CN1109996C - 时空定位的野外地物信息采集、处理分析的方法 - Google Patents

Abstract

一种时空定位的野外地物信息采集、处理分析系统与方法，属于信息采集技术领域。在电源逆变器的支持下，利用一定配置的笔记本计算机和数码照相机、GPS接收机、手动输入器，通过由地理信息系统Titan 3.1控件与Visual Basic 6.0编程语言开发出的软件系统，进行时空定位的野外地物信息采集与分析处理方法。可以广泛应用于地学、生态学、农学等领域中的，主要以考察车辆做为运载工具的，需要进行空间定位的，采用点状或者线状采样方式的，野外地物信息的获取与处理。

Description

时空定位的野外地物信息采集、处理分析的方法

本发明属于遥感、地理信息系统、全球定位系统技术领域。

以宏观现象为研究或业务目标的地学、农学、生态学中的部分领域通常使用点状和线状野外采样方式获取地物信息，并由点、线推广至面，从而掌握宏观现象的状况及其变化规律；虽然遥感等对地观测技术开辟了获取地表宏观信息的崭新途径，一般情况下需要地面实况信息采集的配合才能发挥作用。尽管以往的野外调查为上述学科的发展作出了不可磨灭的贡献，但也存在许多不便之处：首先野外点状或剖面采样数据不易进行空间定位，准确性比较差，通常是依靠指南针判定方向，通过地形图与地面地物的对比，把样点或样线位置标注到纸质地图上，同时将观测到的地物信息落到野外记录薄上的方法；其次野外观测数据的记录、整理、分析与保存非常麻烦，效率不高，观测资料不易与野外实况录像和照片配合，与专题图件、遥感影像所反映的信息进行综合分析时往往比较困难，这样野外采样的数据质量无法进行实地评判，难以满足对采样的要求。

随着遥感、地理信息系统特别是全球定位系统技术的成熟及实用化，为野外地物信息获取、空间定位与分析处理方式的改进创造了坚实的物质基础，由北京图原空间数据技术公司与国家遥感应用工程技术研究中心联合开发的野外农情采样系统，与1998年12月17日以“执行野外信息采集、定位与处理的系统和方法”的名称申报了国家专利。虽然开辟了野外地物信息获取的新方式，可是这个系统仍有着许多不足之处：首先它的功能非常有限，尽管名为“执行野外信息采集、定位与处理的系统和方法”，但开发此系统的主要目的是通过提取线样区内种植成数来推算作物种植面积，它的基本思想是用摄像机摄取采样路线上的地物信息，然后在室内进行回放，以得到所需的作物种植比例系数，实质上它只是一种线状剖面采样方法，而样点采样却在野外地物信息采集中占据着很重要的地位；其次它的线状采样非常不便，由于是使用摄像机获取采样剖面周围的地物信息，因此对于较长的采样路线来说，需要准备大量的录像带，当把它们经过内置图像采集卡转换成图像数据时，需要配置大容量的数据存储部件，况且在行进的考察车上要保证摄象机镜头时时对准目标地物难度很大，工作量也很大，另外笔记本计算机电源供应主要依赖其内置的锂电池，工作时间只能维持2-3个小时；再次对采集的野外数据进行后续处理比较烦琐，具体操作时要在计算机中对大量的图像数据进行动画播放并进行作物类型变化的判定及其采样时间的输入，摄像的时间越长，后处理时间也越长；最后通过计算某类作物图像帧数与采样线上所有图像帧数之比例来获取种植成数精度有限，它要求考察车辆前进时保持匀速，这在实际运作时很难作到。

本发明的目的在于提出一类在电源逆变器的支持下，利用一定配置的笔记本计算机和数码照相机、GPS接收机、手动输入器，通过由地理信息系统Titan 3.1控件与Visual Basic 6.0编程语言开发出的软件系统，来进行时空定位的野外地物信息采集与分析处理的方法，

