据、样方采集点等空间数据及图像、录像等多媒体数据等。调查前期先将这些数据装入系统，用于导航定位，调查过程中需要反复的调用和卸载这些数据、即时做叠加分析、参照利用，并且有大量的数据需要及时录入。湿地野外数据调查工作需要一个图形处理速度快、运行稳定、存储空间足够大、操作方便的多任务模式的数据采集系统。传统的基于PDA或GPS手持机的数据采集器显得无能为力，而便携式计算机却能很好地解决这些问题。系统总体框图如图1所示。

(2)硬件设备之间的通讯方式。

野外数据采集系统涉及硬件设备较多，包括便携式计算机、GPS模块、红外测距仪、图像采集模块，为解决这些硬件之间便捷的连接和数据传输，采用蓝牙无线通信无疑是最好的手段。蓝牙是一种短距离(一般是10m之内)、最廉价的无线通讯技术，支持点对点及点对多点通信方式。通过使用高速跳频(FH，Frequency Hopping)和时分多址(TDMA，Time DivesionMuli-access)技术，透过芯片上的无线接收器，使配有蓝牙模块的硬件设备能呈网状链接起来，传输速度可以达到每秒钟1兆字节，能有效地解决各设备之间通过数据线互连错综复杂的局面。一般的便携式计算机都自带有蓝牙模块，也可以花费几十元购买一个USB接口的蓝牙模块，GPS模块、红外测距仪、图像采集模块等硬件也具备蓝牙通信模块。蓝牙连接十分简单，便携式计算机开启蓝牙服务后，可以自动搜索服务范围内的有效的蓝牙设备，找到设备后，给每个设备各分配一个专用COM接口进行连接，连接成功硬件设备就可以当做普通文件一样进行数据读取操作了。硬件设备连接如图2所示。

(3)坐标转换及定位导航。

GPS是全球性的定位系统，定位测量得到的位置结果是全球通用的Wgs84坐标下的经纬度坐标，而我国测绘成果大多采用国家坐标系统，最常用的是西安80和北京54两种，因此需要将Wgs84坐标转换到国家坐标系统。为避免过多计算影响处理器运行，提出较少硬件资源开支的坐标转换模型，采用最小二乘法进行了坐标转换参数的求取和平差。首先，将目标坐标系下的大地坐标(B₁，L₁，H₁)根据高斯投影原理转换为目标坐标下的高斯坐标，其次将控制点WGS84大地坐标(B₂，L₂，H₂)根据高斯投影原理转换成WGS84高斯平面坐标。然后将控制点WGS84高斯平面坐标与控制点在目标坐标系的高斯坐标一一对应，根据四参数平面转换模型求取平面转换参数，然后将参数应用到调查范围的其它点坐标转换。转换过程中还涉及到中央子午线的问题，一般我们可以在调查范围内，近中心位置实测一点，取与该点经度最近的被3整除的经线为中央子午线。

湿地范围通常比较大，没有明显地理标识，在水域中行驶很容易迷失方向，本发明的GPS模块具有快速、准确定位的优点，并且定位数据每秒刷新一次，通过解译GPS坐标信息，将坐标信息以一个点对象显示在地图窗口中，结合卫星遥感影像就可以快速定位，为数据采集提供导航定位功能。

(4)数据采集软件

本发明的数据采集软件采用C#.Net和国产GIS平台SupermapObjects开发，具有强大的图形绘制、编辑、空间数据管理、分析能力。系统由地图导航模块、数据编辑模块、数据管理模块、数据检查模块、统计分析模块和数据上传模块组成。地图导航模块为工作人员提供方便的导航功能，将导航点保存到专门的导航路径数据层，根据需要可以设置1秒、2秒或者5秒记录一次，每个导航点包括编号，X坐标、Y坐标、高程、速度等属性，这样就可以清楚的表达已经走过的地方，有利于合理安排调查路线和方便日后数据整理工作；数据编辑模块提供多种基本矢量元素绘制、地理要素绘制和图元的修改，基本矢量元素包括点、线、面、圆、矩形、椭圆等，而地理要素包括道路、房屋、植被、河流等，图元修改包括图元选择、删除、节点编辑、移动、节点捕捉、数据复制等；数据管理模块利用SDX空间数据库引擎来解决关系型数据库存储空间数据的问题，提供对海量空间数据、非空间数据进行高效率操作的数据库服务。数据检查模块设有多种数据检查机制，检查调查数据的合理性，并审核入库；统计分析模块提供多种查询和专题分析功能，可使用各种图形风格符号来表达属性信息某方面特征，表示现象的现状和分布规律及其联系，且能指出这些现象的动态变化和发展规律；数据上传模块将采集的数据生成标准数据包，并利用无线通讯方式将数据包实时发送到远程服务器。

