传统基于纸质地形图、遥感图像、调查卡片和罗盘仪的森林资源清查模式，在我国已经执行了很多年(亢新刚，2001)。传统调查方式在进行样地的定位和复位时，费时、费力，精度较低; 采用手工方式填写调查卡片，后续处理工作量大，且容易出现人为错误(赵宪文等，2002)。伴随微电脑、嵌入式开发、GPS定位和通信技术的快速发展，为提高森林资源清查的精度和效率，自2002年以后，国内外就有不少研究单位和个人开始考虑使用掌上电脑和蓝牙GPS进行森林资源清查(史光建等，2008; Hardy，2002; Robert et al., 2004)。因当时掌上电脑内存、CPU主频等因素的制约，基于掌上电脑的森林资源清查系统很多只能用于野外属性数据的采集(刘鹏举等，2009; 刘新等，2009)。而大数据量遥感图像、扫描地形图的加载和快速显示、样地图层显示、调查属性库用户定制、调查因子的实时逻辑检查、在PDA上进行树种组成计算和蓄积量计算等，绝大部分系统未得到有效解决(常广军等，2006; 张海军等，2008; 王振堂，2007)。本文在多年研究、开发及应用的基础上，对基于掌上电脑的森林资源清查移动GIS系统的整体功能、核心技术与实现、在全国范围内的实际应用现状进行了详细论述，研究成果对数字化森林资源清查和林业信息化建设有重要应用价值。

1 系统整体组成及功能

整个系统包括便携式硬件、嵌入式GIS软件和台式机数据处理软件3个组成部分。通过在便携式硬件上运行嵌入式GIS软件，能加载监测区域的遥感图像、扫描地形图和一类调查样地分布图，利用GPS卫星定位，能实时确定用户在野外的现时位置，并在配准后的遥感图像或扫描地形图上显示出来。确保在有图模式下，动态引导调查人员进行野外样地的定位与复位。内嵌森林资源清查属性库，能快速进行调查因子的选择、填写，逻辑检查和计算。野外调查的成果在室内能自动成图和入库。在有移动通信网络覆盖的地方，调查人员在野外的动态分布，可在室内实时显示在监测区域的电子地图上，调查数据可实时传输到室内数据处理中心，以便及时检查。实现上述功能的系统整体设计如图 1所示。

整个系统的输入数据包括图形数据、调查属性数据和卫星定位数据，经过外业调查，最终系统需要得到的数据包括每个样地各项调查因子的数值、每木检尺数据等。现分析各组成部分的功能。

1.1 便携式硬件

便携式硬件主要包括掌上电脑(PDA)和蓝牙GPS，前者运行嵌入式GIS软件，再通过嵌入式GIS软件，驱动后者接收GPS卫星信号，以确定用户现时位置。目前主要掌上电脑品牌包括:惠普、DELL、多普达、台湾神达、美国天宝等。掌上电脑更新换代速度很快，其发展方向是集成GPS接收机、通信功能和数码相机功能于一体的机型。适合森林资源清查的掌上电脑硬件应具备以下特点: 1)能防水、防震、防尘、防强光反射影响的军工级产品。2)电池蓄电后能连续使用8 h，设备本身要能方便更换备用电池。3) GPS定位精度要高，实时定位精度最好能达到5 m以内，理想定位精度为亚米级。无论是一体机还是使用蓝牙GPS接收机，均要求有很高的灵敏度，确保在密林下面要能够正常导航和定位，以便能够正确引导野外调查人员进行样地的定位和复位。4) PDA最好能带CF插槽，以确保野外调查数据的安全可靠。目前市场上最新款的硬件已基本能满足上述要求，内存一般为128 M，闪存也在128 M以上，CPU主频一般为400~600 MHz。操作系统应为Mobile5.0及以上版本，或是WinCE操作系统。能自主跟踪SBAS卫星，进行实时差分定位，精度能够达到2~5 m。如美国天宝的JUNO SB，JUNO SC和台湾神达GETAC PDA等。5)硬件已具备数码相机功能，能拍摄样地位置图。在嵌入式软件的驱动下，所拍摄的样地位置图能作为样地调查因子的一个属性被自动保存起来，且能从不同方位拍摄同一样地的多张图片，并自动保存，能省略传统调查绘制样地位置草图所带来的麻烦。