“时空定位的野外地物信息采集与分析处理系统”其硬件系统(图1)主要包括：野外地物信息存储与处理分析用的便携式笔记本电脑1、摄录野外地物信息的数码照相机2或者数码录像机、接收地物照片数据并将其存储于硬盘的红外线接收器3、提供时空定位信息的全球定位系统(GPS)接收机4、适应多种供电需求的电源逆变器5、方便野外地物信息动态线状采样的手动输入器6，其特征在于：

(1)地物图象采集：

数码照相机2或者数码摄象机所获得的地理图像，通过红外线接收器3，传输到笔记本电脑1的硬盘上，克服一般照相机或摄象机所摄取的地物实况图像，要通过后续的洗像、扫描或者通过图像采集卡进行图像采集，造成工作效率较低的弱点。

(2)线状信息记录：

除键盘、鼠标之外，配置一个带有可编程芯片的手动输入器6。由GPS接收机4传送来的采样路线数据将其连接起来即为采样路线。在线采样过程中，可以将观测到的地物类型等信息直接加入到采样路线之上，一般情况下可用鼠标点击地物类型按扭输入，但当路况不好时，由于车辆颠簸造成上述操作不易做到，有时甚至有误，因此把带有可编程芯片的，表盘上具有作物类型按扭的手动输入器6联到笔记本电脑1上，可以解决这个问题。

(3)系统电源供应：

采用电源逆变器5，将考察车辆的蓄电池直流电逆变成标准的220伏交流电，然后再由相应的变压器将其转变为笔记本计算机1和GPS接收机4所需要的直流电流，以满足他们持久不断的电力需求。

“时空定位的野外地物信息采集与分析处理系统”软件系统(图2、图3)其特征在于：

(1)采样准备功能：

进行野外地物信息采集之前，可以把与考察区域有关的背景资料、参考数据、相应图件以及遥感图像等注入到笔记本计算机中，通过数据的预处理，将它们有机组织起来进行综合显示；在此基础上，同时根据任务要求，选定采样路线，布设采样点，并对线状采样内容进行预先设定。

(2)线状采样功能：

将野外考察研究或者工作人员的观测结果，直接连接到由GPS接收机传送来的经纬度信息所形成的采样路线之上，并以采样路线的线型或颜色表示地物剖面的性质，比如野外地物类型信息等，这样能够直观反映样线上的地物状况，一方面可以减少采样数据量，节省数据处理时间，另一方面又可提高线状采样精度。改进在采样路线上对地物实况进行录像，然后在室内对线状地物信息进行提取与处理的比较烦琐，精度不高的工作方式。

(3)点状采样功能：

在实地把地物的文字描述与观测数据，通过键盘输入到笔记本电脑中，直接与由GPS接收机获取的样点空间位置数据建立联系；使用数码照相机或数码摄象机所获取的图像或录像数据，可用拍摄时的时间作为文件名，输入到笔记本电脑后，与样点处GPS接收机获取的时间相对应，并将它们落实到拍摄时的空间位置。

(4)分析处理功能：

系统可以对线状采样数据进行诸如采样路线长度统计、采样剖面上各种地物类型的比例计算、与面状矢量图件叠加获得各区域内地物类型的比例、结合区域面积数据估算出各种地物类型面积等；另外由线状采样数据，可以判定遥感影像特征所反映的具体内容，检查各种图件的质量，寻找出图件的错误之处，监测地物类型的空间变化情况等；对于点状采样数据可以进行空间插值、与遥感等图像的对比分析、建立相关的数学模型等。

(5)结果显示功能：

系统可以将参考数据、采样数据或者分析结果数据，用图像、图形、表格、曲线、文字、图片、录像、公式等方式或单项、或综合地表现出来，这样有助于对野外地物信息采集的方案及结果进行科学评判。

本发明的主要内容是：在电源逆变器的支持下，利用一定配置的笔记本计算机和数码照相机、GPS接收机、手动输入器，通过采样准备、信息采集、处理分析、结果表示各软件模块，来进行时空定位的野外地物信息采集、分析处理的方法，其步骤如下：