(5)数据采集

本发明提供两种空间数据采集办法，一种是直接用GPS绝对定位来进行采集，点对象可以单点实测，对于无(弱)GPS信号区域单点测量可采用系统的几何辅助测量模块进行数据采集，线和面对象可以围绕目标航行一圈，通过获取一连串点自动生成线和面对象。另一种方法是通过导航定位得到当前所在位置，结合高分辨率卫星遥感影像识别、肉眼观察，利用强大的图元绘制功能勾画出地理空间对象，也可以利用栅格数据扩展模块对卫片进行解译，设有全自动解译、半自动解译和手工解译三种模式，可大大提高数据采集工作效率。如果对数据精度要求较高，系统支持采用GPS实时差分处理办法来提高坐标信息的精度。实时差分是指通过建立一个基准站，由基准站向用户站实时发送差分信号，用户站根据差分信号来消除误差，能提高GPS测量与导航的精度，系统的GPS差分信号通过3G无线网络从差分服务器传输到便携式计算机。空间数据采集的同时，利用图像采集模块采集图像进行现场取证，数据采集软件为图像生成唯一的编码，并自动将图像与空间对象建立关联，一个空间对象可以关联一个或者多个图像信息，采集现场可以删除、修改和重新采集图像信息。数据采集软件充分利用便携式计算机键盘设有拼音首字母输入、数字代码输入、鼠标选择输入等多种属性数据输入机制，可以方便快捷地进行属性录入。这些工作完成后，数据采集软件将空间信息、图像信息、属性信息自动保存到数据库，同时将它们生成标准格式的数据包，准备远程上报到服务。湿地数据采集流程如图3所示。

(6)几何辅助测量模块工作步骤。

单点测量时，有些测量点(如建筑物的墙角、荫蔽树冠下的测量点)的GPS信号非常弱(捕获卫星颗数小于3顆)或者没有信号，这时可以采用几何辅助测量模块进行测量。如图4，A，B两点是有GPS信号的两点，P是无GPS的测量点，也就是待求点。首先，我们可以先利用GPS模块测量出点A和点B的坐标，再用红外测距仪测出点A到目标点P的距离L1，点B到目标点P的距离L2，然后，利用蓝牙无线通信技术将A，B，L1，L2自动传输到模块的数据输入接口，运行几何求解的办法计算出目标点坐标，适用于无(弱)GPS信号测量区内定点测量任务。几何求解方法：以A点为圆心L1为半径画一个圆C1，以B点为圆心L2为半径画另一个圆C2，这时这两个圆有两个交点P1，P2，再根据A，B，P的旋转方向来确定P1，P2哪个为真正的P。

(7)数据远程上传。

3G全称3rd-generation，中文含义是第三代移动通信技术，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术，具有提供高速数据业务特征。3G上网是继GSM、GPRS、EDGE后新的快速无线上网技术，便携式计算机可以通过扩展3G无线网卡来实现。首先需要购买一个USB接口即插即用的3G无线网卡模块，然后到营业厅申请一个3G号码，中国移动、中国电信、中国联通都有3G业务供选择，开通后并可实现较低成本的随时随地无线上网业务。有了如此高速、便捷的数据传输通道，就可以像在办公室发E-Mail一样将数据包实时远程上报到服务器，以便提供最新的数据服务。

Claims (5)

1.一种多任务模式的湿地数据采集方法，其特征在于以便携式计算机为平台，结合GPS模块、图像采集模块、红外测距模块、无线通讯模块等硬件设备和数据采集软件，采用蓝牙通讯技术、3G网络、GPS技术、空间数据库技术，具备图形处理、空间数据采集、图像采集和属性信息录入能力的综合系统，在采集多类空间数据同时采集图像信息、录入属性信息，并可方便叠加调用现有数据成果进行分析。

2.根据权利要求1所述的多任务模式的湿地数据采集方法，其特征在于便携式计算机、GPS模块、红外测距仪和图像采集模块的硬件之间采用蓝牙无线通讯连接和数据传输。

3.根据权利要求1的多任务模式的湿地数据采集方法，其特征在于具体方法有两种：一种是直接用GPS绝对定位来进行采集，点对象可以单点实测，线和面对象可以围绕目标航行一圈，通过获取一连串点自动生成线和面对象，对于无GPS信号或弱信号区域单点测量可采用系统的几何辅助测量模块进行数据采集。另一种方法是通过导航定位得到当前所在位置，结合高分辨率卫星遥感影像识别、肉眼观察，图元绘制功能勾画出地理空间对象，或栅格数据扩展模块对卫片进行解译，系统支持采用GPS实时差分处理办法来提高坐标信息的精度，差分信号通过3G无线网络从差分服务器直接传输到便携式计算机；空间数据采集的同时，图像采集模块进行现场取证，数据采集软件为图像生成唯一的编码，并自动将图像与空间对象建立关联，一个空间对象可以关联一个或者多个图像信息，采集现场可以删除、修改和重新采集图像信息；便携式计算机方便的键盘，设有拼音首字母输入、数字代码输入、鼠标选择输入等多种属性信息输入机制；数据采集软件将空间数据、图像数据、属性信息自动保存到数据库，同时将它们生成标准格式的数据包，远程上报到服务器。

4.根据权利要求3所述的多任务模式的湿地数据采集方法，其特征在于所述的几何辅助测量方法，用于解决单点测量时GPS信号非常弱或者没有信号的测量环境，解决方法是通过任意两个GPS测量点和这两点到目标点的距离，运用几何求解的办法求出目标点的坐标。

5.一种多任务模式的湿地数据采集系统，其特征在于包括便携式计算机、GPS模块、图像采集模块、红外测距模块、无线通讯模块，这些硬件之间采用蓝牙无线通讯连接和数据传输。

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