便携式硬件的主要功能是运行嵌入式GIS软件、接收GPS卫星信号、实时确定野外调查人员的现时位置。

1.2 嵌入式GIS软件

对森林资源清查而言，市面上大多数嵌入式GIS系统仅实现了对样地调查因子的数据采集和在无图模式下利用GPS进行样地的定位与复位等功能(Tsou，2004), 图形数据的处理能力较弱或基本没有，不能进行调查因子的实时逻辑检查、树种组成、龄组、龄级和蓄积量的自动计算。目前，在全国范围内已有接近20个省购买了空间分辨率为2.5 m的SPOT5遥感图像，森林资源清查完全可以在有图模式下进行。因此数字化森林资源调查嵌入式GIS软件应具备以下功能:

1) 能够显示监测区域3~5 G的遥感图像或扫描地形图，在此基础上加载监测区域的样地位置分布图(*.shp或*.mif格式)，确保野外调查能在有图模式下进行。

2) 能利用GPS进行动态导航定位，实时差分定位精度一般在2~5 m左右。可以遥感图像或扫描地形图为底图，通过输入样地点坐标、样地编号或通过样地图层选择目标样地进行动态导航定位，也可用电子罗盘模式进行动态导航定位。确保在有图模式下，通过GPS导航能够实现样地的高精度快速定位与复位。

3) 能够新定义点状图层进行样地调查，也可以监测区域样地位置分布图为基础进行样地调查，可以事先将一类调查因子通过台式机数据处理软件定义为调查因子库，并在PDA上配置给新建图层或已有样地图层。先在PDA上加载监测区域的遥感图像或扫描地形图，再加载点状图层(样地位置图层)。根据卫星定位确定的用户实际位置坐标，实时刷新样地位置分布，以便在PDA上能够动态显示用户位置附近的样地分布。通过GPS导航定位确定调查样地后，用操作笔在样地位置分布图层上点击调查样地位置，弹出该样地对应的一类调查属性因子表，通过选择、填写内嵌属性因子，就能快速完成样地调查。

4) 在野外选择、填写调查因子时，软件系统需要能够实现各项因子的缺省值显示、逻辑关系检查、树种组成计算、蓄积量计算等。

嵌入式GIS软件的功能模块如图 2所示。

1.3 台式机数据处理软件

台式机数据处理软件用于图形数据的准备、野外一类调查属性数据的定制、调查成果的自动成图与入库、野外移动用户监控和数据浏览等，主要功能包括:

1) 图形和图像数据准备  能将遥感图像、扫描地形图和传统矢量地图(*.shp和*.mif格式)转换为嵌入式GIS软件能够识别的数据格式, 包括栅格数据的配准、数据压缩和地图索引建立等。

2) 数据词典  由用户根据一类调查的具体要求，选择适合的数据类型和格式，并建立各调查因子之间的逻辑关系等，定制森林资源清查所需的属性因子库，可内嵌各种计算公式。

3) 自动成图与入库  能将野外采集的一类调查成果在室内进行自动成图和入库。包括生成ArcGIS的*.shp格式和MapInfo的*.mif格式的图形数据，属性因子能转换为Access的*.mdb、Foxpro的*.dbf和Excel的*.xls等数据格式, 也能进行野外调查数据的检查和浏览。

4) 野外移动用户监控  能够借助移动通信网络(GPRS或3G网络)，将野外调查人员采集的数据实时传回室内服务器，在台式机软件上进行检查。根据实时传回的野外调查人员的现时位置，能够在台式机加载的监测区域电子地图上实时显示调查人员的动态位置和分布状况。调查人员之间也能进行图上显示和通信，即进行野外监控。

台式机数据处理软件的功能模块如图 3所示。

2 核心技术实现及应用

在系统3个组成部分中，便携式硬件可根据用户具体需求进行优化配置，仅依赖于微电脑硬件技术的进步与发展，目前已经得到良好解决。整个系统的关键在软件实现上，就软件系统而言，核心技术包括以下几个部分。

2.1 图形图像显示

从底层编写代码，能处理BMP，JPG和TIF格式的图像数据, 包括图像压缩、建立影像金字塔和地图索引、图像几何配准和坐标系统设置。若图像已经配准，处理后的图像将自带原配准时所选坐标系统; 若图像没有配准，则设置缺省坐标系统。能设置的坐标系统包括:北京54坐标系、西安80坐标系、WGS84坐标系和独立坐标系。转换传统矢量地图，包括*.shp格式和*.mif格式，该部分由台式机数据处理软件用类封装实现。

利用嵌入式GIS软件，能够快速显示经台式机数据处理系统处理后的图形和图像数据，包括对存储于PDA SD卡或CF卡中图形和图像数据的自动列表、选择加载、图像缩放与漫游、比例尺设定、矢量和栅格格式数据的混合显示等。