(1)通过笔记本计算机的软驱、光驱、网络、键盘等输入部件，将采样区有关的遥感图像、专题图件、表格数据、文字资料等输入到笔记本计算机的硬盘之上。

(2)使用图像增强软件模块，突出显示与采样内容有关的信息；使用控制点选取与坐标转换软件模块，将各类遥感影像、各种专题图件统一到一个坐标系下，通过集成显示模块，使多种来源信息组合成与采样有关的信息综合体。

(3)在上述综合信息基础上，结合采样任务的要求，使用样点布设或样线规划、内容预设软件模块，设计采样方案，包括采样地点的空间布设、采样地点所要采集的信息类型及采样方法；采样线路的空间布设、采样线路上所要采集的信息类别以及采样方法。如果采样区域范围较小，采样位置要求准确，需设置差分基准站，使用差分设置软件模块进行一些参数的输入。

(4)在野外信息采集过程中，使用点线转换软件模块进行点采样与线采样之间的转换；其中笔记本计算机和GPS接收机的电源供应是在用电源逆变器把考察车辆蓄电池的直流电转换为220伏交流电的基础上，使用笔记本计算机和GPS接收机的变压器把交流电再转换成各自所需电压的直流电。

(5)执行点采样时，使用数码照相机或数码摄像机对野外研究对象进行照相或摄像，并利用编程工具，将图像文件以摄取的时间作为文件名；对野外研究对象的观察研究结果，使用观察描述软件模块，以文字的形式，通过键盘输入到笔记本计算机，并与用GPS接收机所获取的采样地点坐标相联接；使用专业仪器对野外研究对象的测量结果，以表格的形式，通过键盘输入到笔记本计算机，并与用GPS接收机所获取的采样地点坐标相联接；对野外研究对象采集到的样本，使用采样编号软件模块，对采样地点进行自动编号，并与用GPS接收机所获取的采样地点坐标相联接；同时将号码记录到样本的标签上，送交化验室进行分析测试后，将其结果通过键盘输入到笔记本计算机。在考察车辆行驶过程中执行线采样时，使用手动输入器或者鼠标，对观测到的地物信息，按类型不同，点按相应的按钮，并将输入的信息与用GPS接收机所获取的采样路线相联接，以不同的线段颜色或不同的线段类型显示在显示屏之上，以便检查线采样的工作情况。

(6)使用结果存储软件模块可对点采样或线采样的结果随时进行存储；当预设的内容与实际情况有差异时，可以使用内容增删软件模块对预设的内容进行修改。

(7)启动图片输入软件模块，把数码照相机或数码摄像机获取并存储于其中的图像文件，经由红外线接收器，传输到笔记本计算机的硬盘上，通过图片定位软件模块，将照片或录像数据与用GPS接收机所获取的采样地点坐标相联接。

(8)对带有野外地物信息的采样路线，通过样线统计软件模块，计算采样路线的长度、计算采样剖面内各种地物类型所占比重、结合统计数据计算采样区内各种地物类型某种性质的总量。对采样地点获取的地物性质信息，通过样点插值软件形成采样区地物性质信息的空间分布。

(9)对点采样、线采样获取的野外地物信息，通过叠加分析软件模块，与专题图件进行空间叠置，得出区域内地物信息的统计特征；使用模型建立软件模块，建立野外地物信息与遥感数据、专题图件变量之间的模型。

(10)根据获取的点采样、线采样野外地物信息，使用图形编辑软件模块，对专题图件数据进行图形的检查、修改。如果采用差分技术，利用差分处理软件模块对获得的采样信息进行空间位置的校准。

(11)对经过处理分析的野外地物信息以及相应的背景数据，通过图片显示、图形表示、观测表格、统计曲线、图像展示、公式拟合、文字分析以及综合输出软件模块进行显示，检查野外地物信息采集的效果，展示利用野外地物信息进行研究所获得的结果。