目前已能在PDA 1G的存储卡上能够存储5~10 G的遥感图像或扫描地形图。利用影像金字塔技术，在PDA上实现了海量遥感图像或扫描地形图的快速显示和浏览。能够同时加载多幅已经配准的遥感图像或扫描地形图，并实现自动接边和缩略图自动生成。能够根据用户GPS定位坐标，自动加载存储卡中已经准备好的监测区域的遥感图像或扫描地形图。

图 4为嵌入式GIS软件自动探测PDA存储卡中的图像数据，图 5为并显示用户选择的图像，左上角为所生成的缩略图。

2.2 动态导航定位

森林资源清查，首先需要对地面固定样地进行定位和复位，然后才能展开调查。如何快速、准确寻找样地位置将直接影响调查的精度和效率。传统调查模式下，对调查人员利用地形图、遥感图像或航空相片判读地形、地貌的能力要求较高，调查人员往往需要经过较长时间的训练，才能在野外独立开展调查工作。本文讨论的动态导航定位有效解决了这一问题。

动态导航定位能在有图模式下进行，即以遥感图像、扫描地形图为底图，在其上加载样地位置分布图，借助GPS定位功能，调查人员在野外的现时位置就能实时显示在遥感图像和地形图上。以GPS定位确定的调查人员位置为起点，通过输入样地的编号、样地的坐标等多种方式确定导航目标点，就能准确引导调查人员进行样地的定位和复位。图 6为显示空中卫星的分布和信号强弱状况，当锁定4颗卫星后，就能确定用户的经纬度和平面坐标。图 7为用红箭头端点显示用户的现时位置。图 8, 9分别为电子罗盘导航和有图模式导航。

2.3 调查属性数据用户定制

森林资源清查，国家林业局虽然提供了统一的调查规程，但因各地资源分布的差异，不同省或同一省的不同地区之间具体调查因子存在一定差异。如何让用户自己定制调查因子库而不用修改原程序界面，将是软件系统在实际工作中普及应用的关键问题。

本文讨论的数据词典能让用户自己定制调查因子库。数据词典提供了非常强大的功能，包括各种数据类型的定义、数据模板的设置、一级列表和二级列表选项设置，通过建立调查因子之间的逻辑关系，以实现野外调查数据的实时逻辑检查，有效避免调查数据的错误。内嵌各种计算公式，能根据每木检尺资料自动进行龄组、龄级和蓄积量等因子的计算。通过数据词典提供的模板类型数据，能设置各种样地类型，包括菱形样地、方形样地、圆形样地等，并在样地模板上实现样木的快速定位与检尺。图 10为利用数据词典定制调查因子库的界面，图 11为利用内嵌调查因子库，快速选择和填写调查因子，图 12为利用样地类型模板进行样木快速检尺。

2.4 调查成果的自动成图与入库

野外调查成果在室内自动成图和自动入库。能自动生成样地位置分布图，包括*.shp和*.mif格式，调查属性数据能自动转换为Access的*.mdb, Foxpro的*.dbf和Excel的*.xls格式。完全省去调查卡片人工录入的过程，极大减轻了内业数据处理的工作量，能提高调查的精度和效率，并实现了数据共享。

2.5 实际应用状况

系统自2004年研发成功以来，开始陆续投放市场，现在已经在全国20多个省得到全面推广应用，主要应用省份包括:广西、广东、福建、浙江、湖北、陕西、甘肃、贵州、新疆、江苏、四川、重庆、西藏、东北三省、内蒙。2009年，吉林、浙江、湖北、上海、陕西等地使用该系统进行了我国第8次森林资源连续清查，取得了良好的效果。

3 结论

嵌入式GIS开发是目前GIS技术发展的一个重要方向。面向移动设备进行GIS系统开发，难度大、技术要求高、应用前景非常广阔。伴随微电脑技术、卫星定位技术、GIS开发和现代通信技术的发展，专门用于森林资源清查的嵌入式GIS系统已具备以下优势:

1) 用户可在PDA上以遥感图像、扫描地形图为底图，浏览样地分布情况，可以及时查看、添加或修改样地属性信息;

2) 连接GPS定位，可在图上实时显示用户当前位置，并可进行样地动态导航定位;

3) PDA体积小，可随身携带，程序设计尽量简单易用，软件操作简便;

4) 外野采集的属性和图形数据，经转换程序可转换为台式机软件系统能够识别的文件格式, 节省了传统调查模式所需纸图扫描矢量化和属性数据录入的过程，真正实现了森林资源清查的数字化、无纸化和内外业一体化，能极大提高调查的效率和精度，减少国家对人财物的投入。

5) 嵌入式GIS软件和台式机数据处理软件分别使用Embedded VC++和VC++从底层开发，具有自主知识版权。