可以广泛应用于地学、生态学、农学等领域中的，主要以考察车辆做为运载工具的，需要进行空间定位的，采用点状或者线状采样方式的，野外地物信息的获取与处理。

本发明附图的图面说明如下：

图1是本发明“时空定位的野外地物信息采集与分析处理系统”的系统硬件结构图。

其中  1  笔记本电脑

      2  数码照相机

      3  红外线接收器

      4  GPS接收机

      5  电源逆变器

      6  手动输入器

图2是本发明“时空定位的野外地物信息采集与分析处理系统”的系统软件结构图。

图3是本发明“时空定位的野外地物信息采集与分析处理系统”的数据流程图。

图4是本发明“时空定位的野外地物信息采集与分析处理系统”的界面

图5是长春地区行政区划与交通线路图(1∶10万)

图6是德惠市土地利用现状图(1∶10万)

图7是德惠市作物信息野外样点布设与样线规划图

图8是本发明“时空定位的野外地物信息采集与分析处理系统”的样点采样模块图

图9是本发明“时空定位的野外地物信息采集与分析处理系统”的样线采样模块图

图10是德惠市作物野外样点采集信息分析图

图11是德惠市作物野外样线采集信息结果图

图1也是摘要附图

本发明的实例如下：

1.系统硬件配置和规格

笔记本计算机：联想朝阳6500DMTF

主板：LX-FIC6000

内存：32兆比特

硬盘：2.0G比特

红外线接收器或USB接口：传输速率100比特/秒

显示器：12.1TFT

GPS接收机，天线：由Strong公司的OEM板组装的GPS接收机

电源逆变器：上海三科电源有限公司生产的SKN-200W型电源逆变器

手动输入器：吉林工业大学生产的带有单板机的矩阵键盘

2.吉林省德惠市作物农情信息与种植面积成数野外采集

1999年9月27日，利用研制的时空定位的野外地物信息采集与分析处理系统(图1为此系统的界面)，对吉林省德惠市的作物农情与种植面积成数进行了野外信息采集，其步骤与结果如下：

(1)将德惠幅TM遥感影像数据(1996年8月接收)、长春地区1∶10万行政区划与交通路线图(图5)、德惠市1∶10万土地利用图(图6)及各类地物的面积数据、德惠市农业经济统计数据，通过网络输入到笔记本电脑。

(2)将上述图件统一到双标纬等积圆锥投影坐标系下，把TM遥感影像增强后，与图件配准并将县界外的部分切除。

(3)根据采样区划的结果和野外工作的目标，进行了采样路线的选取与采样地点的布设(图7)。

(4)图8为野外点采样时所设计的采样内容，通过观察、测量、询问，将收集到的有关信息输入到笔记本电脑中；图10中的玉米长势照片是用数码照相机摄取的，借助于笔记本电脑中的红外线接收器，传输到笔记本电脑硬盘中，并与空间位置相关联。

(5)转换到线采样模式下(图9)，所采集的各种地物类型信息见图11，从图可见，全县范围的主要作物是玉米，其次是水稻，其它作物所占比例很小。

(6)图10是德惠市玉米产量空间分布图与长势图片分析，从图可见所采集的玉米单位产量数据，与德惠市的地形和土壤状况是相吻合的，因此是合理可靠的。

(7)下表是对线采样的处理结果：

类型	采样线长度(米)	99年采样旱地作物比例(％)	99年估算旱地作物面积(公顷)	99年统计旱地作物面积(公顷)	99年统计旱地作物比例(％)
						玉米地	217162	92.1	167095	101568	56
大豆地	2195	1.0	1814	32553	18
						杂粮地	16327	6.9	12519	47307	26
水稻地	22706	0
						林地	2589	0
草地	2592	0
						居民地	76290	0
总计	339862	100	181428	181428	100

从上表可看出，由野外采集的作物种植成数信息推算的各种旱地作物面积与实际比较吻合，而由逐级上报得来的旱地作物面积数据误差很大。

Claims (1)

1、在逆变电源器的支持下，利用一定配置的笔记本计算机和数码照相机、GPS接收机、手动输入器，通过采样准备、信息采集、处理分析、结果表示各软件模块，来进行时空定位的野外地物信息采集、处理分析的方法，其特征在于采用下列步骤：

(1)通过笔记本计算机的软驱、光驱、网络、键盘等输入部件，将采样区有关的遥感图像、专题图件、表格数据、文字资料等输入到笔记本计算机的硬盘之上；

(2)使用图像增强软件模块，突出显示与采样内容有关的信息；使用控制点选取与坐标转换软件模块，将各类遥感影像、各种专题图件统一到一个坐标系下，通过集成显示模块，使多种来源信息组合成与采样有关的信息综合体；

(3)在上述综合信息基础上，结合采样任务的要求，使用样点布设或样线规划、内容预设软件模块，设计采样方案，包括采样地点的空间布设、采样地点所要采集的信息类型及采样方法；采样线路的空间布设、采样线路上所要采集的信息类别以及采样方法；

(4)在野外信息采集过程中，使用点线转换软件模块进行点采样与线采样之间的转换；其中笔记本计算机和GPS接收机的电源供应是在用电源逆变器把考察车辆蓄电池的直流电转换为220伏交流电的基础上，使用笔记本计算机和GPS接收机的变压器把交流电再转换成各自所需电压的直流电；

(5)执行点采样时，使用数码照相机或数码摄像机对野外研究对象进行照相或摄像，并利用编程工具，将图像文件以摄取的时间作为文件名；对野外研究对象的观察研究结果，使用观察描述软件模块，以文字的形式，通过键盘输入到笔记本计算机，并与用GPS接收机所获取的采样地点坐标相联接；使用专业仪器对野外研究对象的测量结果，以表格的形式，通过键盘输入到笔记本计算机，并与用GPS接收机所获取的采样地点坐标相联接；对野外研究对象采集到的样本，使用采样编号软件模块，对采样地点进行自动编号，并与用GPS接收机所获取的采样地点坐标相联接；同时将号码记录到样本的标签上，送交化验室进行分析测试后，将其结果通过键盘输入到笔记本计算机；

(6)执行线采样时，在考察车辆行驶过程中执行线米样，便用手动输入器或者鼠标，对观测到地物信息，按类型不同，点按相应的按扭，并将输入的信息与用GPS接收机所获取的采样路线相联接，以不同的线段颜色或不同的线段类型显示在显示屏之上，以便检查线采样的工作情况；

(7)使用结果存储软件模块可对点采样或线采样的结果随时进行存储；当预设的内容与实际情况有差异时，可以使用内容增删软件模块对步骤(3)中涉及到的预设的内容进行修改；

(8)在野外地物信息采集结束或中间停顿时，可对野外采集到的信息进行分析处理；启动图片输入软件模块，把数码照相机或数码摄像机获取并存储于其中的图像文件，经由红外线接收器，传输到笔记本计算机的硬盘上，通过图片定位软件模块，将照片或录像数据与用GPS接收机所获取的采样地点坐标相联接；

(9)对带有野外地物信息的采样路线，通过样线统计软件模块，计算采样路线的长度、计算采样剖面内各种地物类型所占比重、结合统计数据计算采样区内各种地物类型某种性质的总量；对采样地点获取的地物性质信息，通过样点插值软件形成采样区地物性质信息的空间分布；

(10)对点采样、线采样获取的野外地物信息，通过叠加分析软件模块，与专题图件进行空间叠置，得出区域内地物信息的统计特征；使用模型建立软件模块，建立野外地物信息与遥感数据、专题图件变量之间的模型；

(11)根据获取的点采样、线采样野外地物信息，使用图形编辑软件模块，对专题图件数据进行图形的检查、修改；如果采用差分技术，利用差分处理软件模块对获得的采样信息进行空间位置的校准；

(12)对经过处理分析的野外地物信息以及相应的背景数据，通过图片显示、图形表示、观测表格、统计曲线、图像插值、公式拟合、文字分析以及综合输出软件模块进行显示，检查野外地物信息采集的效果，展示利用野外地物信息进行研究所获得的结果。

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